可重复使用航天器是指可以重复使用的、能够迅速穿越大气层,自由往返于地球表面与太空之间,运送乘员和有效载荷;也可以指较长时间在轨停留和机动、完成各种任务的航天器,包括载人飞船、货运飞船、推进飞行器、行星着陆器、航天飞机等。 [1] 
2020年9月4日中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。这次试验的圆满成功,标志着中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。 [2] 
2022年8月5日,中国在酒泉卫星发射中心,运用长征二号F运载火箭,成功发射一型可重复使用的试验航天器。 [12] 
中文名
中国可重复使用试验航天器
外文名
Experimental reusable spacecraft
首发时间
2020-09-04
领    域
航空航天

中国可重复使用试验航天器介绍

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2020年9月4日,我国在酒泉卫星发射中心成功发射可重复使用航天器,在轨飞行2天后,于9月6日成功返回预定着陆场。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。 [2] 

中国可重复使用试验航天器优点

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载人航天任务主要包括近地轨道空间站任务和载人登月、月球基地以及火星基地等载人深空探测任务。随着载人航天活动规模的扩大,人类在空间居住与生存的时间越来越长,承担人员与货物运输的航天器的发射频次也越来越高。而高昂的成本是制约大规模载人航天任务发展的主要因素,尤其是随着商业资本进入载人航天领域,航天器的低成本运营已成为未来载人航天可持续健康发展的必然要求。从国内外新一代可重复使用载人飞船技术的发展来看,发展可重复使用航天器技术是降低载人航天任务成本的主要手段之一。 [1] 

中国可重复使用试验航天器关键技术

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中国可重复使用试验航天器航天运输系统构建

复使用航天运输系统总体来看可分为三种技术途径:一是传统运载火箭构型重复使用, 一般包括运载火箭助推/子级回收和垂直起降运载火箭;二是火箭动力重复使用,如升力式构型运载器等;三是组合动力重复使用,如火箭基组合循环、涡轮基组合循环发动机、复合预冷等。我国已经在上述三种重复使用技术的发展路线上同步推进并形成了梯次能力。 [3] 
美国基斯特勒宇航公司(Kistler)的K-1、空间探索技术公司(SpaceX)的Falcon9火箭先后开始研制基于多级入轨的完全可重复使用运载火箭。
K-1是一种完全重复使用的两级运载火箭,分别为助推级运载器平台和轨道级运载器。助推级飞行至41.2km的高度时与轨道级分离并返回发射场,通过降落伞和气囊完成着陆。轨道级运载器采用真空推力型发动机NK-43将有效载荷送至预定轨道,经过自身姿态的调整,通过轨道机动发动机点火工作实现降轨,从而重新进入大气层并自主返回,随后同样采用降落伞和气囊着陆。
与K-1火箭不同,可重复使用的Falcon9火箭的一级、二级能够利用自身引擎实现基于起落架的垂直着陆,实现火箭的完全垂直回收。
第1级由亚轨道垂直返回发射场,第2级由于再入大气层,因此需要设计专门的热防护系统。两级圆柱形火箭不会像航天飞机那样滑翔返回,而是依靠空气动力学自制导返回,并垂直下落,通过火箭的动力反推进行减速并着陆。Falcon9可重复使用运载火箭各级的着陆器采用4腿式方案,4个钢制腿状支架均匀分布在火箭底部,其中二级着陆支架有向外展开和向内折叠两种布局方案,前者是避免由于发动机喷管火焰的烧蚀,后者是为了使其免受再入阻力。可重复使用的各级火箭通过燃料的补充和适当的修复,实现重复发射。 [4] 

中国可重复使用试验航天器可重复使用热防护技术

航天器返回技术是以再入防热技术、火箭回收技术和某些航空器回收技术为基础逐步发展形成的。随着航天技术的发展,航天器飞行速度越来越高,动加热问题日益严重。
可重复使用热防护技术是未来可重复使用航天器必须解决的技术难题之一。新一代可重复使用航天器的特点要求热防护系统满足耐高温更高、抗烧蚀、可重复使用、高效隔热、高可靠性以及低成本等要求。 [5] 

中国可重复使用试验航天器航天器结构寿命跟踪系统

航天器可重复使用可显著降低空间旅行的成本,而航天器在两次飞行之间的结构健康状况评估成为关键问题之一。经研究提出了一种用于航天器结构寿命跟踪的数字双框架,数字双框架是工程系统的数字表示。它可以对真实工程系统进行实时模拟、监测、诊断、状态预测和优化操作。 [6] 

中国可重复使用试验航天器发展概况

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中国可重复使用试验航天器“星舰”系统

由“星舰”和超重火箭构成的“星舰”系统是SpaceX下一代完全可重复使用运输系统。每次发射后,超重火箭可以返回地面。而“星舰”本身也有强大推力,可以靠自己前往火星和月球。 [7] 

中国可重复使用试验航天器“星际客船”

“星际客船”是波音公司(Boeing)与NASA“商业乘员计划”合作开发的新一代载人飞船,主要用于执行近地轨道任务。
“星际客船”为两舱段设计,包括航天员舱和服务舱两部分。乘员舱为锥形,主要负责运送乘员和货物;服务舱为圆柱形,具备发射逃逸、姿轨控、发电、热辐射等功能。飞船最多可搭载7名航天员,也可以乘员加货物的形式进行混合搭载。飞船独立飞行状态设计寿命60h,对接状态设计寿命210天,具备重复使用能力,最多可使用10次,以6个月为周期实现复飞。 [8] 

中国可重复使用试验航天器“猎户座”飞船

“猎户座”飞船是美国“阿尔忒弥斯”(Artemis)计划的重要组成部分,承担了关键的乘员地月往返运输功能。飞船由洛马公司(LM)牵头研制,团队包括主要分承包商航空喷气发动机-洛克达因公司(AerojetRocketdyne)、联合技术宇航系统公司(UTCAerospace Systems)、霍尼韦尔公司(Honeywell),以及众多次要分承包商和小企业;欧洲航天局(ESA)承担了服务舱的研制工作。
“猎户座”飞船具有多用途、可重复使用的特点,设计能够到达月球、小行星等多个目的地。“猎户座”飞船由乘员舱、服务舱和发射紧急中止系统构成。飞船可搭载4名航天员,乘员舱可重复使用,最多可执行10次飞行任务。 [8] 

中国可重复使用试验航天器“雄鹰”载人飞船

俄罗斯“雄鹰”载人飞船主要用于月球探测任务,并能够自主开展空间实验和研究。
“雄鹰”飞船最多可搭载4名航天员,可在轨自主飞行近30天,也可停靠在空间站上在轨驻留近1年的时间。在执行短期地月往返飞行任务时可重复使用10次,在执行长期与绕月轨道站对接任务时,飞船可重复使用不少于3次。 [8] 

中国可重复使用试验航天器中国可重复使用试验航天器

2020年9月4日,中国在酒泉卫星发射中心,利用长征二号F运载火箭,成功发射一型可重复使用的试验航天器。 [9]  标志着中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。 [2] 
2022年8月5日,中国在酒泉卫星发射中心,运用长征二号F运载火箭,成功发射一型可重复使用的试验航天器,这是长征二号F运载火箭第18次执行发射任务。 [11-12] 
2022年8月26日,由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院自主研制的升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验获得圆满成功。飞行试验采用的运载器,经健康检测维护后,在酒泉卫星发射中心再次点火垂直起飞,按照设定程序完成亚轨道飞行,平稳水平着陆于阿拉善右旗机场,成功实现我国亚轨道运载器的首次重复使用飞行。本次飞行试验的圆满成功,有力推动了我国航天运输技术由一次性使用向重复使用的跨越式发展。 [13] 

中国可重复使用试验航天器研究意义

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中国可重复使用试验航天器战略意义

随着X-37B轨道试验飞行器的连续飞行试验成功,其先进性能和可能军事用途引起了世界各国的极大关注。虽然X-37B还只是一架技术验证机,但以美国航天飞机的成熟技术和几十年的使用经验,美国的“空天飞机”迟早会成功,空天飞机的出现及大量运用将对未来战争产生深刻的影响。在当前的战略机遇期,需要紧密跟踪先进国家在关键领域的研究动态和进展,借鉴有关经验和教训,科学谋划实施,加强关键技术研究攻关和装备研制,全面提升进入空间、利用空间和控制空间的能力。 [10] 

中国可重复使用试验航天器科技意义

可重复使用运载器的研究将带动高超声速空气动力学、高精度制导控制、先进空天动力、耐高温轻质材料与结构制造、重复使用评估标准等学科和技术的发展,即对重复使用运输系统开展的相关研究将进一步促进我国基础学科和工程技术水平的整体提升。
总之, 航天运输系统是牵动航天产业发展和科技进步的龙头。重复使用运载器的发展会提升我国自主进入空间的能力, 加快我国运载火箭更新换代的脚步, 助力我国向世界航天强国迈进。 [3] 
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参考资料
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