国外可重复使用载人飞船发展现状与关键技术研究

李志杰 果琳丽 张柏楠 戚发轫

（1中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

（2中国空间技术研究院，北京 100094）

国外可重复使用载人飞船发展现状与关键技术研究

李志杰1果琳丽1张柏楠1戚发轫2

（1中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

（2中国空间技术研究院，北京 100094）

载人航天未来的发展面临着能力和效益的挑战，发展可重复使用载人飞船技术是降低载人航天任务成本的重要手段之一。文章对可重复使用载人飞船概念进行了探讨，给出了系统级可重复使用和部件级可重复使用载人飞船的含义。研究了全生命任务周期中载人飞船成本与可重复使用次数的关系，结果表明：可重复使用载人飞船在经济性上较一次性使用载人飞船有明显优势，且可重复使用次数达到10次以上时，能够使成本趋近于最低。对国外可重复使用载人飞船发展现状和主要技术指标进行了分析，并对发展可重复使用载人飞船所须攻关的关键技术进行了梳理。以上研究内容可为我国发展可重复使用载人飞船技术提供参考。

载人航天；可重复使用载人飞船；发展现状；关键技术

1 引言

从加加林完成第一次载人航天飞行以来，经过50多年的发展，载人航天技术已经取得了辉煌的成就［1］。但是由于技术瓶颈和高经济投入的限制，载人航天未来的发展面临着能力和效益的挑战，降低发射和运营成本是关系到载人航天健康可持续发展的重要问题，而发展可重复使用载人飞船是解决这个问题的主要手段之一，目前已得到主要航天国家的重视和应用［2－4］。

在可重复使用载人飞船的研究论证方面，以美国和俄罗斯为代表的航天大国均取得了一定的进展［5－6］。在航天飞机退役之后，美国始终没有放弃对可重复使用载人航天器的研究。2005年，美国提出“星座”计划，目标是重返月球，并为未来的载人月球基地和载人火星探测任务做准备。作为该计划的一部分，美国航空航天局（NASA）研发了“猎户座”（Orion）新型可重复使用载人飞船，并于2014年12月进行了第一次飞行试验；同时，美国商业公司也在积极发展可重复使用载人飞船，主要包括太空探索公司（Space X）的“天龙座”（Dragon）飞船和波音公司的乘员航天运输－100（CST－100）飞船［4］。俄罗斯正在执行“新型载人航天运输系统”（PPTS）计划，研制新一代可重复使用载人飞船，用于执行近地轨道和月球任务［4］。

本文探讨了可重复使用载人飞船概念，对可重复使用载人飞船应用于空间站任务的经济性进行了分析，并对国外可重复使用载人飞船发展现状进行了研究，最后梳理了发展可重复使用载人飞船所需要攻关的关键技术，以为我国可重复使用载人飞船的发展提供参考。

2 可重复使用载人飞船概念

通常来说，可重复使用载人飞船应当是指可以重复使用的、能够迅速穿越大气层，自由地往返于地球表面与太空之间，运送乘员和有效载荷，也可以较长时间在轨停留和在轨机动，完成各种任务的载人航天器［7］。按可重复使用的程度进行划分，可重复使用载人飞船可分为下面两类［8］。

1）系统级可重复使用载人飞船

系统级可重复使用是指飞船的某一个或几个系统或舱段在执行完任务，返回再入、着陆回收后，经过检测和简易修复处理后可以完整地用于下一次任务。为降低单次任务成本，国外新研制的载人飞船普遍采用系统级可重复使用设计。如Space X公司研制的“天龙座”载人飞船，由增压返回舱和非增压货物舱组成，如图1所示［4］。飞船再入返回前，返回舱与货物舱分离，返回舱通过反推发动机减速并实现无损着陆回收，经检修后可执行新的任务，从而实现重复使用。

图1 “天龙座”可重复使用载人飞船舱段示意Fig．1 Sketch map of Dragon reusable manned spacecraft modules

2）部件级可重复使用载人飞船

部件级可重复使用是指飞船上的部件或功能单元在执行完任务，返回再入、着陆回收后，经可重复使用性评估，评估通过的部件可直接或通过简易修复后在新的飞船上再次使用，在寿命期内继续承担原有功能。比如飞船发动机部件，可在每次返回地面进行检测维修后评估是否具备可重复使用性。针对飞船的数管、测控、控制、仪表显示等电气系统，如果能够实现即插即用的技术，使飞船回收回来的电气系统通过地面检测后进行简单的维护和更换即可实现部件级可重复使用的能力［8］。

3 可重复使用载人飞船经济性分析

以近地轨道空间站任务为例，随着未来载人航天活动规模的增大，须要频繁地进行人员和物资的近地轨道往返运输。一次性使用的载人飞船无论从研制、发射和任务周期还是费用方面都无法满足大规模载人航天活动的需求［6］。如图2所示，通过载人飞船的可重复使用，一次任务完成后，通过简单的测试和维护，就可以快速投入下一次任务，如此不仅可以大幅缩短任务的准备时间，提高航天发射频次，还可能降低单次任务的成本，从而适应近地轨道空间站大规模载人航天任务的需求。

从图3中可以看出，飞船的可重复使用能够很好地降低空间站任务周期内飞船的成本，且重复使用次数越多，成本越低。当飞船的可重复使用次数达10次以上时，能够使成本趋近于最低，这解释了国外可重复使用载人飞船的重复使用次数指标均取10次的原因［3，11］。

4 国外可重复使用载人飞船发展现状

参考“国际空间站”的运营及补给任务规划［9］，初步考虑在近地轨道空间站的运营及维护阶段，载人飞船每6个月发射一次，假设空间站的寿命周期为15年，那么载人飞船共须要发射30次。参考美国Space X公司“天龙座”飞船的研制成本和产品成本［5，10］，假设新研制一种可以重复使用的载人飞船用于在空间站寿命周期内执行任务，飞船的研制成本和产品成本分别取80亿元和8亿元，同时假设飞船每次回收后的重复使用成本为3亿元。根据可重复使用飞船在空间站任务周期内的成本计算模型：全任务周期飞船成本＝飞船研制成本＋飞船产品成本×飞船制造数量＋重复使用成本×（飞船总发射次数－飞船制造数量）［5］，计算空间站全寿命周期内载人飞船成本与可重复使用次数的关系如图3所示。其中，飞船制造数量＝飞船总发射次数/飞船可重复使用次数；飞船为一次性使用时，可重复使用次数为1。

当前国外载人飞船进入了更新换代的时期，新一代载人飞船在总体设计理念上发生了重大转变，任务目标以“国际空间站”和载人登月等任务为核心，覆盖近地轨道和载人深空往返运输任务的需求，并采用可重复使用设计理念，在扩大任务覆盖范围的同时降低航天运输成本［11］。

4．1 “天龙座”飞船

“天龙座”可重复使用飞船于2005年由美国Space X公司为NASA商业轨道运输服务项目开始研制，分为货运和载人两种型号［12］，为了能快速地在货运与载人能力之间转变，除乘员运输时必要的逃逸救生系统和生命保障系统之外，两种飞船的构型几乎相同，如图1所示。“天龙座”载人飞船主要包括：加压返回舱，体积为10m3，用于搭载乘员和/或加压货物；非增压货物舱，体积为14m3，装有电子设备、反作用控制系统、降落伞和其它支持设备［13］。由于“天龙座”载人飞船拟采用返回舱整体逃逸的逃逸方式，逃逸发动机在发射过程中不抛弃，可以提供载人飞船在整个飞行中应急救生的能力。未来还可以利用逃逸发动机实现再入返回时的精确定点无损着陆，这样也有利于实现返回舱的可重复使用［13］。

4．2 CST－100飞船

2009年，NASA提出商业乘员发展计划，美国波音公司开始研制CST－100飞船，主要任务是为“国际空间站”或将来可能的商业空间站运送乘员［4］。如图4所示，CST－100飞船由乘员舱和服务舱组成，总质量13t，最大乘组人数为7人［4］。CST－100飞船设计的出发点不是要运用或者发明新的技术和设备，而是采用已经成熟的技术和硬件确保其安全性和可靠性并降低成本。CST－100飞船乘员舱在着陆回收的设计中采用缓冲气囊，6个安全气囊在乘员舱着陆前的2min由氮氧混合气体填充，用于减轻着陆时的冲击，以实现乘员舱主体的无损着陆，为其可重复使用奠定基础［11］。

图4 CST－100可重复使用载人飞船Fig．4 CST－100reusable manned spacecraft

4．3 “猎户座”飞船

2011年2月，NASA宣布开发多用途乘员飞行器（“猎户座”飞船），用于运送乘员到达“国际空间站”以及地球轨道以远的太空区域，兼具月球探测能力［14］。如图5所示，猎户座飞船由返回舱和服务舱组成，总重21．2t，乘员人数2～4人，载荷容积8．95m3，采用传统逃逸塔方式进行发射逃逸［14］。飞船采用一对安装在服务舱上的伞形展开式圆形太阳翼供电，在轨运行时展开。在“猎户座”飞船的可重复使用设计中，允许返回舱可以执行10次飞行任务。

4．4 PPTS飞船

2006年，俄罗斯联邦航天局提出了先进乘员运输系统计划，即在联盟号飞船的基础上进行改进，研制新型飞船。随后，俄罗斯于2010年完成了新型载人飞船运输系统（PPTS）的初步设计工作，目标是向“国际空间站”运送人员及货物，也可以执行载人月球探测和载人火星探测任务。如图6所示，PPTS飞船由返回舱和服务舱两部分组成，总质量12．7t（近地轨道任务）～16．5t（月球任务），乘员人数4～6人，载荷容积10m3，设计返回舱能在15年的寿命期内重复使用10次，以降低天地往返的运输成本［11］。PPTS飞船使用固体火箭减速装置进行着陆，着陆系统包含可伸缩的着陆腿和一个可重复使用的热防护系统，从而保证飞船返回舱的安全返回并实现重复使用［11］。

图6 PPTS可重复使用载人飞船Fig．6 PPTS reusable manned spacecraft

4．5 主要技术指标

从国外新一代载人飞船的发展中可以看出，为了提升任务适应能力，兼顾近地轨道与深空探测任务，载人飞船的设计不同程度地均采用了可重复使用技术。积极研发安全、廉价、成熟的可重复使用载人飞船是新一轮载人航天器发展的主要趋势。国外可重复使用载人飞船的主要技术指标如表1所示，可以看出，新一代载人飞船均通过多种技术途径实现可重复使用，包括使用先进的防热系统或先进的回收着陆方式等，使得飞船能够达到可重复使用10次的目标。

表1 国外可重复使用载人飞船主要技术指标Table 1 Technical specifications of foreign reusable manned spacecraft

5 可重复使用载人飞船关键技术分析

在发展可重复使用载人飞船的初期，应当充分重视其发展规律，借鉴我国已有神舟飞船的成熟技术和美国、俄罗斯等国可重复使用载人飞船的研制经验，同时考虑支持后续任务的功能升级与更新。对于我国可重复使用载人飞船的发展，已有技术已无法满足全部要求，从国外可重复使用载人飞船的发展和研制历程中可以看出［3，8，11］，决定载人飞船可重复使用性能的关键技术包括总体设计与验证技术、动力技术、结构及材料和无损着陆回收技术等，应当对其进行重点攻关。此外，为缩短可重复使用载人飞船的发射周期和节约地面成本，电气系统的快速智能测试技术也应当是研究的重点。

5．1 总体设计与验证技术

可重复使用载人飞船的总体设计技术决定了飞船的先进性、研制难度和研发成本［3］。过高的指标要求和复杂的方案设计会增加研发成本及技术难度，造成方案更改较大，继承性差，从而带来更多技术风险。因此，须要建立可重复使用载人飞船的综合技术体系，从技术风险、可靠性、安全性、效益等方面对可重复使用载人飞船总体方案进行优化和论证。通过对敏感因素产品进行环境适应性设计，典型设备（结构、电气、动力等）的技术指标进行试验验证，提出整船的可重复使用次数等技术指标。主要研究内容包括：

（1）任务分析及任务规划技术。根据用户使用需求完成任务目标分析，并对影响可重复使用载人飞船任务规划的约束因素进行分析、识别。

（2）气动外形及总体布局设计技术。研究确定载人飞船的气动性能指标，包括升阻比、阻力系数、最大需用容积等。通过对设备统一的安装工艺、接口设计、地面维护的人机功效设计等方案的研究对舱内设备布局进行设计。

（3）健康监测及故障诊断技术。设计综合健康管理系统，以便在轨期间利用传感器测量了解载人飞船各个分系统的健康状态，并增加故障检测、故障诊断和故障控制等措施。

（4）可重复使用试验技术。对敏感因素产品进行环境试验验证，确保其满足全生命周期内环境适应性要求。

5．2 可重复使用动力技术

可重复使用载人飞船的发动机应当在满足性能指标要求的同时，按照发动机的使用寿命、性能、可维护能力和返场准备时间等要求来进行设计，还要采用健康监控技术对发动机进行在线或者离线的故障诊断。多年来，美国通过开展航天飞机的研制工作积累了大量的研制经验，也总结了许多可重复使用发动机关键技术方面的经验和教训，研制可重复使用发动机还应当重点突破减损与延寿控制等关键技术［15－16］，主要研究内容包括：

（1）减损与延寿控制技术。通过减少发动机系统中关键部件上的损伤来延长系统的工作寿命。

（2）长寿命高效热防护推力室技术。重点对发动机推力室的冷却结构和材料及传热试验等方面开展研究。

（3）高压长寿命大范围流量调节器技术。开展多方案仿真分析、静态与动态试验验证，突破低温高压大范围流量无级调节阀技术。

5．3 高强度轻质主结构技术

载人飞船的返回舱是组成载人飞船的各舱段中承受最恶劣力学、热学环境的舱段。为提高返回舱的可重复使用次数，须重点提高返回舱结构抗冲击能力。目前返回舱主结构形式包括传统的蒙皮加筋式结构和整体壁板式结构［17］。蒙皮加筋结构由薄壁和加强筋组合而成，整体壁板式结构也具有薄壁和加强筋，不同的是其薄壁和加强筋由整块材料铣削成形。整体壁板式结构承载效率高，抗压能力强，同时大幅度提高了结构整体性、密封性和可靠性，进而提高了载人飞船可重复使用水平，是国外可重复使用载人飞船返回舱的首选结构形式。

5．4 轻质低烧蚀热防护材料技术

非烧蚀防热材料主要包括防热陶瓷瓦和合金瓦等，由于其防热能力不足，主要在过载较小的升力体式返回舱上才进行使用［18］。另一方面，非烧蚀防热材料的密度过大，使得热防护系统质量过重，且基本不具备可重复使用能力；轻质低密度防热材料，不仅用以防护飞船返回舱结构在气动加热环境中免遭烧毁破坏，并保持结构所需的气动外形，也是进行载人飞船轻量化设计的有效途径之一。因此在可重复使用载人飞船的防热材料选择上应以轻质低烧蚀材料为主，比如酚醛浸渍碳纤维烧蚀（PICA）防热材料，重点研究低烧蚀轻质新型防热材料的耐热性以及材料本身的可重复使用能力。

5．5 无损着陆回收技术

着陆回收系统对载人飞船的可重复使用性能有着至关重要的影响。载人飞船返回舱在执行地球返回任务时，着陆回收系统中的减速方式包括传统的降落伞减速（单伞、群伞）和大推力火箭发动机反推减速，着陆缓冲方式包括缓冲气囊和着陆腿等［19］。美国的“天龙座”和俄罗斯的PPTS可重复使用载人飞船目前均考虑使用大推力火箭发动机反推着陆的回收方式［20］。为实现载人飞船返回舱的可重复使用，无损着陆回收技术的主要研究内容包括：

（1）反推发动机减速技术。将固体发动机运用于回收减速，须重点考虑多台发动机点火同步、推力一致性、推力矢量控制、环境适应性等问题。

（2）气囊缓冲技术。缓冲气囊着陆时，与地面有相当大的反作用力和接触面积，防反弹和防倾倒技术是缓冲气囊设计过程中应重点考虑的问题。

（3）着陆腿缓冲技术。缓冲着陆腿具有承载质量大、结构简单、可靠性高的特点，特别适用于载人飞船软着陆的缓冲系统。重点研究可重复使用缓冲器和抗疲劳及耐久性设计技术。

5．6 快速智能测试技术

快速智能测试技术决定了载人飞船的重复使用周期和测试质量，是载人飞船实现可重复使用性能的关键。可重复使用载人飞船相对于已有的一次性使用载人飞船，其最大的优势在于重复使用过程中所节省的投入［21］，因此能否在目前载人飞船测试时间、人员成本大力投入的前提下实现测试快速化与智能化的突破，直接决定了可重复使用载人飞船的设计效率和成本。快速智能测试技术的突破，主要开展虚拟样机测试评估与自动化测试。其中虚拟样机测试评估主要针对飞船研制测试的应用，支持产品从需求分析、详细设计、加工制造各环节的测试评估；自动化测试则针对研制测试、重复检查测试的应用，实现全过程测试的自动化。另外，快速发射与智能测试技术还应包括电气设备的即插即用技术，从而实现可重复使用载人飞船的快速响应和发射。

6 结束语

通过国外载人飞船发展现状可以看出，新型载人飞船在拓展任务适应范围的同时均采用了可重复使用的设计理念，而发展可重复使用载人飞船能够有效降低载人航天任务成本，提高工程效益，是未来人类对空间深度开发和利用的必然发展趋势。一项对载人飞船的成本与可重复使用次数关系的分析结果表明，载人飞船可重复使用次数达到10次以上时，可显著降低成本。

发展可重复使用载人飞船还应当重点突破一批关键技术，其中，总体设计与验证技术以及动力技术的研究对可重复使用载人飞船总体方案及后续其它技术方案的确定有着很大的影响，应尽早开展关键技术攻关。快速智能测试技术、结构与材料技术及无损着陆回收技术也应当制定合理的研究计划，以进一步针对可重复使用载人飞船开展深入研究。

根据我国载人航天战略发展规划，我国将要建成近地轨道载人空间站，并持续开展载人深空探测任务。随着我国越来越频繁的载人航天活动，其规模也越来越大，应结合我国国情，尽快发展可重复使用载人飞船技术，降低载人天地往返运输任务的成本，提高我国载人航天工程效益。

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