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戍天九思:亚轨道运载器原来是火箭飞机,可一小时全球到达!

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发表于 2022-9-16 10:57:02 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
  最近,两侧重磅消息引起笔者的兴趣和关注。

  ★9月14日,《环球时报》报道,《国内首次!液体火箭发动机实现重复使用! 》

  ★9月15日,《环球时报》报道,《立项!一小时抵达全球各地》。

  下面,再深入谈谈亚轨道运载器问题。

  为什么说亚轨道运载器是可重复使用的火箭飞机?

  主要有三个方面的证据:

  ★9月14日,《环球时报》报道称,近日,由航天科技集团六院西安航天动力研究所自主研究设计的某型液氧煤油发动机实现重复飞行试验验证,该型发动机作为某飞行器主动力装置参加首飞试验后,经检测维护,顺利完成了重复飞行试验,这也是国内首次实现液体火箭动力的重复使用。报道还称,该型发动机于2021年作为某飞行器主动力装置参加首飞试验,经检测维护后参加本次重复飞行试验任务。

  ★2021年7月16日,由中国航天科技集团一院研制的亚轨道重复使用演示验证项目运载器在酒泉卫星发射中心准时点火起飞,按照设定程序完成飞行后,平稳水平着陆于阿拉善右旗机场,首飞任务取得圆满成功。

  ★2022年的8月26日,由中国航天科技集团一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。

  航天科技一院和航天科技六院都属于航天科技集团,说明这种重复使用的亚轨道运载器是垂直起飞、水平着陆的火箭飞机,航天科技六院研制的重复使用液氧煤油发动机为航天科技一院研制的亚轨道运载器提供动力,成功完成了去年7月16日和今年8月26日两次飞行试验,重复使用液氧煤油火箭发动机得到了飞行验证。

  航天科技可重复使用运载工具三步走战略

  此前,中国航天科技公开的可复用运载工具三步走线路图,更能清晰地说明亚轨道运载器是火箭飞机。

  ▲上图就是可重复使用运载系统的“三步走”发展思路。

  从图片来看,可重复使用亚轨道运载器与传统火箭最显著的区别在于:外形像飞机有机翼,能水平降落在地面跑道上。

  可重复使用亚轨道运载器与美国航天飞机和X-37B的区别在于:航天飞机和X-37B的垂直起飞都是靠外挂火箭,中国的可重复使用亚轨道运载器的动力是一体化的内置动力,比美国航天飞机和X-37B更先进。

  具体来说, “三步走”思路是这样的:

  第一步:火箭动力部分重复使用。通俗说,就是整个火箭动力系统分为两级,只有第一级是可以重复使用的。

  第一级就是“升力式亚轨道运载器”,可以说成是一架垂直发射的火箭飞机;第二级则是普通的一次性火箭,它被捆绑在第一级的上面一起发射。当第一级帮助整个系统飞到接近或超过100公里高度的位置(卡门线)时,第二级火箭分离点火,带着有效载荷飞往预定轨道。而第一级火箭飞机则再入滑翔返回,在大气层中进行一定的机动,最后在跑道降落。

  ▲火箭动力部分重复使用运载器发射剖面

  第二步:火箭动力完全重复使用。整个火箭动力系统都是可以重复使用的,直接把背上的航天器送入预定轨道。此时的火箭动力系统仍然是垂直发射的。美国也曾经尝试过垂直起飞、完全重复使用的技术手段,但现在已经放弃。如X-33空天飞机。

  ▲已被美国放弃的垂直起飞式X-33空天飞机

  第三步:组合动力飞行器。这是可重复使用航天器的终极目标,不仅能水平降落,还能像飞机一样水平起飞,并可单级入轨,采用吸气式组合发动机。

  这种吸气式组合发动机需要用涡轮发动机、超燃冲压发动机与火箭形成组合动力,这项技术难度极大,我国在涡轮发动机上是存在短板的,据专家预计,还需要10年左右才能在应用上有所突破。

  8月26日的重复飞行试验成功,表明“三步走”的第一步目标已经实现。万事开头难,后续可能会顺利一些。

  为什么不直接研发完全重复使用的运载器?

  笔者认为,可能有三个方面的原因:

  一是美国放弃X-33空天飞机,说明完全重复使用的运载器技术难度大,很难实现。

  二是采用二级入轨是重复使用火箭中最常用、最经济的方法。二战时,德国第一个研制出火箭,但是,无论如何飞不出大气层,飞不到太空轨道上去,原因就是当时火箭只有一级,后来的解决方案是采用多级火箭。但是,多级火箭又带来新的问题。

  比如,发射1吨重的卫星,采用二级火箭发射需要149吨燃料,三级需要77吨,四级65吨。虽然火箭级数越多,需要的燃料就越少,但控制难度也大幅增加了。因此,三级火箭是一个成本和可控性平衡后的最佳选择。

  而要进一步减低发射成本,目前普遍采用两级入轨、一级重复使用。据计算,重复使用6次以上的航天发射成本是一次性发射成本的40%,重复使用18次以上的航天发射成本就稳定在一次性发射成本的三分之一。但是,完全重复使用经济上也不合算。

  SpaceX公司的猎鹰9火箭也采用两级入轨、一级重复使用。第一级在80公里高度上和第二级分离(亚轨道),第一级在分离后因为惯性会继续向上飞,到160公里时开始下落。

  三是研发部分重复使用的亚轨道运载器是为了开发利用亚轨道。研发能够出阶段性成果,既可以开发出亚轨道战斗机、轰炸机,也可以开发出亚轨道旅游客机,能够一小时内全球到达、全球打击。

  亚轨道飞机可一小时全球到达

  9月15日,《环球时报》报道,中国运载火箭技术研究院(航天科技一院)当天在其官微发布消息称,近日,国家自然科学基金委员会官网发布了《关于2022年国家自然科学基金集中接收项目评审结果的通告》,由火箭院研究发展部牵头申报的“亚轨道远程空天运输系统总体设计与控制技术”项目顺利通过评审,正式获得立项支撑。

  ▲中国亚轨道远程空天运输系统动画演示图 图片来源:中国运载火箭技术研究院

  我国亚轨道运输新技术作为国家重点项目立项,这是航天首次被列入交通与运载工程学科的重点发展方向,彰显出该项目的全局性、战略性和紧迫性,它既可军用,也可民用。

  ▲中国亚轨道远程空天运输系统动画演示图 图片来源:中国运载火箭技术研究院

  再一次验证了笔者在8月27日《第二次试验!亚轨道运载器既是太空战机也是旅游客机!》文章中的判断。

  据该项目负责人、申报人,火箭院长征八号运载火箭总设计师宋征宇介绍,近年来,远程极速运输成为航天领域研究新热点,美国SpaceX公司投入数十亿经费研制“超重-星舰”运载器,并研究利用其提供1小时全球极速运输服务,计划2028年实现商业运营。而美国空军也投入近2亿美元研究物资全球极速战略投送,德国和意大利等主要航天国家也在开展相关技术研究,计划在2030年后投入运营。

  其实,美国SpaceX公司的“星箭”项目虽然最早提出的是民用——1小时全球极速运输服务的计划,但它完全可以“变身”为美军“1小时远程快速打击”的军用轰炸机,也可能是美军的高超音速导弹。而且SpaceX公司也是搞重复使用火箭的,具有研发亚轨道运载器的技术优势。

  作为高超音速飞行器的一种,我国的远程空天运输系统实现途径比较多,既有航天科技的“三步走”规划,也有航天科工的“腾云工程”,既有火箭发动机飞机,也有火箭发动机和超燃冲压发动机组合的发动机飞机,将来还有能够从普通机场起降的火箭、涡轮、超燃冲压发动机组合的发动机飞机。

  试想:如果中国这种亚轨道火箭飞机,安装上几枚东风—17高超音导弹的弹头,不就是可以一小时打遍全球的高超音速战略轰炸机吗?这就是为什么美国人对我国可重复使用亚轨道运载器高度敏感和关注的原因。

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