發展重復使用航天運輸系統究竟有多難？

重復使用航天運輸系統是指可多次往返于地面與空間軌道、多次重復使用的航天運輸系統，具有“自由進出空間、按需返回地面、多次重復使用”的典型特征。重復使用技術是航天運輸發展的前沿方向，是實現安全、可靠、快速、自由、低成本進出空間的有效途徑，具有滿足未來空間開發、降低發射成本等重要意義，是我國由航天大國邁向航天強國的重要標志之一。

早在20 世紀五六十年代，人類就已經開始了對于重復使用航天運輸系統相關技術的探索。經過幾十年發展，主要航天大國和地區已擁有不同程度的重復使用技術儲備，形成了多種典型的重復使用運載器方案。目前，各國在發展重復使用航天運輸系統的策略上采取更加務實和慎重的態度，近期多以兩級入軌系統為發展重點，同時積極探索單級入軌方案。

重復使用航天運輸系統有多種不同的分類方式：根據系統的級數，可分為多級入軌重復使用運載器和單級入軌重復使用運載器；根據起降方式，可分為垂直起飛水平著陸重復使用運載器、垂直起降重復使用運載器和水平起降重復使用運載器；根據所采用的動力形式，可分為火箭動力重復使用運載器和組合動力重復使用運載器等。

其中，火箭發動機技術已經相對成熟，是當前工程應用的首選推進方式。組合動力則是未來重要的發展方向，正在圍繞組合循環發動機技術開展關鍵技術攻關和試驗驗證?；鸺齽恿杉壢胲壷貜褪褂煤教爝\輸系統的一級，是目前國內外重復使用技術關注的焦點。

對于火箭動力兩級入軌重復使用航天運輸系統的一級，國內外主要按一次性火箭構型和升力式構型兩種技術途徑開展研究工作。

基于一次性火箭構型的重復使用運載火箭在國外備受關注，并得到持續發展，主要包括垂直返回型和傘降回收型兩類。垂直返回型的典型案例是美國SpaceX公司的獵鷹-9運載火箭。截至目前，獵鷹-9火箭已經完成了80余次陸地和海上垂直著陸回收，驗證了垂直起降相關關鍵技術，在商業發射市場獲得了應用。

今年7月20日，美國亞馬遜公司創始人貝索斯乘坐自家旗下藍色起源公司的“新謝潑德”火箭和飛船進入“太空”，火箭完成垂直著陸，飛船完成傘降著陸。

對于我國而言，傳統運載火箭可以通過精確回收技術解決航區安全問題；未來新型運載火箭則可以采用垂直起降技術實現子級/助推級的回收和復用。

升力式構型的火箭動力重復使用運載器又可分為亞軌道級和軌道級。美國航天飛機軌道器是典型的軌道級重復使用運載器。進入21世紀，美國提出了火箭動力、自主垂直起飛、水平著陸的亞軌道運輸飛行器技術驗證機XS-1計劃，重點驗證低成本、快速周轉快速發射等相關技術。XS-1項目體現出了明顯的繼承性、兼容性和互補性，2020年項目的中止兼具形勢任務的迫切性和技術的復雜性，并不影響美國帶翼重復使用飛行器研制和低成本發射。

7月11日，英國維珍銀河公司研制的“太空船二號”亞軌道飛行器，由母機“白騎士二號”帶至高空投放，隨即啟動火箭發動機，飛升到距地面約86千米高空，再入返回后水平著陸。

我國亞軌道重復使用運載器飛行演示驗證項目于7月16日在酒泉衛星發射中心準時點火起飛，平穩水平著陸在阿拉善右旗機場，首飛取得圓滿成功。通過優先發展亞軌道重復使用運載器，可先期構建重復使用進出空間基礎平臺。

重復使用運載火箭主要涉及傘降回收系統設計、垂直返回高精度控制等技術難點；亞軌道重復使用運載器主要涉及氣動力熱、飛行控制、重復使用結構、重復使用評估等技術難點。

該類重復使用運載火箭對已有構型運載火箭總體設計帶來的變化小。在傘降回收方面，子級返回段利用降落傘減速，最終實現回收，技術成熟度最高，運載能力損失小。在垂直回收方面，子級返回段利用主發動機重啟反推減速，利用高精度控制手段實施精確著陸回收，具有一定技術難度；同時，為滿足垂直返回發動機工作需求，需預留推進劑，對運載能力影響較大。

（1）傘降回收大型群傘和大型緩沖氣囊技術。主傘系由多具主傘組成，每具傘名義面積超過上千平方米。群傘系統存在開傘不同步現象，導致開傘載荷分配存在很大不均勻性。陸上著陸可采用緩沖氣囊進行著陸緩沖，每個緩沖氣囊充滿后體積可達幾十立方米，決定著一子級著陸緩沖性能、回收系統的總質量和總體積，同時也存在氣囊本身材料強度的問題。

（2）垂直返回高精度控制技術。垂直返回高精度控制技術確保火箭子級以穩定的姿態，按照預定的軌跡飛回預定降落場，涉及返回段任務規劃、彈道、姿控以及導航制導多個專業，具有邊界約束苛刻、落地精度要求高等特點。

（3）垂直返回發動機大范圍推力調節技術?；鸺蛹壴诖怪狈祷剡^程中，由于其推進劑已基本耗盡，子級重量較低，需發動機具備大范圍推力調節能力；相比于現有固定推力或小范圍變推力發動機來說，調節元件多，關鍵組件工作范圍廣，調節控制規律復雜。

對于升力式構型的火箭動力重復使用運載器，近期發展重點是兩級入軌方案，即亞軌道重復使用運載器作為一級，與一次性運載火箭二級結合，形成快速、低成本進入空間能力。與單級入軌相比，兩級入軌方式能夠在一級工作結束后拋掉無用重量，運載效率明顯提高。

亞軌道重復使用運載器兼具航空器和航天器技術特點，以液氧烴類火箭發動機作為主動力，采用升力式構型，垂直起飛、水平著陸，能夠通過自動進場著陸方式實現準確著陸和完全重復使用。與航天飛機軌道器或其他軌道級飛行器相比，亞軌道重復使用運載器再入返回速度大幅降低，再入返回時的熱環境大幅改善，主發動機工作時間可大幅縮短，更有可能實現低成本目標，但也存在諸多技術難點。

（1）天地往返氣動力熱技術：運載器在大空域、寬速域飛行，航跡復雜，機身布局通常采用翼身融合體或翼身組合體，控制舵面布局需要考慮多種方式。對于此類運載器，提高飛行器升阻比的要求往往與降低熱流密度的要求相互矛盾。同時，運載器還需要兼顧高速再入返回與低速進場著陸、穩定性/操縱性等難題，并且對于防熱、控制等都提出了較高的要求。

（2）天地往返飛行控制技術：由于運載器采用升力式構型，其俯仰通道、滾轉通道、偏航通道三者存在強耦合關系，飛行全程面臨復雜力學環境、不確定性控制等多約束條件。在上升段，風干擾明顯、起飛漂移量大。在返回段，運載器偏航和滾轉耦合嚴重。因此，如何實現全程穩定控制是運載器面臨的一大技術挑戰。

（3）輕質高強結構技術：為進一步提高運載能力，降低結構系數是重復使用、提高效率需要解決的難題之一。因此，需要開展輕質高強度結構技術研究，以顯著降低運載器結構系數?？梢詮膬灮A箱結構和優化主承力結構兩個方面實現，可采用復合材料。

（4）重復使用評估技術：為實現低成本、高可靠重復使用航天運輸，研究機構需要構建適用于重復使用運載器的設計準則與標準、評價體系，具備在兩次飛行期間準確判斷運載器是否具備再次可靠完成飛行任務的能力。對于熱防護材料以及輕質結構的重復使用，需要通過無損檢測等手段對不同部位、不同結構的材料進行有效檢測，評價下一次飛行的結構材料可靠性水平。對于發動機的重復使用，重點需要明確快速檢測評估與維修維護方法。

從發展形勢上看，重復使用航天運輸系統的發展將以火箭動力亞軌道重復使用運載器起步，遵循從部分重復使用到完全重復使用、從火箭動力到組合動力、從多級入軌到單級入軌的發展規律，分步驗證，梯次形成能力。

筆者認為，亞軌道重復使用運載器技術驗證試驗的成功完成，打牢了技術基礎，降低了后續升力式火箭動力重復使用飛行試驗風險，減小大尺度重復使用運載器研制技術跨越，為重復使用航天運輸系統發展奠定技術基礎。

首先，發展以亞軌道重復使用運載器為代表的重復使用技術，可大幅降低進入空間的成本。當前，航天運輸正在由“解決如何進入空間”問題轉向“解決如何低成本進入空間”問題。重復使用技術是解決這一問題的有效途徑，具有將成本降低一個數量級的巨大潛力，有力提升我國航天發射的國際競爭力。

第二，發展重復使用技術，能從根本上解決航區安全問題，發展綠色航天。運載火箭的航落區安全已成為國際社會普遍關注的問題，當前我國內陸發射子級殘骸散落面積達2100平方公里，區內人口接近30萬，海南發射落區周邊海域環境復雜。亞軌道重復使用運載器通過實現返回原發射場、水平著陸回收，能夠有效消除航天發射中存在的安全隱患。

第三，發展重復使用技術，可實現快速和高頻次進出空間。確保安全、可靠、快速、低成本進出空間，是大規模開發利用空間資源的前提。亞軌道重復使用運載器通過實現低成本、快速周轉發射進出空間，有力支撐未來規模化發射、應急發射等高密度發射活動。

第四，發展重復使用技術，可引領科學技術創新，推進航天技術自主可控，帶動航天產業變革與國民經濟建設。實現航天運輸由一次性向重復使用的重大跨越，將有力帶動先進空天動力、耐高溫輕質材料、先進制造與檢測等基礎學科進入世界先進水平，推動航天技術自主可控，實現我國航天運輸技術由跟跑到領跑的轉變，帶動我國科技創新能力的整體提升。

第五，發展重復使用技術，將大幅推動空間產業革命性變化。亞軌道重復使用運載器未來可應用于亞軌道高速旅客運輸、快速貨物運輸、太空觀光旅游等，還能以此為基礎建設舒適的航天港，實現太空度假，以及在失重、真空、無菌環境下進行產品加工、生物制藥等，極大地改變人類的生產生活方式。

來源：中國航天報