中國成功試驗(yàn)“亞軌道重復(fù)使用演示驗(yàn)證項(xiàng)目運(yùn)載器”成為國家級(jí)“凡爾賽”現(xiàn)場：國防科工局新聞宣傳中心官方抖音賬號(hào)“中國軍工”17日在回應(yīng)“這條消息為何只有文字沒有照片”時(shí)“公然炫耀”：“過于先進(jìn)，不便展示”。
實(shí)在是太太太……太給力了。
不過這個(gè)運(yùn)載器到底先進(jìn)在哪里?大家都知道，這類消息從來都是“字?jǐn)?shù)越少事情越大”。
官方新聞稿里提到，“發(fā)展重復(fù)使用天地往返航天運(yùn)輸技術(shù)是我國由航天大國邁向航天強(qiáng)國的重要標(biāo)志。”
什么是重復(fù)使用天地往返航天運(yùn)輸技術(shù)?通俗地說，它就是將傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭與飛機(jī)功能“合二為一”，讓飛行器可以多次往返于太空與地面之間、執(zhí)行航天運(yùn)輸和空間試驗(yàn)等任務(wù)的技術(shù)，大眾熟悉的美國航天飛機(jī)就是該技術(shù)的早期應(yīng)用成果。
那么為什么說這種技術(shù)如此重要?現(xiàn)在各國航天發(fā)射和太空探索任務(wù)越來越頻繁，航天運(yùn)輸系統(tǒng)瞄準(zhǔn)了“快速、機(jī)動(dòng)、可靠、廉價(jià)”等發(fā)展方向。可以想象，如果未來前往太空，就像搭乘民航客機(jī)一樣安全便捷，這將帶來何等巨大的影響。而重復(fù)使用天地往返飛行器就是滿足這些需求的主要技術(shù)途徑之一。
順路提一句，雖然美國的航天飛機(jī)勉強(qiáng)也可以算是重復(fù)使用天地往返航天器，但它在經(jīng)濟(jì)性、安全性和可重復(fù)使用等重要指標(biāo)方面并不合格，這也是航天飛機(jī)被淘汰的主要原因。
總的來說，研制重復(fù)使用天地往返飛行器的難度極高。因?yàn)樵诖髿鈱觾?nèi)與太空中，飛行器所需的設(shè)計(jì)原理完全不同，而重復(fù)使用天地往返飛行器要實(shí)現(xiàn)跨界融合，同時(shí)具備在大氣層內(nèi)和太空這兩個(gè)不同空域的飛行能力，就需要在動(dòng)力和氣動(dòng)外形等方面大下功夫。
這種新概念飛行器目前包括多條技術(shù)路線，其中火箭動(dòng)力重復(fù)使用天地往返飛行器最為成熟，典型代表就是美國航天飛機(jī)和神秘的X-37B飛行器。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)成熟度高，是當(dāng)前航天運(yùn)輸系統(tǒng)的首選動(dòng)力系統(tǒng)。借助火箭垂直起飛，不但可以快速逃離大氣層的束縛、減少上升階段的燃料消耗，而且還可以充分利用現(xiàn)有的火箭發(fā)射系統(tǒng)。美國航天飛機(jī)和X-37B都是搭載大推力火箭垂直起飛進(jìn)入太空，完成任務(wù)后再入大氣層，水平降落在預(yù)定跑道。
X-37B采用垂直發(fā)射、水平降落
從“亞軌道重復(fù)使用運(yùn)載器可作為升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的子級(jí)”這句話可以看出，中國的亞軌道重復(fù)使用運(yùn)載器也是選擇了“火箭動(dòng)力”這條相對(duì)成熟的技術(shù)路線，它同樣采用水平著陸方式。
但中國航天顯然不是簡單抄襲美國的航天飛機(jī)或X-37B。“中國軍工”提到，這次是原創(chuàng)性、引領(lǐng)性科技攻關(guān)任務(wù)，“首次飛行旨在驗(yàn)證升力式地面自主垂直起飛、再入返回、水平著陸等關(guān)鍵技術(shù)”。
敲黑板畫重點(diǎn)啊——“原創(chuàng)性”“自主垂直起飛”。美國航天飛機(jī)和X-37B都需要依托外部火箭提供升力，因此算不上自主起飛，而且這些火箭無法重復(fù)利用，因此它們只能算是“部分可重復(fù)使用”。如果中國這次發(fā)射的航天器能依靠自身動(dòng)力起飛，意味著它就是真正意義上的“完全可重復(fù)使用”，未來將極大降低發(fā)射成本。
不過火箭動(dòng)力重復(fù)使用天地往返飛行器也有自身缺點(diǎn)，就是靈活性不夠，畢竟它需要專門的航天發(fā)射場，而且隨著技術(shù)發(fā)展，純火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖已經(jīng)接近理論極限，難以有更大突破。為此各國航天科學(xué)家又提出外形更科幻的組合動(dòng)力重復(fù)使用天地往返飛行器，它有一個(gè)外界更熟悉的名字：“空天飛機(jī)”。據(jù)介紹，各國現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)分為渦輪、渦扇、沖壓、火箭等多種，每種都有各自適合的工作范圍和優(yōu)勢，單靠一種發(fā)動(dòng)機(jī)，難以實(shí)現(xiàn)寬速域大空域空天往返運(yùn)輸。而使用組合動(dòng)力的空天飛機(jī)，可以通過在大氣層內(nèi)外使用不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，最大程度地發(fā)揮推進(jìn)系統(tǒng)的性能。
通俗地說，空天飛機(jī)可以像普通飛機(jī)那樣從機(jī)場跑道上起飛，在大氣層內(nèi)高超音速飛行，再進(jìn)入太空成為航天器，最后再重返大氣層，像飛機(jī)那樣在飛機(jī)場跑道上降落。
然而說起來簡單做著難。美國早在20世紀(jì)80年代就推出“國家空天飛機(jī)計(jì)劃”，它采用組合式超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，可以直接從機(jī)場起飛后進(jìn)入太空，并雄心勃勃地“要在2000年實(shí)現(xiàn)X-30試驗(yàn)機(jī)型的首飛”。同期，聯(lián)邦德國提出的“桑格爾”空天飛機(jī)技術(shù)難度相對(duì)較小，它是載機(jī)與航天飛機(jī)的組合，載機(jī)從機(jī)場起飛后，在高空釋放航天飛機(jī)，完成各自任務(wù)后，兩者都可以水平著陸。法國和日本也提出過自己的空天飛機(jī)設(shè)想。但它們最終都因技術(shù)難度太大而中途下馬。
進(jìn)入21世紀(jì)后，英國又推出“云霄塔”空天飛機(jī)項(xiàng)目，“預(yù)計(jì)十年內(nèi)首飛”，但直到現(xiàn)在，它仍處于PPT狀態(tài)……歸其原因，空天飛機(jī)要實(shí)現(xiàn)組合動(dòng)力的工程應(yīng)用，仍有大量的關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。
如今，向來說話算數(shù)的中國航天來了。
沒錯(cuò)，就是那個(gè)“說什么時(shí)候登月就什么時(shí)候登月”“說什么時(shí)候探火星就什么時(shí)候探火星”的中國航天。
這次中國航天科技集團(tuán)的亞軌道重復(fù)使用運(yùn)載器首飛任務(wù)取得圓滿成功，“為我國重復(fù)使用天地往返航天運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)”。
中國航天領(lǐng)域的另一個(gè)巨頭——航天科工集團(tuán)此前也在空天飛機(jī)領(lǐng)域有長遠(yuǎn)布局并穩(wěn)步推進(jìn)。
2017年，中國航天科工集團(tuán)公司副總經(jīng)理劉石泉第二屆商業(yè)航天高峰論壇上首次披露，代號(hào)“騰云工程”的中國空天飛機(jī)項(xiàng)目擬在2030年完成技術(shù)驗(yàn)證試飛。這種空天飛機(jī)可從地面機(jī)場水平起飛，在大氣層中加速爬升;到達(dá)30至40公里高度時(shí)一二級(jí)分離，一級(jí)水平著陸返回;二級(jí)繼續(xù)爬升進(jìn)入近地軌道，完成運(yùn)輸任務(wù)后再入大氣返回，具有廉價(jià)、安全、便捷、機(jī)動(dòng)等優(yōu)勢。
中國航天科工三院科技發(fā)展部部長助理戴江勇介紹說，“騰云工程”涵蓋多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)、氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、組合動(dòng)力系統(tǒng)等。其中組合動(dòng)力系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)：在飛行器起飛時(shí)，使用低速性能最高的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī);達(dá)到一定速度后，改用適應(yīng)在大氣層內(nèi)高速飛行的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī);到達(dá)臨近空間，再用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入太空。“計(jì)劃在2025年完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，2030年完成兩級(jí)入軌空天飛行器技術(shù)驗(yàn)證試飛。”
2021年4月，中國航天科工三院31所透露，由該所研制的組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)——“云龍”發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷裝置已經(jīng)完成了目前國內(nèi)最大尺度、最大空氣流量的溫降試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果超出預(yù)期。“云龍”發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)為空天往返飛行器提供動(dòng)力，去年已完成了該型發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)的整機(jī)試制，并通過了第一階段的系統(tǒng)級(jí)地面試驗(yàn)驗(yàn)證。
中國的空天飛機(jī)，還會(huì)遠(yuǎn)嗎?
