文/楊詩瑞

▲ 龍樂豪院士

▲ 長征五號(hào)火箭 宿東攝

今年4月24 日是我國第三個(gè)航天日，在哈爾濱召開的首屆中國航天大會(huì)上，中國工程院院士、中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院運(yùn)載火箭系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師龍樂豪詳細(xì)介紹了可重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展情況，并對(duì)未來進(jìn)行展望。

可重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)是指能多次往返于地面、空間軌道及軌道與軌道間，完成快速運(yùn)輸、快速進(jìn)出空間等多種任務(wù)，并按需返回地面的航天飛行器。由于可重復(fù)使用的特征，使得這項(xiàng)技術(shù)具有廉價(jià)、快速、機(jī)動(dòng)、可靠等特點(diǎn)，近年來在國際航天領(lǐng)域備受關(guān)注。那么，我國在重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)方面有何安排與規(guī)劃呢？

多種路線同步推進(jìn)

自上世紀(jì)50～60年代以來，人類一直在開展重復(fù)使用運(yùn)載器的技術(shù)探索研究，經(jīng)過幾十年發(fā)展，航天飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。之后，美國又投入巨資開展國家空天飛機(jī)計(jì)劃、冒險(xiǎn)星計(jì)劃、空間機(jī)動(dòng)技術(shù)驗(yàn)證飛行器等研究，形成了多種典型方案，其部分方案已經(jīng)得到驗(yàn)證和應(yīng)用。

龍樂豪表示，重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)總體來看可分為三種技術(shù)途徑：一是傳統(tǒng)運(yùn)載火箭構(gòu)型重復(fù)使用，一般包括運(yùn)載火箭助推/子級(jí)回收和垂直起降運(yùn)載火箭；二是火箭動(dòng)力重復(fù)使用，如升力式構(gòu)型運(yùn)載器等；三是組合動(dòng)力重復(fù)使用，如火箭基組合循環(huán)、渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、復(fù)合預(yù)冷等。目前，我國已經(jīng)在上述三種重復(fù)使用技術(shù)的發(fā)展路線上同步推進(jìn)并形成了梯次能力。

▲ 2016年6月25日，長征七號(hào)運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火升空

在重復(fù)使用運(yùn)載火箭構(gòu)型方面，現(xiàn)役長征三號(hào)甲系列火箭、長征四號(hào)系列火箭采用的有毒推進(jìn)劑，其箭體無法重復(fù)使用，但可通過傘降回收和柵格舵返回兩種回收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)落區(qū)精確控制，確保航區(qū)安全。

其中，傘降回收是在助推器/子級(jí)返回段利用降落傘減速，最終實(shí)現(xiàn)陸地、海上和空中回收的方式。柵格舵返回是隨著高度不斷下降，利用柵格舵將子級(jí)姿態(tài)調(diào)整為穩(wěn)定狀態(tài)飛行，并通過導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)，導(dǎo)引子級(jí)向目標(biāo)落區(qū)飛行并定點(diǎn)著陸的方式。

傘降回收技術(shù)是基于傳統(tǒng)火箭構(gòu)型，總體設(shè)計(jì)變化小，技術(shù)成熟度高，短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)，但回收過程中存在對(duì)箭體的沖擊。技術(shù)難點(diǎn)在于火箭子級(jí)在降落過程中速度很快，降落傘研制難度高。同時(shí)，大質(zhì)量箭體降落傘的設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)技術(shù)要求高，如果遇大風(fēng)天氣，其箭體姿態(tài)穩(wěn)定困難。

在芯級(jí)柵格舵回收方案中，可以在火箭的一、二級(jí)分離后，利用安裝在一、二子級(jí)級(jí)間段上的柵格舵按預(yù)定指令展開。隨著高度下降，動(dòng)壓不斷增加，箭體姿態(tài)將進(jìn)入自穩(wěn)定階段，此時(shí)，導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)開始工作，導(dǎo)引一子級(jí)火箭向目標(biāo)落區(qū)飛行及定點(diǎn)著陸。

這種回收技術(shù)是基于傳統(tǒng)火箭構(gòu)型，利用柵格舵保持箭體姿態(tài)穩(wěn)定，對(duì)火箭箭體改變較小，技術(shù)難度較低。難點(diǎn)在于子級(jí)柵格舵氣動(dòng)特性復(fù)雜，子級(jí)柵格舵組合體返回段姿態(tài)具有多通道耦合特性，子級(jí)再入防解體的難度較大。

柵格舵系統(tǒng)作為高集成度的獨(dú)立系統(tǒng)，成本低，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)箭體改動(dòng)小，可用于火箭一子級(jí)殘骸落區(qū)控制。

對(duì)于“長征五號(hào)”“長征六號(hào)”“長征七號(hào)”等新一代運(yùn)載火箭，可以通過垂直起降技術(shù)實(shí)現(xiàn)子級(jí)/助推的回收、復(fù)用。垂直起降是在子級(jí)返回段利用主發(fā)動(dòng)機(jī)重啟反推減速，利用高精度控制手段實(shí)施陸地或海上平臺(tái)精確著陸回收，但龍樂豪認(rèn)為，該方案具有一定技術(shù)難度。

在升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器方面，龍樂豪表示，升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器以重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，采用翼身組合體構(gòu)型，可重復(fù)使用幾十次，最大飛行高度超過100公里。

這種方式兼具航空器和航天器技術(shù)特點(diǎn)，采用升力式構(gòu)型、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能夠通過自動(dòng)進(jìn)場著陸方式來實(shí)現(xiàn)精確著陸與完全重復(fù)使用，是當(dāng)前重復(fù)使用運(yùn)載器的主要發(fā)展方向。技術(shù)難點(diǎn)在于要具備滿足大速域、大空域飛行要求的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù)，滿足垂直起飛水平著陸飛行要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和輕質(zhì)材料與熱防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)。

在組合動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器方面，根據(jù)設(shè)想，一級(jí)構(gòu)型以組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，采用水平起降方式；二級(jí)構(gòu)型可以是一次性運(yùn)載火箭，也可以是升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)載器，其一子級(jí)與二子級(jí)分離點(diǎn)的高度約20～30公里、速度6～7倍聲速，一子級(jí)分離后返回并水平降落，二子級(jí)運(yùn)送有效載荷進(jìn)入軌道。

這種方式采用升力式構(gòu)型、新型組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，具有起降靈活、高比沖和高效率、適應(yīng)大空域飛行等特點(diǎn)。技術(shù)難點(diǎn)在于總體/氣動(dòng)/推進(jìn)高度一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，高性能組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，以及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與熱防護(hù)技術(shù)。

總之，我國重復(fù)使用運(yùn)載器的戰(zhàn)略發(fā)展思路可從部分重復(fù)使用到完全重復(fù)使用、從火箭動(dòng)力到組合動(dòng)力、從兩級(jí)入軌到單級(jí)入軌，基于對(duì)國內(nèi)外發(fā)展情況的分析，結(jié)合我國研究現(xiàn)狀及技術(shù)基礎(chǔ)，并在充分汲取國外經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上做出最終解決方案。

▲ 獵鷹9火箭返回著陸

未來值得期待

龍樂豪表示，探索廉價(jià)、快速進(jìn)出空間運(yùn)輸工具，支撐未來大規(guī)模利用空間，推動(dòng)空間應(yīng)用產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，牽引需求與需求牽引形成良性循環(huán)是我國重復(fù)使用運(yùn)載器未來的發(fā)展方向。

“中國的‘天宮’和‘北斗’也將助力未來空間應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，成為重復(fù)使用運(yùn)輸系統(tǒng)的基地和基站?！饼垬泛览^續(xù)說道。

另外，龍樂豪還展示了我國2017～2045年航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展路線。2020年，以長征三號(hào)甲系列運(yùn)載火箭為代表的現(xiàn)役火箭將實(shí)現(xiàn)助推器/子級(jí)落點(diǎn)控制。正在研制的長征八號(hào)新一代運(yùn)載火箭將實(shí)現(xiàn)一子級(jí)整體垂直回收，并面向全球提供多樣化商業(yè)發(fā)射服務(wù)。

2025年，我國可重復(fù)使用亞軌道運(yùn)載器有望研制成功，亞軌道太空旅游將成為現(xiàn)實(shí)。

2030年，我國火箭動(dòng)力兩級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載器有望研制成功，具備完全重復(fù)使用能力。

2035年，我國運(yùn)載火箭有望實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用，更多的普通大眾可以乘坐兩級(jí)可重復(fù)使用運(yùn)載器遨游太空。

2040年，我國運(yùn)載火箭升級(jí)換代，組合動(dòng)力兩級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載器研制成功，運(yùn)輸工具將更加多樣化、智能化、高可靠、低成本，進(jìn)出空間更加便捷和高效。

2045年，我國組合動(dòng)力單級(jí)入軌運(yùn)載器研制成功，進(jìn)出空間和空間運(yùn)輸?shù)哪芰⒏訌?qiáng)大。

盡管前景樂觀，但重復(fù)使用運(yùn)載器最大的難題是適用性、可靠性、可維護(hù)性及成本、熱防護(hù)系統(tǒng)。這是因?yàn)閺能壍兰皝嗆壍罒o動(dòng)力重返地面的航天運(yùn)載器具有巨大的動(dòng)能和勢能，盡管這些能量大部分以激波和尾流等形式耗散于大氣中，但航天器的總能量仍然很大。例如，航天器在滑翔過程中90%的時(shí)間處于高于5公里/秒的高速飛行狀態(tài)，表面溫度可以達(dá)到1700攝氏度，而超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)喉道溫度可達(dá)到4500～5500攝氏度，這樣的高溫使其現(xiàn)有的金屬很難承受。

針對(duì)以上問題，龍樂豪指出，要支撐重復(fù)使用運(yùn)載器未來發(fā)展，還需要繼續(xù)攻關(guān)包括氣動(dòng)特性優(yōu)化、輕質(zhì)耐高溫防/隔熱材料、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化和重復(fù)使用評(píng)估等5大關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，還要以滿足高超聲速飛行、高升阻比與再入返回降低熱流、再入返回非燒蝕和動(dòng)靜熱密封等問題，并進(jìn)一步提高運(yùn)載能力，提高比沖、推質(zhì)比等。

除此之外，重復(fù)使用運(yùn)載器的研究將帶動(dòng)高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、高精度制導(dǎo)控制、先進(jìn)空天動(dòng)力、耐高溫輕質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)制造、重復(fù)使用評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展。

龍樂豪表示，對(duì)重復(fù)使用運(yùn)輸系統(tǒng)開展的相關(guān)研究將進(jìn)一步促進(jìn)我國基礎(chǔ)學(xué)科和工程技術(shù)水平的整體提升。

總之，航天運(yùn)輸系統(tǒng)是牽動(dòng)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步的龍頭。重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展會(huì)提升我國自主進(jìn)入空間的能力，加快我國運(yùn)載火箭更新?lián)Q代的腳步，助力我國向世界航天強(qiáng)國邁進(jìn)。