中國掌握可重複使用太空飛行器航天技術,取得重要突破

2020-09-24 中國觀察家

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。

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    ,而是從最初的火箭成功發射到如今的強調可重複利用火箭的發射及研製、可重複使用宇宙飛船等的再次成功使用等等,從一次性的火箭及太空飛行器轉變為追求發展可重複使用的太空飛行器了,這是航天科技的一大進步。不過,火箭助推器的重複使用,也是目前航天技術中的一個熱門領域,助推器和整流罩的重複使用,可以大大節約火箭發射的成本,能夠帶來更高的經濟效益和實用價值,但相比起可重複使用的太空飛行器來說,技術性並沒有那麼高。
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    ,並且取得了重大的成功。它的獵鷹九號火箭已經成功完成了數十次的降落,在降低成本方面取得了跨越性的進展。但是,這個風頭可不能讓美國自己獨佔,我們也不能讓美國太孤單。就在9月4日,我們將一架可重複使用的太空飛行器送入軌道,進行在軌試驗。目前,我們就只知道它搭乘長徵2F火箭從酒泉發射,但有關太空飛行器的細節卻無法得知。有網友自豪地說:「太過先進,圖片無法展示。」
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