文/若水
▲ 天龍空天飛機(jī)與上面級(jí)在150千米左右高度分離效果圖
目前,世界上各主要航天大國(guó)(或組織)都在進(jìn)行可重復(fù)使用運(yùn)載器的研發(fā)。下面就讓我們了解一下,歐空局、俄羅斯和日本在這方面的進(jìn)展情況。
▲ 英國(guó)天龍( Skylon)空天飛機(jī)
歐洲航天技術(shù)的發(fā)展主要由歐空局主導(dǎo)。該組織成立于1975年,目前有22個(gè)成員國(guó),各成員國(guó)通過歐空局進(jìn)行型號(hào)研制工作的協(xié)調(diào)與合作。
歐空局總部有一個(gè)未來發(fā)射器辦公室曾對(duì)可復(fù)用運(yùn)載器進(jìn)行過廣泛的研究。他們重點(diǎn)對(duì)單級(jí)入軌、兩級(jí)入軌以及亞軌道單機(jī)一圈返回可復(fù)用運(yùn)載器進(jìn)行了研究,最終認(rèn)為:?jiǎn)渭?jí)入軌目前受歐洲技術(shù)積累的限制,很難實(shí)現(xiàn)。兩級(jí)入軌雖然短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn),但并不是最佳選擇,因?yàn)橐患?jí)復(fù)用二級(jí)消耗的火箭并不會(huì)比現(xiàn)在消耗型火箭節(jié)約多少成本。亞軌道單機(jī)一圈返回則看似很有前途,它既可以實(shí)現(xiàn)亞音速、超音速和高超音速覆蓋,而且不受垂直和水平起飛的限制,同時(shí)還可以作為全球點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速運(yùn)輸系統(tǒng)的解決方案。
因此,在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里,歐空局仍然將其太空發(fā)射系統(tǒng)聚焦在消耗型火箭的研制上。目前其主力火箭仍然為阿里安5(消耗型),2022年歐空局將實(shí)現(xiàn)阿里安6(消耗型)的首飛。直到太空探索技術(shù)公司用實(shí)際案例證明了垂直起飛垂直返回火箭的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)上的可行性,歐空局才重新把目光投向可復(fù)用運(yùn)載器,但到目前為止,在這方面的成就仍然乏善可陳。
而歐洲早期可復(fù)用運(yùn)載器的研制,主要包括英國(guó)的HOTOL空天飛機(jī)和前期由法國(guó)主導(dǎo)后由歐空局主持開發(fā)的Hermes空天飛機(jī),兩個(gè)項(xiàng)目由于技術(shù)等原因,最終都未逃出被取消的命運(yùn)。
目前歐空局正在研制的可復(fù)用運(yùn)載器主要有HTHL和VTVL兩種技術(shù)路線。
天龍( Skylon)空天飛機(jī)
天龍空天飛機(jī)是由英國(guó)主導(dǎo)研制的HTHL技術(shù)路線的可復(fù)用太空發(fā)射系統(tǒng),該項(xiàng)目繼承了HOTOL空天飛機(jī)項(xiàng)目的成果,由歐空局提供相關(guān)研制經(jīng)費(fèi)。
天龍空天飛機(jī)的最大特點(diǎn)是采用了協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SABRE),這是一種混合了沖壓和火箭兩種燃燒模式的發(fā)動(dòng)機(jī)。在大氣層中,采用吸氣模式,發(fā)動(dòng)機(jī)利用空氣中的氧氣作為氧化劑,并使其最高速度達(dá)到5馬赫。在大約25千米的高度,發(fā)動(dòng)機(jī)切換到火箭模式,使用機(jī)載的氧化劑和燃料繼續(xù)上升。攜帶有效載荷的上一級(jí)將在大約150千米的高度釋放,繼續(xù)進(jìn)行軌道飛行,而第一級(jí)將返回地球著陸并重復(fù)使用。
忒彌斯(Themis)計(jì)劃
忒彌斯計(jì)劃是歐空局2020年底提出的一個(gè)基于VTVL技術(shù)路線的部分復(fù)用火箭項(xiàng)目,原型火箭也將被稱為“忒彌斯”。最初計(jì)劃在2023年實(shí)現(xiàn)首飛,根據(jù)最新的項(xiàng)目更新,計(jì)劃在本世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)一級(jí)推進(jìn)器可重復(fù)使用。
目前,忒彌斯計(jì)劃進(jìn)展到推進(jìn)劑儲(chǔ)罐冷凍試驗(yàn)階段。該試驗(yàn)是在位于法國(guó)弗農(nóng)的阿里安試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行的。忒彌斯計(jì)劃預(yù)計(jì)在2025年完成最后的測(cè)試階段的工作,實(shí)現(xiàn)3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的高空跳躍測(cè)試及回收,2030年左右實(shí)現(xiàn)飛行。
阿里安下一代(Ariane Next)火箭
“阿里安下一代”火箭是歐空局最早宣布研制的可復(fù)用火箭計(jì)劃。該型火箭繼承于阿里安6火箭,采用類似獵鷹9號(hào)火箭的模式,實(shí)現(xiàn)一級(jí)火箭的重復(fù)使用,目標(biāo)是將阿里安6火箭的成本減半,計(jì)劃在本世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)發(fā)射服務(wù)。
▲ 2021年12月進(jìn)行忒彌斯火箭推進(jìn)劑儲(chǔ)罐的冷凍試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
為了研制阿里安下一代可回收火箭,歐空局先期開展了相關(guān)的技術(shù)演示和前序項(xiàng)目。2019年開始,用一種名為FROG的小型演示器實(shí)行了幾次演示飛行,用來對(duì)火箭垂直著陸進(jìn)行測(cè)試。還有一種名為CALLISTO的單級(jí)、可重復(fù)使用的演示火箭用于改進(jìn)制造可重復(fù)使用運(yùn)載器所需的技術(shù)(包括返回和整修),并估算這種發(fā)射裝置的運(yùn)行成本,CALLISTO首飛計(jì)劃于2022年進(jìn)行。
馬伊亞”和“普羅米修斯”
2021年12月8日,法國(guó)財(cái)政部長(zhǎng)布魯諾·勒梅爾宣布,歐洲也要開發(fā)一種可重復(fù)使用的火箭,與馬斯克競(jìng)爭(zhēng)。具體要求是由阿里安集團(tuán)在2026年前開發(fā)出一款名為“馬伊亞”的小型運(yùn)載火箭。
目前有關(guān)“馬伊亞”的技術(shù)細(xì)節(jié)尚未披露,唯一確定的是,它將使用一種叫做“普羅米修斯”的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
“普羅米修斯”并不完全是一個(gè)外號(hào),它的全稱是“前體可重復(fù)使用的液氧甲烷成本效益型推進(jìn)系統(tǒng)”,從各個(gè)單詞中取出不同音節(jié),拼成了“普羅米修斯”。
“普羅米修斯”是法國(guó)航天局和阿里安空間公司在2015~2017年間構(gòu)思和設(shè)計(jì)的。2016年12月,法國(guó)航天局在盧塞恩舉行的部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議上把這個(gè)設(shè)想提交給歐空局。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,“普羅米修斯”可以重復(fù)使用5次,推力達(dá)到100噸,實(shí)際輸出推力在30%~100%之間可控。其可重復(fù)使用的次數(shù)似乎不如馬斯克的“灰背隼”。歐空局在解釋燃料選擇時(shí)認(rèn)為,甲烷作為火箭燃料有很多優(yōu)點(diǎn)。它更便宜,更易于處理,和氧氣的沸點(diǎn)幾乎相同。甲烷的密度是氫氣的6倍,這可以使火箭級(jí)更加緊湊,更容易回收再利用。法國(guó)國(guó)家空間研究中心還考慮在圭亞那航天中心利用生物來生產(chǎn)甲烷,更加利于環(huán)保?!捌樟_米修斯”不但具備可變推力、多次點(diǎn)火等特點(diǎn),還具備適合芯級(jí)、上面級(jí)應(yīng)用的特點(diǎn),飛行前后所需要的地面維護(hù)操作盡量簡(jiǎn)化。
在經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的問題上,“普羅米修斯”的目標(biāo)是把生產(chǎn)成本降到阿里安5火箭上現(xiàn)役火神發(fā)動(dòng)機(jī)的十分之一,也就是100萬歐元。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),需要廣泛使用3D打印,并且達(dá)到每年50臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)量,計(jì)劃在2030年投入使用。
2019年11月,在西班牙塞維利亞舉行的Space19+理事會(huì)會(huì)議上,歐空局獲得了全額資金,推動(dòng)“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)達(dá)到適合生產(chǎn)的技術(shù)成熟度。
“普羅米修斯”70%的子系統(tǒng)都采用3D打印技術(shù)制造,包括渦輪泵的渦輪、泵入口和氣體發(fā)生器。采用計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行管理和監(jiān)控。
2021年5月17日,歐空局與阿里安集團(tuán)正式簽署了一項(xiàng)合同,撥款1.35億歐元,完成兩臺(tái)“普羅米修斯”全尺寸演示樣機(jī)的靜態(tài)噴射測(cè)試,并繼續(xù)建造6臺(tái)演示樣機(jī),用來證明批量化生產(chǎn)性能。
歐空局航天能力略遜于中、美、俄3國(guó),但是在國(guó)際合作方面最為開放,目前與各方都有相應(yīng)的項(xiàng)目合作。但正是由于歐空局這種松散的架構(gòu),導(dǎo)致除了開展歐空局共同的項(xiàng)目外,各國(guó)還會(huì)獨(dú)立開展本國(guó)的航天研制工作,特別是商業(yè)航天興起后,歐洲各國(guó)出現(xiàn)了很多私營(yíng)性質(zhì)的航天公司。
▲ 3D打印的普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤
▲ 馬伊亞火箭一級(jí)返回效果圖
▲ 普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)可以大幅度降低成本
▲ 普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)在德國(guó)試車
在可復(fù)用太空發(fā)射系統(tǒng)方面,蘇聯(lián)先后開展了“螺旋計(jì)劃(Spiral Program)”、“暴風(fēng)雪(Buran)計(jì)劃”的研制,之后的俄羅斯繼承了蘇聯(lián)豐厚的航天遺產(chǎn),雖然在研發(fā)方面走下坡路,但仍然啟動(dòng)了基于VTVL技術(shù)路線的可復(fù)用發(fā)射系統(tǒng)的研制。
▲ 殘破的暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)
科羅娜單級(jí)入軌火箭
俄羅斯的科羅娜火箭是與美國(guó)前期研制的DC-X火箭類似的單級(jí)入軌可復(fù)用運(yùn)載火箭,在1992~2012年期間研制,為單級(jí)入軌垂直發(fā)射垂直回收火箭。有關(guān)該火箭的相關(guān)材料較少。
2016年俄宣布計(jì)劃重啟該項(xiàng)目。在2021年制定的最新計(jì)劃中,該飛行器高度為31米,發(fā)射重量300噸,可以將13噸載荷送入近地軌道。不過單級(jí)入軌從物理原理來說,總是不那么靠譜。
阿穆爾可復(fù)用運(yùn)載火箭
阿穆爾也稱為聯(lián)盟-7火箭,該火箭是芯一級(jí)可復(fù)用新一代運(yùn)載火箭,推進(jìn)劑采用液氧甲烷,將用于替代聯(lián)盟-2系列火箭。該火箭自2020年由俄羅斯宇航局啟動(dòng)研制,計(jì)劃2026年實(shí)現(xiàn)首飛。
阿穆爾火箭高55米、直徑4.1米、重360噸,由2級(jí)組成,一級(jí)火箭可回收。近地軌道運(yùn)載能力,可回收模式為10.5噸,消耗模式為12.5噸。一級(jí)火箭由5臺(tái) RD-0169A 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,發(fā)動(dòng)機(jī)由俄羅斯化學(xué)自動(dòng)化設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì),2024年將完成發(fā)動(dòng)機(jī)試車。
阿穆爾一級(jí)火箭將降落在鄂霍次克海沿岸的火箭回收?qǐng)觥TO(shè)計(jì)階段的飛行試驗(yàn)將在普列謝茨克航天發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行。
阿穆爾其名來源于執(zhí)行該火箭發(fā)射的俄羅斯東方發(fā)射場(chǎng),該發(fā)射場(chǎng)與哈薩克斯坦拜科努爾航天中心同緯度,位于緊鄰我國(guó)黑龍江省的俄羅斯阿穆爾州,界河黑龍江在俄羅斯被稱為阿穆爾河。
安加拉 A5VO可復(fù)用重型運(yùn)載火箭
除了正在研制的阿穆爾可回收火箭,俄羅斯宇航局也進(jìn)行了重型可回收運(yùn)載火箭的規(guī)劃。俄羅斯計(jì)劃在安加拉火箭型譜中加入可回收版本的火箭,命名為安加拉 A5VO。目前尚未給出具體研制時(shí)間表。
據(jù)悉,該型火箭芯級(jí)及其助推將一起返回地面。
俄羅斯發(fā)展航天的最大障礙是該國(guó)的經(jīng)濟(jì)總量和人口基數(shù)與中美相比都有較大差距,加上商業(yè)航天對(duì)俄羅斯本來占據(jù)較大份額的全球商業(yè)和載人發(fā)射市場(chǎng)的擠壓,以現(xiàn)有國(guó)力與中美并駕齊驅(qū)已經(jīng)沒有可能。
▲ 俄羅斯科羅娜( Corona)火箭
▲ 安加拉A5重型火箭從俄羅斯普列謝茨克航天中心發(fā)射升空
日本在可復(fù)用運(yùn)載器研制方面一直秉承了垂直發(fā)射垂直返回的技術(shù)路線,而且起步于太空探索技術(shù)公司進(jìn)行獵鷹9號(hào)火箭研制之前,是繼美國(guó)和俄羅斯(蘇聯(lián))之后,較早開展此技術(shù)路線研制的國(guó)家。但是,其整體進(jìn)度較慢,可見可復(fù)用火箭的研制確實(shí)是困難重重。
日本有關(guān)可復(fù)用運(yùn)載器驗(yàn)證系統(tǒng)的開發(fā)主要由日本的國(guó)家隊(duì),即日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)進(jìn)行,主要有以下幾項(xiàng)。
RVT
RVT 全稱“可重復(fù)使用航天器試驗(yàn)”,由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)在1998~2003年實(shí)施。
該項(xiàng)目是由一個(gè)可重復(fù)使用火箭實(shí)施多種試驗(yàn)飛船的飛行試驗(yàn)。項(xiàng)目共完成了4個(gè)試驗(yàn)飛船,這些試驗(yàn)飛行器特性包括基于需求飛行、快速回轉(zhuǎn)、高性能和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)及材料等,以驗(yàn)證重復(fù)發(fā)射火箭的能力。
RV-X
RV-X 全稱“可重復(fù)使用航天器實(shí)驗(yàn)”,由JAXA與三菱重工合作開發(fā)。該項(xiàng)目是國(guó)際合作的CALLISTO在日本的前導(dǎo)項(xiàng)目。
RV-X旨在驗(yàn)證垂直起降能力,驗(yàn)證飛行高度為100米,目標(biāo)是完成基于垂直發(fā)射垂直返回技術(shù)的高頻率復(fù)用驗(yàn)證。該項(xiàng)目在2018年中進(jìn)行了地面點(diǎn)火試驗(yàn)后,無后續(xù)相關(guān)報(bào)道。
CALLISTO
CALLISTO 全稱“引導(dǎo)運(yùn)載器創(chuàng)新的階段拋回操作合作行動(dòng)”,由JAXA、德國(guó)航空航天中心以及法國(guó)宇航局合作開發(fā),用于歐空局阿里安下一代(Ariane Next)火箭的前期驗(yàn)證。
對(duì)標(biāo)獵鷹9的主力可復(fù)用火箭計(jì)劃
2021年11月, JAXA宣布將與近30家日本公司和機(jī)構(gòu)合作,開發(fā)可重復(fù)使用的火箭,目標(biāo)是到2030年實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用火箭首飛,發(fā)射成本降至目前水平的四分之一以下,成本競(jìng)爭(zhēng)力提升至全球市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者太空探索技術(shù)公司的水平。
負(fù)責(zé)監(jiān)管JAXA的日本文部科學(xué)省曾表示,可重復(fù)使用的發(fā)射衛(wèi)星的火箭對(duì)下一代運(yùn)載器的開發(fā)至關(guān)重要。
JAXA計(jì)劃與30多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)共同研制開發(fā)可重復(fù)使用火箭,主要分工如下:
·三菱重工和日郵負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)物流,特別是使用無人船進(jìn)行火箭回收
·全日空研究飛機(jī)的操作和維護(hù)
·NIPPI公司和GH Craft公司創(chuàng)建一種著陸系統(tǒng)
·名古屋大學(xué)開發(fā)一種抗振動(dòng)的鋰離子電池
·佳能IT解決方案采用混合技術(shù)來簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程
·千葉工學(xué)院被指派研究低成本的小型電動(dòng)泵
·金澤理工學(xué)院研究火箭的復(fù)合材料
其并未提及火箭和發(fā)動(dòng)機(jī)等核心工作的分工,按照目前日本主力火箭研制情況,應(yīng)該是由三菱重工具體負(fù)責(zé)。
JAXA計(jì)劃在2026年之前開發(fā)出一個(gè)原型,并在2030年進(jìn)行第一次發(fā)射測(cè)試。通過建立可重復(fù)使用的技術(shù)和增加發(fā)射次數(shù),JAXA希望到本世紀(jì)40年代早期將成本降低到5億日元左右。
▲ RV-X點(diǎn)火試驗(yàn)
▲ RV-X結(jié)構(gòu)圖
▲ CALLISTO演示火箭效果圖
本田的小運(yùn)載計(jì)劃
2021年9月,日本汽車制造商本田公布了一項(xiàng)計(jì)劃:開發(fā)一種部分可重復(fù)使用的小型衛(wèi)星運(yùn)載火箭,并于2030年進(jìn)行測(cè)試發(fā)射,該火箭可以將重量不超過1噸的衛(wèi)星送入近地軌道。
本田還計(jì)劃擴(kuò)大其業(yè)務(wù)組合,生產(chǎn)可以電動(dòng)垂直起飛和降落的飛行汽車。計(jì)劃在未來6年,在研發(fā)上投入450億美元(5萬億日元)。
本田是從2019年底開始研究可重復(fù)使用火箭的,并且已經(jīng)具備了火箭燃燒、控制和成本控制等能力。2021年11月,本田宣布完成了可重復(fù)使用原型發(fā)動(dòng)機(jī)的試車,從尾焰可以看到明顯的馬赫環(huán)。由于商業(yè)秘密原因,該公司未公開照片或視頻。