5月8日，我國發(fā)射的可重復(fù)使用試驗(yàn)航天器在軌飛行276天后，成功返回預(yù)定著陸場。此次試驗(yàn)的圓滿成功，標(biāo)志著我國可重復(fù)使用航天器技術(shù)研究取得重要突破，后續(xù)可為和平利用太空提供更加便捷、廉價(jià)的往返方式。

　　航天器可重復(fù)使用技術(shù)是航天領(lǐng)域的創(chuàng)新高地，也是建設(shè)航天強(qiáng)國的重要一步。雖然官方并未對外披露試驗(yàn)細(xì)節(jié)，但此次成果無疑是我國航天事業(yè)的又一重大進(jìn)展。今天我們就來了解一下什么是可重復(fù)使用航天器，及其發(fā)展現(xiàn)狀和深遠(yuǎn)意義。

　　為何首先探索可回收火箭

　　可重復(fù)使用航天器指可以重復(fù)使用的、能夠迅速穿越大氣層，自由往返于地球表面與太空之間，運(yùn)送乘員和有效載荷的航天器。它們可以是載人飛船、貨運(yùn)飛船，可以是推進(jìn)飛行器、行星著陸器，也可以是航天(空天)飛機(jī)、空間運(yùn)載器等。

　　大家知道，任何航天器都需要運(yùn)載火箭幫助其升空，或在返回時(shí)需要火箭的幫助。目前普遍采用的一次性火箭攜帶衛(wèi)星或飛船升空時(shí)，會(huì)在飛行過程中拋下一些部件，如助推火箭、第一級火箭(箭體)、逃逸塔、整流罩、第二級火箭(箭體)、第三級火箭(箭體)，這些部件統(tǒng)稱為殘骸，不能再使用。而如果能回收第一級火箭，甚至是第二級火箭，就可能實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

　　火箭能順利返回地球軟著陸，并重復(fù)使用，對太空探索會(huì)產(chǎn)生重大影響，至少將大幅縮減太空探索、太空旅行的成本。其實(shí)，讓可回收火箭在陸地或海面平臺(tái)上著陸的想法幾十年前就已有科學(xué)家提出，但在2014年前從未有過嘗試。美國的太空探索技術(shù)公司(SpaceX)是第一個(gè)進(jìn)行這種試驗(yàn)的探索者，曾兩次對“獵鷹9號”第一級火箭開展回收試驗(yàn)。2014年4月19日3時(shí)25分，太空探索技術(shù)公司發(fā)射“獵鷹9號”運(yùn)載火箭，幾分鐘后利用火箭助推將第一級火箭降落在大西洋里；另一次試驗(yàn)也讓第一級火箭成功在海面垂直平穩(wěn)落水。

　　太空探索技術(shù)公司第一級火箭回收的原理是，運(yùn)載火箭發(fā)射升空3分鐘內(nèi)，等第一級火箭關(guān)機(jī)并與上一級火箭分離后不久，直徑12英尺(約3.66米)的第一級火箭會(huì)重新點(diǎn)燃若干火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，用于減速制動(dòng)；幾分鐘后，第一級火箭在距離水面不高的地方再次點(diǎn)燃一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，使火箭以較慢的速度降落到大西洋中。

　　在火箭可以實(shí)現(xiàn)落入海中的回收方式后，太空探索技術(shù)公司設(shè)計(jì)了第一級火箭在陸地上回收的裝置，即第一級火箭配備4條由碳纖維和鋁蜂窩板制成的著陸支架。在第一級火箭下落的過程中，這個(gè)高25英尺(約7.62米)的支架向外伸出，以便保證其軟著陸。經(jīng)過多次試驗(yàn)，2015年12月，“獵鷹9號”的第一級火箭首次成功降落在陸地回收場上，實(shí)現(xiàn)了歷史突破。后在2016年4月，“獵鷹9-FT”又完成了在海上平臺(tái)的火箭回收。

　　2017年3月，太空探索技術(shù)公司將一枚回收的一級火箭用于再次發(fā)射，這意味著，人類真正實(shí)現(xiàn)了火箭的回收和重復(fù)使用。之前，全世界的運(yùn)載火箭都是一次性航天工具。

　　重復(fù)使用不僅節(jié)約還更安全

　　無論是研發(fā)和使用可回收火箭，還是航天器，其意義不只是降低成本，還有利于保障地面人員及財(cái)產(chǎn)的安全。火箭發(fā)射時(shí)被拋下的部件中，除了第三級火箭之外，其他部件會(huì)因?yàn)楦叨炔蛔恪o法完全燃燒而成為殘骸降落到地面或水面。

　　為此，火箭發(fā)射既需要精確的火箭彈道(彈道是根據(jù)衛(wèi)星軌道理論、發(fā)射場坐標(biāo)、火箭運(yùn)載能力等進(jìn)行精密設(shè)計(jì)的，以便把衛(wèi)星送上適宜的軌道)，也需要設(shè)計(jì)好箭下點(diǎn)(火箭飛行時(shí)在地面的投影點(diǎn))，箭下點(diǎn)經(jīng)過的區(qū)域即殘骸墜落區(qū)，要盡量保證地面安全。過往經(jīng)驗(yàn)表明，盡管有精密的設(shè)計(jì)，且殘骸墜落區(qū)相對固定，仍然不能完全避免會(huì)有火箭殘骸落入民居損壞財(cái)物，甚至還會(huì)有傷人事件發(fā)生。例如在1997年1月，美國德爾塔2火箭的第一級火箭在空中解體后的殘骸墜落在俄克拉荷馬州，險(xiǎn)些擊中有人居住的農(nóng)舍。

　　可回收火箭還具有環(huán)保的意義。早在2004年6月22日，美國環(huán)保組織發(fā)布的一項(xiàng)研究報(bào)告指出，由于美國不斷發(fā)射火箭，環(huán)境受到火箭燃料、導(dǎo)彈助推器燃料等物質(zhì)的長期污染，大量有毒的高氯酸鹽殘存在土壤和水流中(高氯酸鹽常被用作火箭發(fā)射的燃料)。在美國環(huán)保組織抽查的32份加州牛奶樣品中，有31份都含有高氯酸鹽，且超過了安全標(biāo)準(zhǔn)。

　　為了避免這種風(fēng)險(xiǎn)，一方面可以通過使用不含高氯酸鹽的新燃料來解決，另一方面，如果能回收第一級甚至第二級火箭，就能盡量減輕對環(huán)境的影響。

　　當(dāng)然，可回收火箭的成功最直接的益處就是，能大大降低太空探索的成本，讓人類更容易進(jìn)入太空。英國金斯頓大學(xué)火箭實(shí)驗(yàn)室主管亞當(dāng)·貝克博士表示，在當(dāng)前情況下，太空探索極其昂貴。如果能夠把火箭發(fā)射費(fèi)用成功降低50%以上，更多的太空應(yīng)用將會(huì)變得可能，更多的衛(wèi)星和飛船可以進(jìn)入太空，人們也可以利用太空資源向地面提供更多的服務(wù)，比如利用空間太陽能技術(shù)。另外，全世界會(huì)有更多宇航員有機(jī)會(huì)進(jìn)入太空，可以飛往月球、火星等其他星球，或許在未來還能實(shí)現(xiàn)人類移民火星的夢想。

　　現(xiàn)在，太空探索技術(shù)公司給出了一個(gè)信號。今年4月20日，該公司的星艦(星際飛船)發(fā)射失敗，但這次失敗的發(fā)射完成了第100次一級火箭的回收。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，星艦的一級和二級結(jié)構(gòu)(第一級是火箭助推器Super Heavy，第二級是火箭上的星艦Starship)都可以回收重復(fù)使用，星艦的超重推進(jìn)器可重復(fù)使用1000次、星艦可重復(fù)使用100次，同時(shí)一艘星艦單日最多發(fā)射3次，發(fā)射成本可以降低到200萬美元甚至100萬美元。如果這個(gè)目標(biāo)能夠全部實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于把一千克物品送上太空只需幾十美元，把一個(gè)人送上太空只要數(shù)千美元。

　　有望實(shí)現(xiàn)普通人遨游太空

　　可重復(fù)使用航天器如果研制成功并商用，就有可能讓普通人的太空旅行之夢變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。首先，可重復(fù)使用航天器的價(jià)格有望變得像民航班機(jī)那樣便宜，令多數(shù)人負(fù)擔(dān)得起；其次，離開地球去太空十分吸引人，哪怕只是短暫的幾個(gè)小時(shí)或者幾天時(shí)間。至于通過可重復(fù)使用航天器進(jìn)行太空探索和研究，則具有更大的科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

　　當(dāng)然，太空旅行需要良好的身體素質(zhì)，現(xiàn)在已經(jīng)有人做出榜樣，成為太空旅游的先驅(qū)。2021年7月20日，維珍集團(tuán)創(chuàng)始人理查德·布蘭森，與另外5名人員(包括2名駕駛員和3名乘客)首次乘坐自家公司(維珍銀河)的太空船飛到太空邊緣(距地球表面83.6千米，即美國航天局等機(jī)構(gòu)認(rèn)定的地球與太空分界線)，于北京時(shí)間23時(shí)44分左右安全返回地面，成為第一批太空游的旅客。這種形式的太空游似乎更容易實(shí)現(xiàn)人們遨游太空的夢想。

　　前面提到，可重復(fù)使用航天器可由火箭或其他飛行器搭載升空到一定高度，再由航天器通過自身動(dòng)力在太空飛行。按飛行高度來分，包括亞軌道飛行器(在高度上抵達(dá)臨近空間頂層，但速度尚不足以完成繞地球軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的飛行器)和軌道飛行器(比如航天飛機(jī)，由火箭助力升空后，再飛到太空，然后返回地面)。

　　維珍銀河公司研制的“太空船二號”屬于亞軌道飛行器，是由母機(jī)“白騎士二號”帶至1.4千米高空投放，隨后“太空船二號”啟動(dòng)自身火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，飛升到距地面約86千米的高空。20世紀(jì)著名航天工程學(xué)家馮·卡門根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算出離地面83.6千米以上才算是太空，但為了方便記憶和計(jì)算，建議把這一高度定為100千米，即卡門線。按此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的話，布蘭森等人的太空游并非真正意義上的太空游。不過，美國航天局的標(biāo)準(zhǔn)是只要超過83.6千米就算是進(jìn)入太空，布蘭森的太空游被視為亞軌道太空旅游，或太空邊緣游。

　　還有一種方式可以重復(fù)使用航天器：將運(yùn)載器動(dòng)力系統(tǒng)按火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來設(shè)計(jì)運(yùn)作，起飛階段就像火箭發(fā)射一樣，但因初速度沒有達(dá)到第一宇宙速度，所以不能環(huán)繞地球飛行。運(yùn)載器可爬升到距地球100多千米的亞軌道上，停留約10分鐘后，再依靠慣性像飛機(jī)一樣返回地球，水平著陸。整個(gè)過程大約30分鐘，全程都按照預(yù)定程序，全自動(dòng)飛行。目前，這種航天器也尚在試驗(yàn)階段。

　　探索和平利用太空的往返方式

　　最早的可重復(fù)使用航天器是航天飛機(jī)，技術(shù)相對成熟。它集火箭、衛(wèi)星和飛機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)于一身，能像火箭那樣垂直發(fā)射進(jìn)入空間軌道，又能像衛(wèi)星那樣在太空軌道飛行，還能像飛機(jī)那樣再入大氣層滑翔著陸，且其主要機(jī)械在返回地面后經(jīng)過整修還可以繼續(xù)使用。

　　美國是最早研發(fā)可重復(fù)使用航天飛機(jī)的國家。1981年4月12日，美國的哥倫比亞號航天飛機(jī)成功首飛和返回。此后，美國航天局制造了挑戰(zhàn)者號、發(fā)現(xiàn)號、亞特蘭蒂斯號和奮進(jìn)號4架航天飛機(jī)，加上哥倫比亞號共5架。不幸的是，挑戰(zhàn)者號和哥倫比亞號分別在1986年1月28日和2003年2月1日執(zhí)行太空探索任務(wù)時(shí)發(fā)生爆炸，有14名宇航員喪生。

　　蘇聯(lián)在1986年研發(fā)了第一架暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)，并于1988年進(jìn)行了無人自動(dòng)首航試驗(yàn)，取得成功。原本這款航天飛機(jī)決定在1993年進(jìn)行第二次試飛，但最終未能成行。

　　隨著近年來太空探索的深入，安全系數(shù)低、發(fā)射成本高，且主要服務(wù)于近地軌道的航天飛機(jī)也暫告一段落。2011年7月21日，美國在亞特蘭蒂斯號執(zhí)行最后一次任務(wù)后決定永久停止使用航天飛機(jī)。

　　如今，隨著美國X-37B軌道試驗(yàn)飛行器的連續(xù)飛行試驗(yàn)成功，其先進(jìn)性能引起了世界各國的極大關(guān)注，甚至被視為新型航天飛機(jī)，即現(xiàn)在稱呼的“空天飛機(jī)”。空天飛機(jī)是航空航天飛機(jī)的簡稱，是既能航空又能航天的新型飛行器，有望把空間開發(fā)推向新的階段。現(xiàn)在世界上很多國家都在研究這種集飛行器、太空運(yùn)載工具及航天器于一身的航天運(yùn)輸系統(tǒng)，最重要的是它可以作為載人航天器重復(fù)使用。按照理念，空天飛機(jī)同時(shí)具有飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可以像飛機(jī)一樣從機(jī)場跑道起飛，以高超音速直接進(jìn)入太空，返回地球時(shí)也可以像飛機(jī)一樣在機(jī)場跑道降落，成為自由往返天地之間可重復(fù)使用的航天飛行器。

　　回顧整個(gè)航天史，高昂的航天發(fā)射成本是限制航天事業(yè)發(fā)展的主要因素之一，因此，科學(xué)家一直在向可重復(fù)使用航天器的目標(biāo)邁進(jìn)。

　　2020年9月4日，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征二號F運(yùn)載火箭發(fā)射一個(gè)可重復(fù)使用試驗(yàn)航天器，在軌運(yùn)行一段時(shí)間后成功返回預(yù)定著陸場；2022年8月5日，再次由長征二號F運(yùn)載火箭發(fā)射一個(gè)可重復(fù)使用試驗(yàn)航天器，并成功返回。今年5月8日，我國又一個(gè)可重復(fù)使用試驗(yàn)航天器成功著陸，與之前不同的是，該航天器在軌飛行了276天，取得了重大突破。

　　當(dāng)前，世界上主要航天大國和地區(qū)已擁有不同程度的重復(fù)使用技術(shù)儲(chǔ)備，形成了多種重復(fù)使用運(yùn)載器方案。我國推動(dòng)的空天運(yùn)輸航天器項(xiàng)目，如文章開頭所說，意在為和平利用太空提供更加便捷、廉價(jià)的往返方式。未來，我們將可實(shí)現(xiàn)亞軌道和地球軌道的太空旅游，以及人與貨物的太空高效運(yùn)輸。

　　張?zhí)锟?來源：北京日報(bào))