我國近期試驗成功的新一代載人飛船是全麵升級的天地往返交通工具,可重複使用。事實上,目前世界上正在研製的5種載人新飛船都是瞄準可重複使用這個(ge) 目標去的。
那麽(me) ,這些新飛船為(wei) 了可重複使用都做了哪些努力?
防護是“重複使用”的關(guan) 鍵
目前世界上正在研製的載人飛船一共有5種,它們(men) 全都是瞄準可重複使用這個(ge) 目標而去的。這5種飛船分別是美國的獵戶座飛船、載人龍飛船和星際線飛船,俄羅斯的鷹飛船和中國的新一代飛船。
美國獵戶座飛船
美國載人龍飛船
美國星際線飛船
俄羅斯鷹飛船
中國新一代載人飛船
載人飛船要想做到可重複使用,需要討論兩(liang) 個(ge) 方麵的問題。
首先是飛船各種分係統能不能經受得住起飛和再入時的嚴(yan) 重衝(chong) 擊,特別是結構分係統會(hui) 不會(hui) 因為(wei) 反複飛行而存在“暗傷(shang) ”。哪怕一點小小的裂紋,也會(hui) 在撞擊空氣的那一瞬間釀成大禍。
第二個(ge) 方麵是飛船的熱防護係統的設計。到底是使用每次飛行都更換的燒蝕材料呢,還是使用可以反複用而無需更換的隔熱瓦呢?
當年的航天飛機就選擇了後一種技術路線,其外表麵布設的碳基複合材料隔熱瓦在100多次飛行中都保持了正常使用。雖然哥倫(lun) 比亞(ya) 號航天飛機正是因為(wei) 隔熱瓦被砸出一個(ge) 裂紋而失事,但這很大程度上不是隔熱瓦的錯,而是總體(ti) 設計的問題——美國宇航局不該把航天飛機和外置燃料罐設計成平齊的構型,以至於(yu) 頂部脫落的防熱泡沫磚可以砸到機翼。如果航天飛機是頂在燃料罐上方,並且被整流罩保護起來的話,應該就不會(hui) 出現這種問題。
航天飛機表麵的隔熱瓦
因為(wei) 這項技術在原理上是沒毛病的,所以美國空軍(jun) 在目前正在使用的X37B空天飛機上,也采用了和航天飛機一樣的多次使用隔熱瓦和防熱設計。不過由於(yu) X37B空天飛機是一種無人飛行器,而且隻需要從(cong) 低軌道返回地球,所以運用這種防熱設計的一大缺點是它每次返回都需要進行繁瑣的檢查、維護,並且還要更換損壞的隔熱瓦。
既然這麽(me) 麻煩,研究人員就開始考慮放棄可重複使用的隔熱瓦。這就是獵戶座飛船、鷹飛船和中國新一代飛船的熱防護方案,而且這3種星際飛船返回大氣層的速度更快、摩擦生熱更劇烈,用碳基隔熱瓦未必能承受住這麽(me) 高的熱衝(chong) 擊。就算人們(men) 能設計一種可重複使用的隔熱瓦,製造、使用和維護成本恐怕也非常高,可靠性也沒有經過驗證。因此,這3種飛船都采用了一次性使用的燒蝕材料熱防護罩。
不過大家也發現了,獵戶座飛船多少還是繼承了航天飛機的一些思想。比如它用970塊瓦狀的燒蝕材料構成了一個(ge) 覆蓋飛船外表麵的熱防護罩。這樣的設計對製造有利(如果在發射準備過程中發現有部分破損,隻要更換壞瓦即可,無需更換整個(ge) 防熱罩),但也帶來了安裝/拆卸過程繁瑣、耗時長等問題。
鷹飛船的熱防護係統細節尚未披露。中國新一代飛船則采用了新型材料。哈爾濱工業(ye) 大學在官網上說:“新一代載人飛船試驗船熱防護係統首次采用我校與(yu) 北京衛星製造廠有限公司聯合研發的新型超輕質低燒蝕防隔熱一體(ti) 化複合材料技術方案,與(yu) 傳(chuan) 統AVCOAT材料相比,整體(ti) 減重30%以上,防熱效率大幅提升,有效載荷明顯提高。熱防護係統承受住了再入返回過程中最高2000攝氏度以上的高溫燒蝕……”
新一代載人飛船返回艙的金屬結構與(yu) 防熱結構分開
載人龍飛船的熱防護係統就有點意思了。該飛船的熱防護係統並不是SpaceX公司自己研製出來的,而是早年間,一家叫馬丁·瑪麗(li) 埃塔的公司研製的碳/酚醛燒蝕材料,曾用在星塵號小行星探測器上。美國宇航局阿姆斯中心倒貼了不少研製費,把這種技術送給了SpaceX公司。貨運龍飛船的實際飛行證明,這種材料和整個(ge) 防熱方案的表現不錯。
波音公司幾乎很少討論星際線飛船的防熱設計問題,實際上對此感興(xing) 趣的人也不是很多。其中的理由很簡單,星際線飛船幾乎就是照著阿波羅飛船的外形研製的。而且阿波羅是星際飛船,作為(wei) 低軌道飛船的星際線飛船的熱防護需求肯定還是要比阿波羅飛船低得多,那麽(me) 直接沿用阿波羅方案就足夠了。
“重複”對星際飛船要求高
從(cong) 上述5種飛船的情況來看,我們(men) 可以把它們(men) 分成星際飛船與(yu) 低軌道飛船;也可以把它們(men) 分成“國家隊”飛船和商業(ye) 飛船。
先按上麵所說的星際飛船與(yu) 低軌道飛船來分類。
在這個(ge) 門類當中,獵戶座飛船、鷹飛船和中國新一代飛船要被歸入星際飛船之列,而載人龍飛船和星際線飛船則無緣進入。那麽(me) ,這兩(liang) 類飛船有什麽(me) 區別呢?
美國獵戶座載人飛船返回艙
星際飛船就是要離開地球引力場,前往另外一個(ge) 星球,支持人類在那裏進行的載人探索活動,然後再把航天員從(cong) 那顆星球的引力場帶回地球,再入大氣層,安全地回到地麵。
大家都知道,宇宙飛行有第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。隻要能夠滿足第一宇宙速度,飛船就可以把人類送進地球的低軌道,但是要想把航天員送到更高的軌道上,甚至是送到其他的星球,哪怕是僅(jin) 僅(jin) 送到月球而已,也要達到第二宇宙速度。
這就帶來了兩(liang) 個(ge) 問題。首先,離開地球引力場和地球電離層的保護之後,航天員所麵臨(lin) 的宇宙輻射風險就更嚴(yan) 重了。所以星際飛船必須為(wei) 航天員提供更好的輻射防護,要比我們(men) 所熟悉的聯盟飛船和神舟飛船更強。
另外,從(cong) 外星球返回地球的時候,根據能量守恒原則,它還是會(hui) 以第二宇宙速度接觸地球大氣層,這就意味著其要麵臨(lin) 更劇烈的氣動加熱。雖然第二宇宙速度在數值上隻比第一宇宙速度多了3.3公裏/秒,但是能量和速度的平方成正比,這也就意味著,如果考慮各質量相同的物體(ti) ,當它以第二宇宙速度再入時,能量要比以第一宇宙速度再入多了1倍。這就要求星際飛船的熱防護能力要比低軌道飛船強得多。
上麵提到對於(yu) 星際飛船的要求帶來了很高的研製難度,這也就決(jue) 定了第二種分類的情況和第一種分類完全一樣。導致兩(liang) 種分類完全重合的情況也很容易理解,星際飛船的研製難度大、投資高、周期長,沒有國家支持是不可能研製出來的。私營公司即使得到國家的有限資助,也不可能承擔如此之高的綜合成本。事實上,私營公司能夠把低軌道飛船造出來就很不容易了。
目前,美國的獵戶座飛船已經進行了實驗飛行和逃逸救生實驗。載人龍飛船不但進行了成功的飛行,而且還在全世界麵前演練了一次成功的逃逸救生。波音公司的星際線飛船首次飛行雖然慘遭失敗,但畢竟暴露出了問題,而且飛船的大係統經受住了考驗。中國的新一代飛船剛剛實施了一次成功的無人飛行。據悉,該飛船的主要分係統表現出色,還進行了3D打印等空間科學實驗,載人飛行的前景是非常樂(le) 觀的。
載人龍飛船逃逸試驗
值得一提的是,此前,俄羅斯的鷹飛船為(wei) 人們(men) 展示了一個(ge) 具有較高可行性的方案,對此大家給予了高度的關(guan) 注。可由於(yu) 種種原因,鷹飛船距離成功發射應該還要有很長的一段路要走。
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