據新華社報導,中國在酒泉衛星發射中心成功發射的可重複使用太空飛行器,在軌飛行兩天後,於9月6日成功返回預定著陸場。
這次試驗的成功,標誌中國可重複使用太空飛行器技術研究取得重要突破,後續在利用太空時提供更加便捷、廉價的往返方式。


這是我國空天事業的一次新突破,國人為之歡欣,世界為之關注,外界做出了不少推測與分析。由於特別的機緣,我深知成功來自我國航空航天界多年的共同奮鬥,喜悅之情難以言表。藉此機會梳理一下認知,整理一些資料,形成一則學習筆記,與大家分享與討論。不當之處,敬請指正。
No.1 從「卡門線」說到「可重複使用」
新華社的報導裡,「可重複使用太空飛行器」是關鍵詞,其中的「可重複使用」也是此次試驗最重要價值所在。「可重複使用」有「部分可重複使用」和「完全可重複使用」兩類。分別指在完成上次飛行任務後,飛行器系統的部分或全部具備下一次使用或執飛的基本能力,而無需作重大修整。
神秘的卡門線
幾乎所有的飛機,都是完全可重複使用的飛行器。而對於太空飛行器而言,不管是部分可重複使用,還是完全可重複使用,難度都很大。為什麼是這樣,需要從飛行的自然環境和卡門線說起。
在地球表面生活的人類,周圍被空氣包裹。這些空氣,像一隻無形的手,藉助空氣動力產生的升力,將航空器和大飛機「託舉」起來,馭風而翔。

大氣層很厚,超過1000km。大氣呈非均勻分布,對流層(地表向上20km內)聚集了全部大氣質量的四分之三。越往高處,空氣密度越小,達到一定高度後,稀薄的大氣將難以產生支持飛行器飛行的足夠升力;飛行器只有靠提高速度,才可能獲得足夠升力來支撐自身重量。
在大氣密度連續變化的分布裡,100km成了一個奇妙的高度。這裡的空氣密度僅為海平面空氣密度的220萬分之一。經錢學森的老師、著名科學家馮•卡門計算,這個高度是軌道飛行器的最低高度,即達到第一宇宙速度7.9千米每秒的飛行器,可以持續軌道運行,而不會被地球引力吸向地面。

這個高度被稱為「卡門線」,成了航空與航天之間的科學分界線(因為在物理上漸變的高度域裡並沒有這樣一條線)。卡門線之下為「空」,是航空器的運行空間,但現在的航空器還達不到這個高度,多在20-30km以下飛行。卡門線之上為「天」,是太空飛行器的運行空間。多數時候人們說的「衝出大氣層」「再入大氣層」,都是相對於卡門線而言的。
地球軌道「空間站」、軌道試驗器的應用需要太空飛行器具備可重複使用的能力
衝出卡門線的太空飛行器,如需維持在地球軌道上穩定運行,所需要的那個最低速 度,就是軌道速度。軌道速度因軌道高度的不同而不同。以低地球軌道運行的空間站為例,其軌道速度約為28000km每小時。
就數量而言,絕大部分太空飛行器是永不返回的,如衛星和天體探測器(如哈勃望遠鏡、SP+太陽探測器、我國2020年7月發射的「天問1號」火星探測器等)等。這也是航空與航天的一個很大不同。但由於兩個重大應用場景,使可重複使用太空飛行器的需求凸顯。一是隨著地球軌道「空間站」的建立,天地往返運輸成為必需;二是軌道試驗器的重要性日增,此類飛行器需要具備返回的能力,也就產生了重複使用的要求。

圖片來自 全景CSP_icetray
為解決天地往返運輸問題,美國先後制定了太空梭和空天飛機計劃,有成功有失敗,部分實現了可重複使用的目標。但在太空梭退役後,因沒有天地運輸工具,而不得不依靠俄羅斯。直到馬斯克的獵鷹9和龍飛船出現,才解決了這一問題。俄羅斯雖然也研製了暴風雪號太空梭,並未真正使用,選取的解決之道是無人或載人飛船,如聯盟號,承擔與空間站對接和往返運輸的使命,相對穩健,但設備的重複使用程度不高。

獵鷹 9 火箭
不管取什麼方式,走什麼路線,此類太空飛行器都很複雜,也都很貴重,很「燒錢」。製造成本動輒數十億美元,就連美國這樣的經濟強國都難以承受。航天的打打停停除了競爭使然外,在很大程度是經濟的不堪重負。如果能夠重複使用,那怕部分重複使用,將會使這些裝備與系統的成本下降,項目的經濟可承受性得到改善,從而推動此類活動更多、更好的開展。
滿足可重複使用要求,就意味著在全部任務過程裡,飛行器不可出現任何影響功能完整性的毀損。其中,最大風險出現在返回時再入大氣層,飛行器以極高速度飛行,與大氣摩擦引起強烈氣動熱,產生極高熱量,機身表面會造成高溫,甚至超過1500攝氏度,如不採用防熱材料和特殊構造,飛行器表面和結構會遭致破壞,甚至熔化。
一方面,可重複使用很重要,另一方面,又很難。就這樣,在需求與可能之間,交織出空天事業未了奮鬥的新篇章,今天仍在繼續,未來也不會止休。中國作為一個不甘落伍的後來者,加入了這項事業,並在較短時間裡,取得了令國人自豪、世人矚目的成就,跨進航天大國之列,正向航天強國的目標大步進軍。
No.2 關於太空梭與空天飛機
在各方猜測與分析中,認為這次試驗成功的是一架太空梭或空天飛機的居多。故而,我們需要回溯,在人類的太空探索中,兩種特殊的「飛機」——「太空梭」和「空天飛機」的來由與進展情況。