中国可重复使用飞行器稳步发展,计划25年后1小时全球抵达

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  一旦“航班化”航天运输系统成熟,普通人上太空、临近空间旅游、全球1小时抵达将不再是遥不可及的梦想。
可重复使用航天器及运输系统则是让普通人实现上述目标的基础。在中国首个可重复使用试验航天器成功返回着陆的背景下,空天飞行器发展成为2020年中国航天大会热议话题之一。
在大会上,中国科学院院士、中国航天科技集团有限公司科技委主任包为民作了《航班化航天运输系统的发展与思考》的报告。包为民表示,我国计划在2045年实现“航班化”航天运输1小时全球抵达。

  大会现场 本文图片均为澎湃新闻高级记者 谢瑞强 图

  而中国航天科工集团有限公司三院院长则作了《迈向空天时代——空天飞行器发展展望》的报告,从创新的逻辑、国际研发格局、空天飞行面临重大问题等,对空天飞行器发动机、材料、可重复使用技术等方向性问题进行探讨,丰富了在场参会人员对可重复使用航天运输系统的认识。
1小时全球到达预计在2045年实现
可重复使用航天运输系统是可多次往返于地面与空间轨道、对此重复使用的航天运输系统,具有“自由进出空间、按需返回地面、多次可重复使用”的典型特征。
现阶段的无论是一次性运载火箭以及可部分重复使用(一子级)的火箭,还是可重复使用的航天飞机,都还远未达到“航班化”运输系统的要求,发射准备时间长,价格也相对高昂,尤其是航天飞机,并没有达到美国当初设计目标,每次发射费用非常高。航天飞机研制生产费用花费约100亿美元,一次飞行费用约为5亿美元,发射准备时间数个月。
航天运输达到“航班化”必须具备三个条件:一是“发车”数量远比以前多,准备时间应大为缩短;二是形成固定时间和周期,重复往返;三是价格大幅下降,在大部分普通人可承受范围内。“采用‘航班化’运输模式具有高可靠、低成本、重复使用、智能化、模块化、产业规模化等基本特征。”包为民说。
包为民表示,我国计划在全面提升新一代运载火箭性能水平基础上,计划到2045年实现1小时全球抵达、地面与轨道间以及轨道与轨道间的“航班化”航天运输。包为民透露实现这一目标将分阶段推进:2025年前为起步建设阶段,主要任务是突破关键技术,形成试验使用系统;2035年实现目标初步建成,总飞行数百次、总货运千吨级、总客运千人次;到2045年目标全面建成,实现按需发射,每年总飞行次数达到千次量级,总货运万吨级,总客运万人次。
对于在技术途径上如何具体实现这一目标。包为民介绍说主要包括三种:一是可重复使用运载火箭+高超声速技术;二是升力式可重复使用运载器+高超声速技术;三是先进组合动力技术。这三种技术途径从相对简单到相对困难。

  大会现场

  中国工程院院士、运载火箭专家龙乐豪也参加了此次航天大会。在17日福建省全国航天特色学校建设工程启动仪式暨工程建设研讨会上,龙乐豪表示,未来我国将研制可重复使用飞行器、长征九号重型运载火箭、空间太阳能电站等。
龙乐豪此前撰文指出,纵观重复使用航天运输技术的国内外发展情况,并基于对各类技术发展的分析研判,提出适合我国具体国情的重复使用航天运输系统战略发展思路:从部分重复使用到完全重复使用、从火箭动力到组合动力、从两级入轨到单级入轨。按照火箭构型重复使用、升力式火箭动力重复使用、组合动力重复使用三条技术途径同步开展研究,梯次形成能力。
“航班化”航天系统稳步发展
纵观人类交通发展历史,每一次交通运输方式的变革都会带来人类生活方式和生活水平的革命。比如飞机和高铁的商业化运营,不仅带来人民出行方式的改变,还带来经济、文化、生活和观念上的改变,并深刻影响社会的各个方面。
随着人类文明的进步和生活水平的提高,对交通运输的速度提出了更高要求。“一小时全球抵达”已经提上日程,“航班化”航天运输系统的需求正在逐渐增加。巨大诱惑背后是技术难度和复杂度的成倍提升。
包为民列举了关键技术及基础问题,关键技术群主要涵盖动力与能源、控制、结构、防热、材料与制造等5个专业30项关键技术。基础问题群包括总体、动力、结构、材料、热防护等方面机理有待研究。“因为‘航班化’航天运输系统的飞行环境复杂、力热耦合约束强、载人飞行可靠性安全性要求高。”包为民说。

  大会现场

  即使技术难度异常复杂,各航天大国或航天组织依然组织了大量研究、试验工作,试图在这一领域占领制高点。比如美国的X-37B轨道试验飞行器、XS-1运输器等项目;英国“云霄塔”空天飞机计划;印度RLV-TD项目。
令人欣喜的是,我国也在这一领域展开研究试验,并取得了稳步发展。
9月4日,据新华社报道,我国在酒泉卫星发射中心成功发射的可重复使用航天器,在轨飞行2天后,于9月6日成功返回预定着陆场。
报道指出,这次试验的圆满成功,标志着我国可重复使用航天器技术研究取得重要突破,后续可为和平利用太空提供更加便捷、廉价的往返方式。
“这是继运载火箭发射成功后,我国航天运输系统发展的又一个里程碑,表明我国已经初步掌握了世界上极少数国家掌握的航天技术,意义重大。”一名参加航天大会的专家表示。
在可重复使用火箭方面,2018年10月29日,中国航天科技集团有限公司一院12所开展了运载火箭垂直回收制导控制技术验证试验,飞行取得成功。这是中国在垂直起降可重复使用火箭研制上的重要一步。
2019年7月26日长征二号丙运载火箭在西昌卫星发射中心起飞,以“一箭三星”的方式,将遥感三十号05组三颗卫星送入太空。这次看似寻常的发射任务,承担了一场不寻常的技术试验:火箭的一子级落点实现了精确控制。这一技术突破不仅有助于保障落区居民安全,也是未来中国火箭可重复使用的诸多核心技术之一。
除了中国航天科技集团,另一家航天企业中国航天科工集团也提出了航天运输项目。
近年来,航天科工开展了“飞云、快云、行云、虹云、腾云”航天工程,与“高速飞行列车”工程一起,形成“五云一车”的商业航天新格局。
其中,最为关键的“腾云工程”属于空天往返飞行项目,将突破以组合动力、机体/推进一体化技术为代表的核心技术,建成空天飞行器技术综合研究体系。其中以研制空天往返飞行器为主。计划在2020年前完成联合发动机的技术验证飞行试验,2025年完成关键技术的攻关,2030年前实现空天飞机的技术验证。
在2017年的全球航天探索大会上,中国航天科工集团展示“腾云工程”,其主要目标是:在2030年之前,设计并制造完成中国首架可水平起飞、水平着陆并且可以多次重复使用的空天往返飞行器。

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