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后航天飞机时代天地往返运载器发展趋势研究  

2015-06-26 09:22:30|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国运载火箭技术研究院研究发展中心 马 野 许 健 邵秋虎

2011年7月21日5时,美国“亚特兰蒂斯号”航天飞机顺利降落在肯尼迪航天中心,“亚特兰蒂斯号”的最后一次太空飞行任务圆满完成。这同时也标志着美国航天飞机毁誉参半的30年历史的终结,世界航天活动从此进入了“后航天飞机时代”。时至今日,航天飞机谢幕已3年多,世界航天活动依旧频繁,天地往返运载器项目蓬勃发展。本文通过对近3年世界航天界在天地往返运载器领域的活动分析,梳理后航天飞机时代世界航天界在天地往返运载器领域的发展趋势和显著特征,找寻对我国航天事业发展有益的借鉴。

一、后航天飞机时代天地往返运载器发展趋势

1. 航天飞机的退役加速了美国航天技术革新的步伐

航天飞机作为代表一个时代的天地往返运载器,它的退役是事物发展的必然规律,只不过似乎比人们的预期来得更早。航天飞机的表现并不像前期方案预算时想象的那样美好,5架航天飞机共进行了135次飞行,远远低于当时预计的每架可以重复使用100次,平均每次的发射费用也大大超过了预期。尤其是在运行后期(“哥伦比亚号”事故之后),对它的批评之声便不绝于耳,航天飞机的安全性成为首要问题,破损和老化加剧,使其运行和维护成本大幅增加,美国政府早已不堪重负。

由于航天飞机的退役,在接下来的一段时间内,美国人不得不依靠租借俄罗斯飞船的方式继续运送宇航员进入太空,精明的俄罗斯人也因此上涨飞船的飞行费用;由于航天飞机的退役,使美国航空航天相关公司约7000名员工面临失业,进而促进了美国航天产业的重组;由于航天飞机的退役,使得美国各大航空航天公司看到了未来的巨大商机,积极推进新技术,争取美国航天项目的大单。

航天飞机是美国继阿波罗计划之后冷战时代的产物,代表着当时最先进的技术水平,但相对于当代科技而言,航天飞机应用的技术已然落后。虽然在过去的30年中,航天飞机的内部技术也一直不断更新换代,但美国人意识到其技术发展前景有限,改良会碰到许多技术上不可施行之处。美国人通过航天飞机的实践,深刻认识到航天飞机的技术缺陷,明确了未来航天运载器应积极发展的方向。因此,从这一角度来看,航天飞机的退役反而加速了美国航天技术的发展,推动技术革新的脚步走得更快,具有积极的导向意义。

2. 廉价进入太空已成为美国航天发展的当务之急

航天飞机退役后,高可靠性、低成本和快速响应已经成为美国航天发射的一种必然要求,当务之急是寻找可替代航天飞机的低成本运载器。为使航天运输多元化,美国国家航空航天局(NASA)早在2006年1月就启动了为期5年、价值5亿美元的“商业轨道运输服务”(COTS)计划,旨在支持私营企业发展航天技术。太空探索技术公司(SpaceX)在那时便进入了人们的视野。

2012年5月22日,“猎鹰”9火箭搭载“龙”飞船从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军站发射升空。这也是航天飞机退役后,美国首次利用本国飞船向国际空间站运送物资。

“猎鹰”9火箭是太空探索技术公司在“猎鹰”1火箭的基础上研制而成的低成本运载火箭,其未来的发展目标是成为可重复使用型火箭。“龙”飞船的最大特点也是可重复使用,分为载人和载货两种构型。据太空探索技术公司的报道,载人型的“龙”二代飞船可运载7名宇航员,人员运载能力是“联盟号”飞船的2倍以上,且配有着陆支架,配合反推发动机制动后可以垂直降落在陆地上。“龙”二代飞船计划将在2016年执行第一次载人航天任务,完成空间站的人员轮换任务。“龙”二代飞船具备了较强的多次使用能力,外部的隔热材料可以满足重复使用的要求,这一点与“联盟号”飞船不同,因此“龙”二代飞船有着更好的经济性,每次飞行的成本约为2000万美元,比NASA购买一个“联盟号”座位要便宜很多。

3. 可重复使用运载器已成为各航天强国的重点发展方向

“后航天飞机时代”的特征,从运行体制上来看,是私营企业进入航天领域的新时代;从经济成本来看,第一次将航天运载器的低发射、运行和维护成本作为首要的度量目标;从技术发展来看,航天运载器正由一次性使用向可重复使用方向不断发展。

美国太空探索技术公司的“蚱蜢”运载器是近两年最为突出的代表。至2013年10月,“蚱蜢”已成功进行了8次垂直起降飞行试验,以验证未来火箭的可重复使用相关技术。与传统一次性运载火箭相比,完全可重复使用火箭搭载的有效载荷要少40%。但由于火箭硬件成本占全部飞行成本的绝大部分(推进剂成本占全部飞行成本的比例不到0.4%),因此即使可重复使用降低了火箭运载能力,理论上这种改良仍会大大降低单位有效载荷的发射成本。太空探索技术公司已几次发射了第一级可返回式的“猎鹰”9火箭,其最终目标是实现整个发射系统的完全可重复使用。

从2009年起,俄罗斯开始研制新一代载人飞船,称为“未来载人运输系统”(PPTS),暂定名“罗斯号”,计划于2018年投入使用。“罗斯号”最多可载6人,可飞往空间站和月球,能重复使用多达10次,将极大降低天地往返的运输成本。

4. 滑翔返回式天地往返运载器项目依旧活跃

航天飞机的绝唱并不代表滑翔返回式天地往返运载器发展的终结。在航天飞机退役后,滑翔返回式天地往返运载器项目依旧十分活跃。最为显著的事实便是美国的X-37B飞行器。早在航天飞机退役之前,美国空军就于2010年4月22日用宇宙神5运载火箭将X-37B“轨道试验飞行器”(OTV)送入了近地轨道。X-37B是美国研制建造的第一种可重返大气层、可水平着陆、执行在轨试验任务的无人可重复使用航天器,主要用作空间技术试验与验证平台。2014年10月,X-37B在围绕地球运行了将近两年时间后重返地面,而这已是该飞行器的第3次太空试验任务。作为一种试验过渡型飞行器,X-37B的飞行试验延续了航天飞机任务剖面的特征,使这种类型的运载器得以继续存在,且仍在持续验证其可重复使用技术。

2012年12月, 美国内华达山脉公司(SNC)宣布该公司的“追梦者”太空系统计划获得了NASA签约合同,将全面合作打造后航天飞机时代的近地轨道载人往返系统,其外形酷似一架迷你的航天飞机,是一个7座有翼可重复使用小型太空飞船,具备降落在中型商用飞机跑道上的能力。这款载人轨道运载器将主要用于商业太空任务以及近地轨道宇航员的运输任务。内华达山脉公司计划的目标是在2016年11月完成“追梦者”的首次轨道任务。2013年6月,该公司宣称“追梦者”混合火箭发动机资质试验进入最后一个阶段。2013年8月22日,“追梦者”成功完成了首次全尺寸测试版挂飞试验。10月26日,“追梦者”太空飞机样机成功进行了首次自由飞行试验。

2013年12月,美国国防高级研究项目局(DARPA)又提出一项价值1400万美元的XS-1试验性空天运载器项目。根据计划,XS-1空天运载器将于2018年执行首次发射,其目标为演示验证可重复使用能力、低成本军事和商业卫星发射及高超声速技术;演示操作系统可重用第一级发射3000~5000磅(约1361~2268千克)有效载荷进入低地球轨道,单次发射成本不超过500万美元,每年至少发射10次,技术目标为可在10天内完成10次发射,其中至少一次飞行速度达到马赫10以上。

除美国外, 欧空局(ESA)正在研发其首艘可天地往返的航天飞行器——“ 过渡性试验飞行器”(IXV) 。该飞行器已于2015年2月搭乘“织女星”火箭成功试飞。2013年6月19日,一架直升机在意大利地中海撒丁岛附近上空3千米的高度释放了一个全尺寸模型,以测试模型的飞行处理和降落伞系统。在IXV之后,欧空局还计划研制“骄傲”(Pride)飞行器。此飞行器与美国的X-37B轨道试验飞行器类似,但尺寸更小。预计在2018年进行一次轨道飞行任务。

英国的“云霄塔”(SKYLON)项目也一直在持续进行之中。“云霄塔”是一种采用混合动力、可重复使用、水平起降的单级入轨运载器。其两次发射的时间间隔为2天,可重复使用200次,发射成本约为1000万美元。这种成本优势将使未来的太空旅行更经济、更便捷。“云霄塔”计划在2019年进行首次飞行试验,2022年到访国际空间站。2012年5月,英国工程师开始对“云霄塔”太空飞机的新发动机进行关键技术试验。此外,维珍银河公司的“太空船二号”项目也在持续的研发之中,本文不再细述。因此,不用怀疑,虽然航天飞机进入了博物馆,但它的退役仅是一个新的开始,载人的滑翔返回式运载器终将重新回到人们的视野当中。

二、后航天飞机时代天地往返运载器发展的显著特征

1. 商业航天时代全面来临

众所周知,航天属于高投入行业,即便是国家行为有时也难以为继。传统的航天运营模式为国家投资模式,这种模式曾在冷战时期发挥了积极的作用,并取得了辉煌的成果。但时过境迁,航天飞机的终结同时也暗示着传统航天运营模式在当今世界的不力,新的商业航天运营模式正逐渐成为主流,后航天飞机时代即将是商业航天全面来临的时代,融资与合作已经成为发达国家商业航天经营的主题。例如,“云霄塔”项目采用了官方、民间投资者和研究机构三方合作的模式,“云霄塔”有限公司是独立的项目资金管理机构。这一新型商业模式可以发挥官方的资源优势、民间投资者的资金优势和研究机构的技术优势,具有投资灵活性强、对项目进度要求严格等特点。再如,“追梦者”项目中,NASA对内华达山脉公司的投资占该项目研发投资的一半左右。另据2014年7月28日的报道,内华达山脉公司与日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)签订了一个关于“追梦者”任务和技术的协议,将合作开展“追梦者”任务并合作开发技术。同时,内华达山脉公司还与欧空局和德国航天局有着类似的合作,这种合作注重专业技术向实际工程应用的具体实现。

2. 经济成本已成为牵引未来航天科技发展的主要因素

航天飞机的终结代表着“不计成本”发展航天科技的时代已经结束,经济成本已成为牵引未来航天科技发展的主要因素和度量标尺。航天飞机退役后,新研型号蓬勃发展,但无一例外地都把降低使用和维护成本作为研制的首要目标,欠考虑经济成本的航天项目都未得到支持和发展。可以预见,后续无论是可重复使用火箭还是可重复使用空天运载器的研制,技术发展的核心目的之一都是为了降低人类越发频繁的航天活动的运输成本,使人类航天活动得以持久健康地发展。

3. 技术瓶颈是影响航天项目跨越式发展的关键

航天飞机的终结反映出发展可重复使用运载器的道路曲折,技术实现的过程远比人们想象的还要艰难。技术瓶颈一直是制约航天项目实现跨越式发展的关键,例如动力和热防护。若技术瓶颈问题得不到解决,航天型号的可重复使用依然是代价巨大,得不偿失。后航天飞机时代,透过航天活动分析,可以看到世界各航天强国均通过各种途径加强了对瓶颈技术的攻关和验证。相信伴随着技术的不断进步,一旦某些技术发展的瓶颈问题(例如核聚变发动机)得以解决,航天科技发展将发生一个划时代的变革,人类期望开展的星际探索和载人深空探测也将变为现实。

4. 技术储备是美国航天得以保持领先地位的根本保障

虽然航天飞机谢幕了,但正如NASA局长查尔斯.博尔登所说:“我们不会因此而失去太空探索的领先地位和领先优势”,美国的航天技术发展在世界依然独领风骚。

后航天飞机时代,美国航天又重新回归载人飞船的研制。甚至有观点认为:“后航天飞机时代,未来航天器掀起‘复古’风”。我们都知道科技的发展呈螺旋型上升趋势,航天技术途径的选择出现“重复”也是一种必然,但实际上技术水平已处于更高的发展阶段。而对于滑翔返回式天地往返运载器,美国也从未放弃这一领域,一直在不断地进行试验验证,推动关键技术的发展。

航天项目均是复杂的系统工程,需要全系统技术的支持。了解美国的航空航天发展史,我们不难知道,美国通过X系列飞行器的验证,牵引了后续一系列航空航天项目的发展。从“追梦者”身上似乎可以看到X-38的身影。从XS-1身上也似乎可以看到X-34当年的身影。前期型号的研发为后续型号的研制提供了坚实的技术储备。

三、启示和借鉴

第一,我国应注重天地往返运输领域的成本问题,逐步开展可重复使用运载器的研发工作。随着我国经济发展需求的不断扩大,天地往返运输必然是后续航天发展的主要内容之一,运输成本的降低也是我国航天科技可持续发展的首要目标。相对于传统的一次性使用运载器,可重复使用运载器可显著降低运输成本,但可重复使用对中国航天来说尚属新领域,因此可重复使用运载器的研制技术难度更大,涉及面更广。建议加大对可重复使用运载器研制领域的政策扶持和资金投入,加快推动相关的研制工作。

第二,应注重航天技术的积累性发展,注重阶段性技术成果的转化。航天工程应建立在务实的工作基础上,不可急于求成。在项目工作开展过程中,不仅薄弱技术需要重点关注,基础技术的深化研究和发展也同样重要。在由一次性使用向可重复使用发展的过程中,技术发展和积累的过程便是航天工程不断成熟的过程。在此期间,阶段性的试验样机项目是必不可少的。全系统的综合能力是取得航天技术里程碑式跨越的基础保障。

第三,在航天发展战略布局上应看得更远,既要虚心向西方学习先进经验,又要提出适于本国发展的独到见解,注重航天未来可持续发展的必然方向,大力发展能影响未来航天技术变革的关键技术,逐步缩小我国航天与世界航天先进水平的差距,并最终完成我国由航天大国向航天强国转变的跨越。

第四,后航天飞机时代,美国航天项目去政府化趋势已然显现,未来航天领域将有更多的民间资本介入,私营航天企业的作用和贡献不容小视,且商业航天的味道越来越浓厚。当前我国的企事业单位也正处于二次创业和市场化转型的重要阶段,国外航天公司的运营模式是否能给予我们启示和借鉴?

第五,后航天飞机时代,各国航天业谋求国际化合作的趋势越发明显,在太空已经成为世界各经济强国、大国角逐战场的大背景下,谋求航天国际合作是加强各国在太空存在的有效措施。我国航天的发展根植于自力更生,在“屏蔽之门”尚未完全开放之前,如何开展太空合作,如何高效发展航天科技,如何更好地显示我国的太空存在,是一个值得考虑的问题。

通过对航天飞机退役3年来世界航天在天地往返运载器领域的活动分析,我们不难发现后航天飞机时代是可重复使用航天运载器蓬勃发展的时代,是商业航天运营模式蓬勃发展的时代,也是“多、快、好、省”大力发展航天科技的时代,世界各航天强国均加快了航天技术进步的步伐。科技的发展是永无止境的,正如在上世纪末,人们还很难想象移动通信终端在近10多年来所发生的翻天覆地的变化,进而影响了人们工作、生活及娱乐的方式。可以想见,终有一天人类也将进入可以搭乘“天梯”直达太空的时代,也可以像当今乘坐航班一样,乘坐空天飞机遨游太空。也许就在不久的将来,这些都会成为现实。

《中国航天》2015年第3期
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