问题

如何看待 9 月 6 日我国可重复使用试验航天器成功着陆?意味着什么?有何影响?

回答
9 月 6 日,我国成功完成了新一代可重复使用试验航天器的陆基着陆回收任务,这无疑是我国航天事业发展史上的又一个重要里程碑。这项技术的突破,可不仅仅是“又一次成功着陆”这么简单,它背后蕴含的战略意义、技术实力和长远影响,值得我们深入探讨。

这次成功意味着什么?

简单来说,这次成功意味着我国在发展下一代太空运输系统方面取得了关键性进展。我们可以从以下几个层面来理解:

1. 技术验证的成功: 可重复使用航天器,顾名思义,就是能够像飞机一样,多次往返于地面和太空,并在每次任务结束后安全返回并进行维护,以便下次发射。这其中涉及了大量的尖端技术,例如:
精准的轨道控制和返回策略: 航天器需要准确计算返回轨道,并在大气层中保持稳定。
耐高温材料和结构: 再入大气层时,航天器会承受极高的温度,需要先进的隔热材料和结构设计来保证安全。
动力下降和着陆技术: 无论是翼身融合体还是其他构型,都需要能够自主控制下降速度,并实现精确、平稳的着陆,这与传统的返回舱“坐”式的着陆方式截然不同,更接近飞机的起降。
系统集成和可靠性: 所有这些子系统必须协同工作,并具备极高的可靠性,才能确保每一次飞行任务的安全。这次试验的成功,就证明了我国在这些核心技术上的攻关是有效的。

2. 迈向低成本太空探索的基石: 传统的一次性火箭和航天器,每次发射的成本都非常高昂,因为它们在完成任务后就会报废。而可重复使用技术的核心优势就在于降低发射成本。通过多次重复使用,航天器的单位发射成本可以大幅度下降,这就像飞机取代火车成为主要的洲际交通工具一样,将彻底改变太空活动的经济模式。

3. 增强太空活动自主性和灵活性: 拥有可重复使用的航天器,意味着我国不再完全依赖一次性发射。在需要快速响应、频繁部署或灵活调整任务的情况下,可重复使用航天器将提供更大的灵活性。例如,当需要快速向空间站运送物资、执行紧急维修任务,或者进行快速的科学探测时,可重复使用航天器的优势就显现出来了。

4. 技术储备和战略前瞻: 这次试验也表明,我国正在积极布局长远的太空战略。可重复使用技术是未来空间站运营、月球基地建设、深空探测乃至行星际旅行的必然选择。提前掌握这项技术,能够让我们在未来的太空竞争中占据有利位置。

有什么影响?

这次成功对我国的航天事业乃至国家整体发展,都将产生深远的影响:

1. 降低太空应用的门槛,促进商业航天发展: 成本的大幅下降,将极大地吸引商业公司参与太空活动。无论是卫星发射、太空旅游、太空制造,还是其他更具创新性的太空服务,都将因为成本降低而变得更加可行,催生出蓬勃发展的商业航天市场。这就像互联网技术的发展极大地降低了信息传播和商业活动的成本一样。

2. 提升空间站的运营效率和载荷能力: 对于我国正在建设和运营的“天宫”空间站而言,可重复使用航天器的应用将带来革命性的变化。不仅可以降低运送乘组和物资的成本,还能提高运载效率,允许携带更多、更大的设备和实验载荷,从而加速空间站的科学研究和技术验证进程。

3. 加速深空探测和月球/火星探索的步伐: 从地球到月球、火星,再到更远的深空,每一次的往返都需要巨大的运载能力和成本。可重复使用技术将为载人登月、建立月球基地、甚至未来的火星移民提供更经济、更可靠的运输解决方案。可以想象,未来从月球返回地球的宇航员,可能也是乘坐能够多次往返的航天器。

4. 提升国际竞争力,改变国际太空格局: 掌握可重复使用技术,意味着我国在太空运输领域达到了世界领先水平。这将进一步巩固我国在国际航天领域的地位,提升国际影响力。同时,也可能促使其他国家加快相关技术的研发,从而推动全球航天技术的整体进步。

5. 带动相关产业发展,形成新的经济增长点: 可重复使用航天器的研发和制造,将带动新材料、新能源、先进制造、人工智能、精密控制等一系列高科技产业的发展。同时,其应用也将催生新的服务业态,为国民经济发展注入新的活力。

更深入的理解:

大家可能注意到,我们用的是“试验航天器”。这说明这只是一个重要的阶段性成果。可重复使用航天器的完全成熟,还需要经历多次更复杂、更具挑战性的飞行试验,包括不同高度、不同轨道、以及更长周期的往返验证。但这次成功,无疑为我们指明了正确的方向,并且证明了我们有能力跨过这个门槛。

这次成功,更像是我们造出了“能反复飞行的卡车”,而未来我们还需要更高效、更精准的“太空摆渡车”或者“太空飞机”。但有了卡车,我们就可以开始更常态化、更经济的太空货物运输了。

总而言之,9 月 6 日的这次成功,不是一次简单的“试飞”,而是我国航天发展战略中的一次关键落子,它标志着我们正在从“一次性使用”的传统模式,向可持续、低成本、高效率的未来太空活动模式迈进。这不仅仅是技术的胜利,更是战略远见和执行力的体现,为我国未来在太空的宏伟蓝图打下了坚实的基础。

网友意见

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首先恭喜中国航天可重复使用试验航天器成功着陆,试验取得圆满成功。

如无意外,这次所指的可重复使用试验航天器是两级入轨空天飞行器(TSTO,Two Stage To Obito)的上面级(轨道器)。TSTO有多种构型,我国走的路线是一级下面级飞行器(加速器)+二级空天飞机(轨道器)的路线,大致的构型为

前半段使用喷气发动机加速到5马赫以上,同时将轨道器带到高空,再使用轨道器加速到第一宇宙速度。借用下日本人的构想就是

(喷气飞机为booster,用于入轨的小航天飞机为orbiter)

这次试验的航天器就是图中较小的背驮式飞行器,从外形上看与2010年曝光轰6挂载的的神龙空天飞机非常类似

在同美国的X37B对比下,可以发现两者的外形非常相似,因此很多人用鳖版X37B来形容此次试验的飞行器。

然而从2019年10月21日公布的两级入轨空天飞行器风洞自由分离试验报道来看,两者之间的差异还是很大的

去年公布的照片和视频直接就是高速风洞试验的结果,可以认为其外形是相当精确的(气动布局稍有变化,风动结果可能就会大相径庭),具体的报道情况可以看当时中国军网的报道

从风洞试验上面级的视频放大看,飞行器的首尾两端都与X37B有较大差异——X37B的构型与航天飞机更加类似,垂直起飞旱地拔葱快速脱离大气层,主要考虑的是从轨道返回时的减速问题;而我国的TSTO飞行器要考虑地面水平起飞,下面级需要使用航空发动机加速,脱离大气层的时间更长,必须考虑在大气层的阻力和气动影响。因此将此次试验的飞行器称之为鳖版X37B是不合适的。

事实上,2019年的分离试验相关的研究信息通过查阅论文用于级间分离研究的TBCC动力TSTO气动布局概念设计,可以得到更多信息。

文中给出了较为清晰的二级外形方案

以及二级的尺寸

这个尺寸是如此巨大,重量将达到200吨级别,显然不是此次长征2F发射的飞行器尺寸,因此我们认为此次飞行试验所使用的飞行器是较小尺寸的缩比模型,主要验证的是飞行器在轨返回时的控制、隔热等问题。

一级的外形方案有两种

从风洞试验来看,最终选择了CD1的一级方案,其外形尺寸为

从仿真结果

可以看到一二级的起飞总重大约860吨,超声速飞行期间的升阻比在3-4之间,分离速度6马赫,分离高度30千米,一级提供了1.88千米的DV,比SPACEX的可回收一级火箭的DV略低一点。

TSTO飞行器的主要难点是一级飞行器。TSTO一级飞行器的动力构型有很多种,主要就是各级在涡轮、涡轮机变循环(TBCC)、火箭基变循环(RBCC)、涡轮、火箭、冲压组合循环发动机(TRRE)、火箭中间做选择以匹配不同的任务需求。这几种动力装置分别由航天科工(TRRE动力),航天科技(RBCC动力),中航工业(TBCC动力)进行研究。无论哪种动力方案,其核心难点都在超燃冲压发动机及其组合动力发动机的研发上。

在2017年3月6日由美国航空航天学会(简称AIAA)、中国工程院主办、厦门大学承办召开的21届国际航天飞机和高超声速系统与技术大会上,中国展示了大量成功的试验和实物图片,还透漏了我国已经成功地进行了超燃冲压的飞行试验并且研制的涡轮-火箭-冲压组合循环发动机(简称TRRE)将在2017年底前开始飞行试验。此前的试验,验证了加速、巡航、机动等各方面性能,证明了下涵道里的液体火箭和双模冲压在M1.5-7之间协调工作的可行性。2016年,进气道和喷管试验完成,M1.8条件下的台架试验也完成。M2-6的稳态台架试验已经开始。试验验证了TRRE的进气道、喷管和燃烧室设计和模式转换。试验数据表明,可在1平方米捕获面积下达到8吨推力,达到设计要求。虽然会议上并没有透露超燃冲压可持续工作的时间,但要是达不到亚小时级,研发组合循环发动机是没有意义的。此外从中国航空协会官网公布的第三届冯如航空科技精英奖获奖名单与事迹介绍中(2015),关于我国的高超音速飞行器的研究情况中提到我国采用的技术路线为航空煤油再生冷却超燃冲压发动机,其试验平台如无例外应当是凌云临近空间高超声速通用试飞平台。

作为对比,美国空军研究实验室(AFRL)“中等尺寸超燃冲压发动机关键部件”(MSCC)项目在2019年的试验中获得了超过13000磅(约5.9吨)的推力。该发动机为碳氢燃料超燃冲压发动机(甲烷) ,总长约18英尺(约5.5米),最大试验速度超过了马赫数4,发动机燃烧工作时长累计超过了30分钟。

最后总结:

关于TSTO飞行器关键技术方面我们已经做到的只有:

1、TSTO两级风洞分离试验

2、一级发动机台架试验

3、二级缩比模型大气再入返回试验

距离实际运用还有很大距离,万里长征虽然不能说只走了一步,但是还没到最关键的时刻。按照计划2025年的发动机高空试验和2030年的一级缩比飞行试验才是决定该TSTO项目立项的关键时刻。


2020年9月22日更新

看来高空试验已经在稳步推进中了。

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