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发展重复使用航天运输系统究竟有多难?

乐鱼体育APP下载 动态 2021-05-05 17:58

重复使用航天运输系统是指可多次往返于地面与空间轨道、多次重复使用的航天运输系统,具有“自由进出空间、按需返回地面、多次重复使用”的典型特征。重复使用技术是航天运输发展的前沿方向,是实现安全、可靠、快速、自由、低成本进出空间的有效途径,具有满足未来空间开发、降低发射成本等重要意义,是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志之一。

早在20 世纪五六十年代,人类就已经开始了对于重复使用航天运输系统相关技术的探索。经过几十年发展,主要航天大国和地区已拥有不同程度的重复使用技术储备,形成了多种典型的重复使用运载器方案。目前,各国在发展重复使用航天运输系统的策略上采取更加务实和慎重的态度,近期多以两级入轨系统为发展重点,同时积极探索单级入轨方案。

重复使用航天运输系统有多种不同的分类方式:根据系统的级数,可分为多级入轨重复使用运载器和单级入轨重复使用运载器;根据起降方式,可分为垂直起飞水平着陆重复使用运载器、垂直起降重复使用运载器和水平起降重复使用运载器;根据所采用的动力形式,可分为火箭动力重复使用运载器和组合动力重复使用运载器等。

其中,火箭发动机技术已经相对成熟,是当前工程应用的首选推进方式。组合动力则是未来重要的发展方向,正在围绕组合循环发动机技术开展关键技术攻关和试验验证。火箭动力两级入轨重复使用航天运输系统的一级,是目前国内外重复使用技术关注的焦点。

国内外研究进展

对于火箭动力两级入轨重复使用航天运输系统的一级,国内外主要按一次性火箭构型和升力式构型两种技术途径开展研究工作。

一次性火箭构型的重复使用运载火箭基于一次性火箭构型的重复使用运载火箭在国外备受关注,并得到持续发展,主要包括垂直返回型和伞降回收型两类。垂直返回型的典型案例是美国SpaceX公司的猎鹰-9运载火箭。截至目前,猎鹰-9火箭已经完成了80余次陆地和海上垂直着陆回收,验证了垂直起降相关关键技术,在商业发射市场获得了应用。今年7月20日,美国亚马逊公司创始人贝索斯乘坐自家旗下蓝色起源公司的“新谢泼德”火箭和飞船进入“太空”,火箭完成垂直着陆,飞船完成伞降着陆。对于我国而言,传统运载火箭可以通过精确回收技术解决航区安全问题;未来新型运载火箭则可以采用垂直起降技术实现子级/助推级的回收和复用。

升力式构型的火箭动力重复使用运载器

升力式构型的火箭动力重复使用运载器又可分为亚轨道级和轨道级。美国航天飞机轨道器是典型的轨道级重复使用运载器。进入21世纪,美国提出了火箭动力、自主垂直起飞、水平着陆的亚轨道运输飞行器技术验证机XS-1计划,重点验证低成本、快速周转快速发射等相关技术。XS-1项目体现出了明显的继承性、兼容性和互补性,2020年项目的中止兼具形势任务的迫切性和技术的复杂性,并不影响美国带翼重复使用飞行器研制和低成本发射。

7月11日,英国维珍银河公司研制的“太空船二号”亚轨道飞行器,由母机“白骑士二号”带至高空投放,随即启动火箭发动机,飞升到距地面约86千米高空,再入返回后水平着陆。

我国亚轨道重复使用运载器飞行演示验证项目于7月16日在酒泉卫星发射中心准时点火起飞,平稳水平着陆在阿拉善右旗机场,首飞取得圆满成功。通过优先发展亚轨道重复使用运载器,可先期构建重复使用进出空间基础平台。

技术特点和难点

重复使用运载火箭主要涉及伞降回收系统设计、垂直返回高精度控制等技术难点;亚轨道重复使用运载器主要涉及气动力热、飞行控制、重复使用结构、重复使用评估等技术难点。

一次性火箭构型的重复使用运载火箭该类重复使用运载火箭对已有构型运载火箭总体设计带来的变化小。在伞降回收方面,子级返回段利用降落伞减速,最终实现回收,技术成熟度最高,运载能力损失小。在垂直回收方面,子级返回段利用主发动机重启反推减速,利用高精度控制手段实施精确着陆回收,具有一定技术难度;同时,为满足垂直返回发动机工作需求,需预留推进剂,对运载能力影响较大。

(1)伞降回收大型群伞和大型缓冲气囊技术。主伞系由多具主伞组成,每具伞名义面积超过上千平方米。群伞系统存在开伞不同步现象,导致开伞载荷分配存在很大不均匀性。陆上着陆可采用缓冲气囊进行着陆缓冲,每个缓冲气囊充满后体积可达几十立方米,决定着一子级着陆缓冲性能、回收系统的总质量和总体积,同时也存在气囊本身材料强度的问题。

(2)垂直返回高精度控制技术。垂直返回高精度控制技术确保火箭子级以稳定的姿态,按照预定的轨迹飞回预定降落场,涉及返回段任务规划、弹道、姿控以及导航制导多个专业,具有边界约束苛刻、落地精度要求高等特点。

(3)垂直返回发动机大范围推力调节技术。火箭子级在垂直返回过程中,由于其推进剂已基本耗尽,子级重量较低,需发动机具备大范围推力调节能力;相比于现有固定推力或小范围变推力发动机来说,调节元件多,关键组件工作范围广,调节控制规律复杂。升力式构型的火箭动力重复使用运载器对于升力式构型的火箭动力重复使用运载器,近期发展重点是两级入轨方案,即亚轨道重复使用运载器作为一级,与一次性运载火箭二级结合,形成快速、低成本进入空间能力。与单级入轨相比,两级入轨方式能够在一级工作结束后抛掉无用重量,运载效率明显提高。亚轨道重复使用运载器兼具航空器和航天器技术特点,以液氧烃类火箭发动机作为主动力,采用升力式构型,垂直起飞、水平着陆,能够通过自动进场着陆方式实现准确着陆和完全重复使用。与航天飞机轨道器或其他轨道级飞行器相比,亚轨道重复使用运载器再入返回速度大幅降低,再入返回时的热环境大幅改善,主发动机工作时间可大幅缩短,更有可能实现低成本目标,但也存在诸多技术难点。

(1)天地往返气动力热技术:运载器在大空域、宽速域飞行,航迹复杂,机身布局通常采用翼身融合体或翼身组合体,控制舵面布局需要考虑多种方式。对于此类运载器,提高飞行器升阻比的要求往往与降低热流密度的要求相互矛盾。同时,运载器还需要兼顾高速再入返回与低速进场着陆、稳定性/操纵性等难题,并且对于防热、控制等都提出了较高的要求。

(2)天地往返飞行控制技术:由于运载器采用升力式构型,其俯仰通道、滚转通道、偏航通道三者存在强耦合关系,飞行全程面临复杂力学环境、不确定性控制等多约束条件。在上升段,风干扰明显、起飞漂移量大。在返回段,运载器偏航和滚转耦合严重。因此,如何实现全程稳定控制是运载器面临的一大技术挑战。

(3)轻质高强结构技术:为进一步提高运载能力,降低结构系数是重复使用、提高效率需要解决的难题之一。因此,需要开展轻质高强度结构技术研究,以显著降低运载器结构系数。可以从优化贮箱结构和优化主承力结构两个方面实现,可采用复合材料。

(4)重复使用评估技术:为实现低成本、高可靠重复使用航天运输,研究机构需要构建适用于重复使用运载器的设计准则与标准、评价体系,具备在两次飞行期间准确判断运载器是否具备再次可靠完成飞行任务的能力。对于热防护材料以及轻质结构的重复使用,需要通过无损检测等手段对不同部位、不同结构的材料进行有效检测,评价下一次飞行的结构材料可靠性水平。对于发动机的重复使用,重点需要明确快速检测评估与维修维护方法。

未来发展展望

从发展形势上看,重复使用航天运输系统的发展将以火箭动力亚轨道重复使用运载器起步,遵循从部分重复使用到完全重复使用、从火箭动力到组合动力、从多级入轨到单级入轨的发展规律,分步验证,梯次形成能力。

笔者认为,亚轨道重复使用运载器技术验证试验的成功完成,打牢了技术基础,降低了后续升力式火箭动力重复使用飞行试验风险,减小大尺度重复使用运载器研制技术跨越,为重复使用航天运输系统发展奠定技术基础。首先,发展以亚轨道重复使用运载器为代表的重复使用技术,可大幅降低进入空间的成本。当前,航天运输正在由“解决如何进入空间”问题转向“解决如何低成本进入空间”问题。重复使用技术是解决这一问题的有效途径,具有将成本降低一个数量级的巨大潜力,有力提升我国航天发射的国际竞争力。

第二,发展重复使用技术,能从根本上解决航区安全问题,发展绿色航天。运载火箭的航落区安全已成为国际社会普遍关注的问题,当前我国内陆发射子级残骸散落面积达2100平方公里,区内人口接近30万,海南发射落区周边海域环境复杂。亚轨道重复使用运载器通过实现返回原发射场、水平着陆回收,能够有效消除航天发射中存在的安全隐患。

第三,发展重复使用技术,可实现快速和高频次进出空间。确保安全、可靠、快速、低成本进出空间,是大规模开发利用空间资源的前提。亚轨道重复使用运载器通过实现低成本、快速周转发射进出空间,有力支撑未来规模化发射、应急发射等高密度发射活动。

第四,发展重复使用技术,可引领科学技术创新,推进航天技术自主可控,带动航天产业变革与国民经济建设。实现航天运输由一次性向重复使用的重大跨越,将有力带动先进空天动力、耐高温轻质材料、先进制造与检测等基础学科进入世界先进水平,推动航天技术自主可控,实现我国航天运输技术由跟跑到领跑的转变,带动我国科技创新能力的整体提升。

第五,发展重复使用技术,将大幅推动空间产业革命性变化。亚轨道重复使用运载器未来可应用于亚轨道高速旅客运输、快速货物运输、太空观光旅游等,还能以此为基础建设舒适的航天港,实现太空度假,以及在失重、真空、无菌环境下进行产品加工、生物制药等,极大地改变人类的生产生活方式。

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