于霞 孫伶俐 單文杰(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心)
可重復(fù)使用運(yùn)載器是指能夠穿越大氣層進(jìn)入太空,自由地往返于地球與太空之間,具有重復(fù)使用性,并能夠按照需要較長時間地在空間軌道停留或機(jī)動,執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射、在軌服務(wù)等各種類型的任務(wù),既可軍用也可民用的多用途航天器。它代表著未來運(yùn)載器的發(fā)展方向,拓展了航天運(yùn)輸系統(tǒng)的概念內(nèi)涵,其在大幅降低進(jìn)入空間成本的同時,還具有安全性、可靠性和響應(yīng)性等方面的優(yōu)勢。人類發(fā)展航天運(yùn)輸系統(tǒng)的夢想目標(biāo)之一,就是研制出能像飛機(jī)那樣水平起飛和降落,并可多次重復(fù)使用的航天運(yùn)載器。為此,世界各國均不同程度地投入經(jīng)費(fèi),開展了可重復(fù)使用運(yùn)載器研究。
美國在可重復(fù)使用運(yùn)載器方面的研究開展時間最早,且具有良好的持續(xù)性,投入的經(jīng)費(fèi)最多,取得了豐碩的研究成果,代表了世界可重復(fù)使用運(yùn)載器的先進(jìn)水平。
20世紀(jì)60年代,由美國航空航天局(NASA)牽頭,聯(lián)合美國空軍、海軍和北美航空公司共同開展了X-15高超聲速研究項(xiàng)目,波音公司為美國空軍研制了X-20載人航天轟炸機(jī),兩項(xiàng)計劃的實(shí)施為美國航天飛機(jī)的發(fā)展提供了珍貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研制經(jīng)驗(yàn),尤其是X-20還成為后來航天飛機(jī)的“先行者”。
1969年,鑒于當(dāng)時一次性運(yùn)載火箭費(fèi)用昂貴、飛船運(yùn)載能力低而不能滿足空間站建設(shè)的需求,美國提出建造一種可重復(fù)使用航天運(yùn)載器的計劃。1972年,美國正式把研制航天飛機(jī)“空間運(yùn)輸系統(tǒng)”(STS)列入計劃,確定了航天飛機(jī)設(shè)計方案,并于5年之后研制出創(chuàng)業(yè)號航天飛機(jī)軌道器進(jìn)行機(jī)載試驗(yàn)。1981年4月12日,第一架載人航天飛機(jī)哥倫比亞號正式登上太空舞臺,成為航天技術(shù)發(fā)展史上的重要里程碑。2011年7月,阿特蘭蒂斯號航天飛機(jī)進(jìn)行了最后一次發(fā)射,執(zhí)行美國航天飛機(jī)項(xiàng)目第135次也是最后一次飛行,至此,美國為期30年的航天飛機(jī)計劃終結(jié)。航天飛機(jī)是第一個實(shí)現(xiàn)部分可重復(fù)使用的航天器,不僅驗(yàn)證了發(fā)展可重復(fù)使用技術(shù)的可行性,也為重復(fù)使用技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。航天飛機(jī)軌道器采用的大機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計,確保了其軌道器準(zhǔn)確降落在跑道上,其主發(fā)動機(jī)能夠在65%~109%推力之間進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié),而且可重復(fù)使用50次,這種發(fā)動機(jī)技術(shù)在今天仍處于世界領(lǐng)先水平。
20世紀(jì)八九十年代,美國還提出了多個可重復(fù)使用運(yùn)載器計劃:X-30超高速國家空天飛機(jī)計劃中的單級入軌飛行器飛行速度為Ma=12~25;“三角快帆”(Delta Clipp er)計劃旨在研制一種垂直起落、單級入軌、完全可重復(fù)使用的運(yùn)載器系統(tǒng),麥道航宇公司為其研制的“三角快帆試驗(yàn)機(jī)”(DC-X),驗(yàn)證了該火箭的發(fā)射、機(jī)動、懸停和著陸能力;洛馬公司研制的無人單級入軌可重復(fù)使用航天運(yùn)載器“冒險星”(Venture star)的1∶2縮比原型機(jī)X-33,采用垂直發(fā)射方式,能在飛行跑道上著陸,動力系統(tǒng)采用波音公司特別開發(fā)的J2S火箭發(fā)動機(jī);X-34是一種無人可重復(fù)使用的亞軌道航天運(yùn)載器,其主要任務(wù)是驗(yàn)證大幅度降低航天運(yùn)輸成本的技術(shù)可行性,為此制造了3個空射試驗(yàn)平臺,進(jìn)行了3次系留飛行試驗(yàn)。然而,上述計劃都因存在著諸多技術(shù)難題以及資金耗費(fèi)巨大而被叫停。
美國空軍在20世紀(jì)90年代末開始實(shí)施“軍用空間飛機(jī)” (MSP)計劃。它是一種可重復(fù)使用的運(yùn)載系統(tǒng),支持美國空軍航天司令部的各種空間作戰(zhàn)任務(wù)。該系統(tǒng)由“空間行動飛行器”(SOV)、“空間機(jī)動飛行器”(SMV)、“模塊化嵌入級”(MIS)、“通用空中飛行器”(CAV)等組成,其中SMV是一種可重復(fù)使用小型無人軌道機(jī)動飛行器,具備長期在軌駐留與變軌機(jī)動能力,可執(zhí)行多種任務(wù),包括戰(zhàn)術(shù)偵察、監(jiān)視、空間目標(biāo)識別、軌道轉(zhuǎn)移和空間作戰(zhàn)。
X-33(左)、Venture star(中)、航天飛機(jī)(右)比較
X-34可重復(fù)使用運(yùn)載器
可部分重復(fù)使用的暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)
2001年秋,美國開始實(shí)施“國家航空航天倡議”(NAI)計劃,擬有效地綜合航空與航天技術(shù),以提供先進(jìn)的快速打擊、空間發(fā)射、持續(xù)的情報、監(jiān)視與偵察能力。為此,研制了X-37B軌道試驗(yàn)飛行器。X-37B還在NAI計劃中承擔(dān)進(jìn)出空間的任務(wù)。X-37B大小約為美國航天飛機(jī)的1/4,采用與航天飛機(jī)軌道器相似的帶翼體設(shè)計方案,但具有一對傾斜尾翼;采用新型防熱材料;尾部裝有火箭發(fā)動機(jī),采用一甲基肼和四氧化二氮作為推進(jìn)劑。截止到2012年11月,X-37B軌道試驗(yàn)飛行器已進(jìn)行過2次飛行試驗(yàn),均獲得成功,突破了傳統(tǒng)技術(shù)的許多“禁區(qū)”。
2001年,美國國防部還提出了“作戰(zhàn)快速響應(yīng)太空”(ORS)概念并逐步推進(jìn),旨在提高現(xiàn)有航天能力的戰(zhàn)時快速響應(yīng),并研制出配套的經(jīng)濟(jì)上可承受的運(yùn)載器和小衛(wèi)星,以及相關(guān)的地面指揮與控制系統(tǒng),目標(biāo)是在幾小時或幾天內(nèi)完成衛(wèi)星或武器系統(tǒng)的發(fā)射。為實(shí)現(xiàn)ORS能力,美國在2002年初實(shí)施了“快速反應(yīng)、小載荷、經(jīng)濟(jì)上可承擔(dān)的發(fā)射”(RASCAL)系統(tǒng)研制計劃,2003年,美國空軍進(jìn)行了為期1年的“作戰(zhàn)快速響應(yīng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)”技術(shù)途徑研究,并在此基礎(chǔ)上決定研制部分可重復(fù)使用的混合型運(yùn)載器(HLV)。2005年開始其工程研制計劃—“經(jīng)濟(jì)可承受快速響應(yīng)航天運(yùn)輸”(ARES)計劃。HLV由一個亞軌道可重復(fù)使用第一級和一個一次性使用上面級構(gòu)成。但RASCAL計劃和ARES計劃都因研制費(fèi)用大大超出預(yù)期而落馬。
繼RASCAL計劃和ARES計劃之后,2009年5月,美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)界發(fā)布了可重復(fù)使用助推系統(tǒng)(RBS)方案征求書;2011年12月5日,授予安德魯、波音、洛馬公司為期5年的不定期交貨/不定量合同,用于研制可重復(fù)使用助推器系統(tǒng)驗(yàn)證器并進(jìn)行飛行試驗(yàn);RBS系統(tǒng)包括一個可重復(fù)使用第一級和一次性使用上面級??芍貜?fù)使用的第一級垂直發(fā)射,把上面級運(yùn)送至分離點(diǎn)后,利用火箭動力進(jìn)行轉(zhuǎn)向機(jī)動后再直接返回到發(fā)射場附近機(jī)場,在跑道上像飛機(jī)一樣著陸。
此外,美國私營企業(yè)也進(jìn)行了可重復(fù)使用運(yùn)載器研制,比較典型的有:美國太空探索技術(shù)(SpaceX)公司研發(fā)的獵鷹-9(Falcon-9)垂直起降重復(fù)使用火箭,目前正通過實(shí)施“蚱蜢”計劃進(jìn)行亞軌道飛行試驗(yàn);凱斯勒(Kistler)公司研制的K-1火箭為兩級可重復(fù)使用火箭,采用AJ-26發(fā)動機(jī),具有設(shè)計簡潔和高可靠性等特點(diǎn),每級火箭都配有飛行器健康管理軟件系統(tǒng)。
除美國之外,蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲、印度及日本等國家也投入資金對可重復(fù)使用運(yùn)載器進(jìn)行了研究。
1978年,蘇聯(lián)為給和平號空間站提供大型運(yùn)輸系統(tǒng),開始研制可部分重復(fù)使用的暴風(fēng)雪號航天飛機(jī),1988年成功進(jìn)行了首次不載人飛行試驗(yàn),在無人駕駛的條件下自動返航并準(zhǔn)確降落在狹長跑道上。在此基礎(chǔ)上,俄羅斯在20世紀(jì)90年代初開展了“鷹”重復(fù)使用運(yùn)載器研究計劃,其多家宇航公司提出9種或垂直或水平起飛的可重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的概念。
進(jìn)入21世紀(jì),俄羅斯推出“快船”(Klip er/Clip p er)方案,它由可多次使用的返回艙和一次使用的軌道艙、服務(wù)艙組成,采用折疊翼,即在飛船重返地球大氣層準(zhǔn)備降落時,返回艙的艙翼展開,以使飛船像飛機(jī)一樣著陸,主要用于“國際空間站”相關(guān)人員和物資的運(yùn)輸,以取代聯(lián)盟號飛船。但后來由于邀請美國、歐洲及中國進(jìn)行合作未果,研制經(jīng)費(fèi)缺口過大而下馬。此外,俄羅斯還提出在新型“安加拉”(Angara)運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上研制可重復(fù)使用助推器貝加爾號。2010年,俄羅斯組織對幾家大型火箭生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計的可重復(fù)使用的新型火箭系統(tǒng)進(jìn)行評估,可重復(fù)使用火箭太空系統(tǒng)-1(MPKC-1)是垂直點(diǎn)火的部分可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭,其使用次數(shù)可達(dá)10次以上,機(jī)動能力很強(qiáng)。
20世紀(jì)80年代以來,歐洲先后在國家層面上啟動了重復(fù)使用運(yùn)載器的研制計劃。1984年,法國率先提出了部分重復(fù)使用的“赫爾梅斯”(Hermes)小型航天飛機(jī)研制計劃。隨后不久,英國與德國又各自提出了水平起降、單級入軌的“霍托爾”(HOTOL)空天飛機(jī)計劃和可兩級入軌的“桑格爾”(Sanger)空天飛機(jī)計劃。1994年起歐洲航天局提出未來歐洲“航天運(yùn)輸研究計劃”(FESTIP),它包括近20種概念設(shè)計方案。4年后該計劃結(jié)束,歐洲航天局緊接著進(jìn)行了“未來運(yùn)載器技術(shù)計劃”(FLTP),用于可重復(fù)使用運(yùn)載器方案的選擇和確定,并在此計劃的基礎(chǔ)上于2001年提出FLPP,并對未來10年的歐洲可重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展進(jìn)行了規(guī)劃,決定研制下一代運(yùn)載器(NGL)。
近年,英國還提出一種“云霄塔”(Skylon)單級入軌空天飛機(jī)方案,它采用混合動力、可重復(fù)使用、水平起降,目前處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和方案論證階段。
印度發(fā)展航天技術(shù)的最終目標(biāo)是建立空間站和星際基地,而發(fā)展單級入軌、水平起降的可重復(fù)使用運(yùn)載器(SSTO-RLV)和載人航天是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必由之路。根據(jù)上述思路,印度的可重復(fù)使用運(yùn)載器計劃分為3個階段:研制可重使用運(yùn)載器技術(shù)驗(yàn)證機(jī)(RLV-TD),攻克高超聲速再入等關(guān)鍵技術(shù);在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上研制兩級入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器(TSTO-RLV);研制SSTO-RLV。目前正處于第一階段的研制工作,印度空間研究組織(ISRO)已經(jīng)規(guī)劃了一系列飛行試驗(yàn)。
日本在可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展方面不遺余力,投入了大量經(jīng)費(fèi)。1997年制定了可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展計劃,遵循循序漸進(jìn)的發(fā)展思路,圍繞“霍普”(HOPE)小型航天飛機(jī)計劃開展演示驗(yàn)證項(xiàng)目,先后成功進(jìn)行了軌道再入飛行試驗(yàn)(OREX)、高超聲速飛行試驗(yàn)(HYFLEX)以及自動著陸飛行試驗(yàn)(ALFLEX),對防熱、再入飛行等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)和試驗(yàn)。
日本的HOPE-X小型航天飛機(jī)概念圖
從世界各國可重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展歷程及發(fā)展現(xiàn)狀來看,可重復(fù)使用運(yùn)載器領(lǐng)域的發(fā)展趨勢有以下3個方面。
(1)百折不撓
綜觀美國、俄羅斯、歐洲、日本及印度等國家和地區(qū)的可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn),其研制并不是那么一帆風(fēng)順,美國從20世紀(jì)60年代開始就涉足了可重復(fù)使用運(yùn)載器的研制,實(shí)現(xiàn)可部分重復(fù)使用的航天飛機(jī)在歷經(jīng)30年輝煌后終因成本太高及安全性不夠而退出了太空舞臺。20世紀(jì)八九十年代提出的X-30超高速國家空天飛機(jī)計劃,無人駕駛、單級入軌可重復(fù)使用航天運(yùn)載器Venture star計劃,無人駕駛、可重復(fù)使用亞軌道低成本航天運(yùn)載器X-34,以及Delta Clipper計劃,都因存在著諸多技術(shù)難題以及資金耗費(fèi)巨大而被叫停。進(jìn)入21世紀(jì)之后提出的RASCAL計劃和ARES計劃也都因研制經(jīng)費(fèi)缺口過大而被迫下馬。俄羅斯提出的Klip er項(xiàng)目等也都不得不終止。
但是,值得注意的是,美、俄等國家和地區(qū)在先后開展的研制計劃中積累了諸多經(jīng)驗(yàn),并將這些既有成果運(yùn)用到后續(xù)相關(guān)可重復(fù)使用運(yùn)載器研制計劃中去,保持了技術(shù)基礎(chǔ)的延續(xù)性。同時,世界各國也堅定不移地把可重復(fù)使用運(yùn)載器作為未來航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展方向之一,均充分認(rèn)識到可重復(fù)使用運(yùn)載器的重要性。它不僅能夠滿足未來的商業(yè)發(fā)射需求,推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,同時在未來軍事航天中也擁有巨大的應(yīng)用價值。因此,即使研制歷程一波三折,仍不遺余力地提出相關(guān)計劃并投入巨額費(fèi)用,不斷驗(yàn)證動力、熱防護(hù)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制、著陸裝置等方面的關(guān)鍵技術(shù)。
(2)循序漸進(jìn)
從國外幾十年的可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展歷程來看,可重復(fù)使用運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展具有高成本、高風(fēng)險性,其研制成功仍然有待各項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)的突破,未來還需要較長時間的研究。世界各國認(rèn)識到并遵循技術(shù)發(fā)展規(guī)律,在飛行演示驗(yàn)證階段進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)并驗(yàn)證,努力打牢技術(shù)基礎(chǔ),并不急于進(jìn)行工程研制。
日本高速飛行驗(yàn)證機(jī)(第一階段)構(gòu)想圖
美國航天飛機(jī)的研制正是借鑒了X-15、X-20這兩項(xiàng)飛行試驗(yàn)計劃積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)。美國通過一系列演示驗(yàn)證項(xiàng)目,持續(xù)不斷地增加新技術(shù)儲備,積累了新概念飛行器的研制經(jīng)驗(yàn)。日本一直圍繞HOPE小型航天飛機(jī)計劃開展演示驗(yàn)證,依次進(jìn)行了軌道再入、高超聲速飛行以及自動著陸飛行試驗(yàn),對可重復(fù)使用運(yùn)載器研制中的防熱、再入飛行等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,不斷提高技術(shù)成熟度。
(3)由多級入軌部分重復(fù)使用向單級入軌完全可重復(fù)使用方向發(fā)展
縱觀各國可重復(fù)使用運(yùn)載器的研制歷程,經(jīng)歷了一個從單級入軌完全可重復(fù)使用到多級入軌部分可重復(fù)使用的發(fā)展思路。20世紀(jì)八九十年代,美國提出的X-33,歐洲提出的HOTOL計劃等,都是單級入軌重復(fù)使用方案,但都因技術(shù)難度過大、投入經(jīng)費(fèi)過多而終止。世界各國在認(rèn)識到可重復(fù)使用運(yùn)載器的研制難度后,紛紛轉(zhuǎn)變發(fā)展思路,把多級入軌部分重復(fù)使用作為近期研究目標(biāo),如美國提出的SMV計劃,俄羅斯提出的Kliper計劃等。
但是,水平起降單級入軌方案一直是各國航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展方向,在制定實(shí)際發(fā)展方針的基礎(chǔ)上,以單級入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器運(yùn)載器為需求牽引,對涉及的核心關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān),通過演示驗(yàn)證來逐步提高技術(shù)成熟度,期望未來能夠具備類似飛機(jī)一樣自由進(jìn)出空間的能力。