可重复使用航天器：追求低成本 未来值得期待

文/杨诗瑞

▲ 龙乐豪院士

▲ 长征五号火箭 宿东摄

今年4月24 日是我国第三个航天日，在哈尔滨召开的首届中国航天大会上，中国工程院院士、中国运载火箭技术研究院运载火箭系统总设计师龙乐豪详细介绍了可重复使用航天运输系统的发展情况，并对未来进行展望。

可重复使用航天运输系统是指能多次往返于地面、空间轨道及轨道与轨道间，完成快速运输、快速进出空间等多种任务，并按需返回地面的航天飞行器。由于可重复使用的特征，使得这项技术具有廉价、快速、机动、可靠等特点，近年来在国际航天领域备受关注。那么，我国在重复使用航天运输系统方面有何安排与规划呢？

多种路线同步推进

自上世纪50～60年代以来，人类一直在开展重复使用运载器的技术探索研究，经过几十年发展，航天飞机实现了工程应用。之后，美国又投入巨资开展国家空天飞机计划、冒险星计划、空间机动技术验证飞行器等研究，形成了多种典型方案，其部分方案已经得到验证和应用。

龙乐豪表示，重复使用航天运输系统总体来看可分为三种技术途径：一是传统运载火箭构型重复使用，一般包括运载火箭助推/子级回收和垂直起降运载火箭；二是火箭动力重复使用，如升力式构型运载器等；三是组合动力重复使用，如火箭基组合循环、涡轮基组合循环发动机、复合预冷等。目前，我国已经在上述三种重复使用技术的发展路线上同步推进并形成了梯次能力。

▲ 2016年6月25日，长征七号运载火箭在海南文昌航天发射场点火升空

在重复使用运载火箭构型方面，现役长征三号甲系列火箭、长征四号系列火箭采用的有毒推进剂，其箭体无法重复使用，但可通过伞降回收和栅格舵返回两种回收技术，实现落区精确控制，确保航区安全。

其中，伞降回收是在助推器/子级返回段利用降落伞减速，最终实现陆地、海上和空中回收的方式。栅格舵返回是随着高度不断下降，利用栅格舵将子级姿态调整为稳定状态飞行，并通过导航制导控制系统，导引子级向目标落区飞行并定点着陆的方式。

伞降回收技术是基于传统火箭构型，总体设计变化小，技术成熟度高，短期内可实现，但回收过程中存在对箭体的冲击。技术难点在于火箭子级在降落过程中速度很快，降落伞研制难度高。同时，大质量箭体降落伞的设计、仿真和试验技术要求高，如果遇大风天气，其箭体姿态稳定困难。

在芯级栅格舵回收方案中，可以在火箭的一、二级分离后，利用安装在一、二子级级间段上的栅格舵按预定指令展开。随着高度下降，动压不断增加，箭体姿态将进入自稳定阶段，此时，导航制导控制系统开始工作，导引一子级火箭向目标落区飞行及定点着陆。

这种回收技术是基于传统火箭构型，利用栅格舵保持箭体姿态稳定，对火箭箭体改变较小，技术难度较低。难点在于子级栅格舵气动特性复杂，子级栅格舵组合体返回段姿态具有多通道耦合特性，子级再入防解体的难度较大。

栅格舵系统作为高集成度的独立系统，成本低，适应性强，对箭体改动小，可用于火箭一子级残骸落区控制。

对于“长征五号”“长征六号”“长征七号”等新一代运载火箭，可以通过垂直起降技术实现子级/助推的回收、复用。垂直起降是在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陆地或海上平台精确着陆回收，但龙乐豪认为，该方案具有一定技术难度。

在升力式火箭动力重复使用运载器方面，龙乐豪表示，升力式火箭动力重复使用运载器以重复使用液氧甲烷发动机作为主动力，采用翼身组合体构型，可重复使用几十次，最大飞行高度超过100公里。

这种方式兼具航空器和航天器技术特点，采用升力式构型、火箭发动机能够通过自动进场着陆方式来实现精确着陆与完全重复使用，是当前重复使用运载器的主要发展方向。技术难点在于要具备满足大速域、大空域飞行要求的气动外形设计技术，满足垂直起飞水平着陆飞行要求的结构设计技术和轻质材料与热防护设计技术。

在组合动力重复使用运载器方面，根据设想，一级构型以组合循环发动机作为主动力，采用水平起降方式；二级构型可以是一次性运载火箭，也可以是升力式火箭动力重复使用运载器，其一子级与二子级分离点的高度约20～30公里、速度6～7倍声速，一子级分离后返回并水平降落，二子级运送有效载荷进入轨道。

这种方式采用升力式构型、新型组合动力发动机，具有起降灵活、高比冲和高效率、适应大空域飞行等特点。技术难点在于总体/气动/推进高度一体化设计技术，高性能组合动力发动机设计技术，以及轻质结构与热防护技术。

总之，我国重复使用运载器的战略发展思路可从部分重复使用到完全重复使用、从火箭动力到组合动力、从两级入轨到单级入轨，基于对国内外发展情况的分析，结合我国研究现状及技术基础，并在充分汲取国外经验教训的基础上做出最终解决方案。

▲ 猎鹰9火箭返回着陆

未来值得期待

龙乐豪表示，探索廉价、快速进出空间运输工具，支撑未来大规模利用空间，推动空间应用产业快速发展，牵引需求与需求牵引形成良性循环是我国重复使用运载器未来的发展方向。

“中国的‘天宫’和‘北斗’也将助力未来空间应用产业，成为重复使用运输系统的基地和基站。”龙乐豪继续说道。

另外，龙乐豪还展示了我国2017～2045年航天运输系统发展路线。2020年，以长征三号甲系列运载火箭为代表的现役火箭将实现助推器/子级落点控制。正在研制的长征八号新一代运载火箭将实现一子级整体垂直回收，并面向全球提供多样化商业发射服务。

2025年，我国可重复使用亚轨道运载器有望研制成功，亚轨道太空旅游将成为现实。

2030年，我国火箭动力两级重复使用运载器有望研制成功，具备完全重复使用能力。

2035年，我国运载火箭有望实现完全重复使用，更多的普通大众可以乘坐两级可重复使用运载器遨游太空。

2040年，我国运载火箭升级换代，组合动力两级重复使用运载器研制成功，运输工具将更加多样化、智能化、高可靠、低成本，进出空间更加便捷和高效。

2045年，我国组合动力单级入轨运载器研制成功，进出空间和空间运输的能力将更加强大。

尽管前景乐观，但重复使用运载器最大的难题是适用性、可靠性、可维护性及成本、热防护系统。这是因为从轨道及亚轨道无动力重返地面的航天运载器具有巨大的动能和势能，尽管这些能量大部分以激波和尾流等形式耗散于大气中，但航天器的总能量仍然很大。例如，航天器在滑翔过程中90%的时间处于高于5公里/秒的高速飞行状态，表面温度可以达到1700摄氏度，而超燃冲压发动机喉道温度可达到4500～5500摄氏度，这样的高温使其现有的金属很难承受。

针对以上问题，龙乐豪指出，要支撑重复使用运载器未来发展，还需要继续攻关包括气动特性优化、轻质耐高温防/隔热材料、结构轻质化、发动机性能优化和重复使用评估等5大关键技术。同时，还要以满足高超声速飞行、高升阻比与再入返回降低热流、再入返回非烧蚀和动静热密封等问题，并进一步提高运载能力，提高比冲、推质比等。

除此之外，重复使用运载器的研究将带动高超声速空气动力学、高精度制导控制、先进空天动力、耐高温轻质材料与结构制造、重复使用评估标准等学科和技术的发展。

龙乐豪表示，对重复使用运输系统开展的相关研究将进一步促进我国基础学科和工程技术水平的整体提升。

总之，航天运输系统是牵动航天产业发展和科技进步的龙头。重复使用运载器的发展会提升我国自主进入空间的能力，加快我国运载火箭更新换代的脚步，助力我国向世界航天强国迈进。