“可重复”是降低航天发射成本的重要途径，相关技术经历过漫长的探索。在可预见的未来，我们或许能见证冲向宇宙的中国空天飞机。
撰文/记者 段然编辑/丁林 新媒体编辑/王姗近日，就在所有航天爱好者的目光聚焦在天舟六号货运飞船震撼首秀之时，一艘被称为“可重复使用试验航天器”的小型飞船悄然返回了地面。据报道，这型航天器由长征2F运载火箭发射升空，在经历了长达276天的在轨飞行后成功返回。
(相关资料图)
从简短的文字报道中，不少航天发烧友联想到美国的X-37B和一系列“空天飞机”的概念设计，并进一步引申到未来太空旅行的无限畅想上。但大部分人对“可重复使用航天器”这一概念充满着疑惑，这与我们熟知的载人飞船与航天飞机有何区别呢？
高昂的航天发射成本
载人航天的使命，除了将航天员顺利送上太空，还要在任务结束后将其平安送回地面。迄今为止，除了美国的航天飞机以及部分尚在试验中的新型飞船，目前绝大多数的现役飞船都是一次性载具，它们依然延续着加加林时代飞船的特征：一次任务结束后飞船即宣告报废。在将航天员平安送回地面后，大部分部件只能在再入大气层中被焚毁，唯一能回收的返回舱也最多只能被当作展品供人参观。这就带来一个严重的问题：由于任务结束后飞船不能重复利用，每次执行载人航天任务都要重新制造新飞船，由此带来的发射成本是极为高昂的，也极大影响着载人航天任务的效率。高昂的成本，繁琐的程序，促使人们寻求新的载具方案。于是，“可重复使用航天器”（Reusable Spacecraft）的概念开始形成。早在上世纪60年代，美国国家航空航天局（NASA）就开始论证多个可重复使用航天器方案，最终“航天运输系统”方案获得资助，这种融合了飞机启动布局设计的方案在后来发展成人们耳熟能详的“航天飞机”——如火箭一样升空，如飞机一样降落。
▲2007年， “发现”号航天飞机执行STS-120发射任务（图片来源：NASA）
相比于常规的载人飞船，航天飞机的优势是巨大的：国际空间站的主力载具、第四代“联盟”飞船MS型一次最多只能搭载3名成员或者有限的货物，平均每年3.5次的发射频率才能满足国际空间站的运输需求。而航天飞机一次可将7名航天员送入轨道，同时巨大的货舱赋予了它巨大的运输能力。最重要的是：航天飞机可以再次升空投入使用，比如“发现”号航天飞机在其27年的服役生涯中先后升空39次，运送航天员达252人次，在传统的载人飞船面前表现出超高的使用效率。尽管如此，航天飞机作为人类第一款可重复使用的航天器，最终还是退出了历史舞台，国际空间站的运输任务还是由联盟MS这样的“老同志”来承担。这是怎么回事呢？其实还是卡在了成本上面：林林总总算下来，航天飞机平均发射一次就要花掉差不多8亿美元，而原本预想中的高出勤率也没有实现，由于维护工作过于复杂，航天飞机的发射周转周期非常长，历史上最短的发射间隔也高达54天……这样又贵又慢的航天器逐渐赶不上时代的要求了。
▲2008年，在完成发射任务后被推入厂房进行维护的“亚特兰蒂斯”号航天飞机（图片来源：scienceblogs.com）
价廉高效的“龙”飞船
航天飞机虽然风光不再，但发展可重复使用航天器，依然被视为解决航天发射任务成本问题的主要途径。埃隆·马斯克领导的太空探索技术公司（SpaceX）除了致力于开发猎鹰系列可回收运载火箭以降低发射成本，也将目光集中在新一代可重复使用航天器的研制上。2006年，SpaceX推出了“龙”货运飞船，外形是基于传统飞船的钝锥形弹道胶囊外形而设计，虽然单次发射成本比“联盟”昂贵，但载货能力是后者的两倍，而且自航天飞机之后，“龙”飞船再次实现了航天器的重复使用，这就更有利于进一步摊销成本。在搭配“猎鹰9号”之后，“龙”飞船在10年时间里先后进行了23次发射，其中18次是对国际空间站的货运任务。算下来，“龙”飞船的发射成本只有航天飞机的不到十分之一。
▲2012年，执行CRS-11任务的“龙”货运飞船张开了巨大的太阳电池帆板（图片来源：NASA）
在此基础上，SpaceX又推出了客运版本——“龙”飞船2号。“龙”飞船2号一次最多可以搭载7名旅客，这已经达到了当年航天飞机的标准，而且该飞船设计可重复进行10次发射任务，这就进一步摊销了发射成本，若再算上“猎鹰9号”运载火箭本身可回收而节约的成本，“龙”飞船2号平均搭载一名航天员的花销已经降至了2000多万美元，这种价廉高效的航天器让未来往返于地面和空间站间的定期航班成为可能。
▲2019年正在与国际空间站对接的“龙”飞船2号（图片来源：NASA）
“龙”飞船是一款划时代的航天产品，但本身的局限依然不能忽视。它的设计毕竟源自传统的载人飞船，在发射时还需要采用发射架，对发射地点与天气的要求依然较高。而且，在任务结束再入大气层后，这种飞船是没有任何机动能力的。因此还需要地面出动搜救人员到预估的降落地点进行回收，这背后的人力物力成本也是不小。况且，在人们畅想的太空旅行中，恐怕没有人愿意看到每次返回地面都变成搜救现场。
空天飞机，中国在行动
将飞机的设计融入航天器中的想法从未消失。如果航天器能够如客机一样起飞降落，那未来的太空之旅就真会如普通航班一样便利。于是，可重复使用航天器的另一种形态——空天飞机出现了。这种航天器兼具了飞机和载人飞船的特点，在可重复使用的基础上，能够实现与普通飞机一样的起降。其实，航天飞机可以看作是空天飞机理念的“不完全态”——它在发射阶段只能以传统方式垂直发射升空。而空天飞机研制的难点正在此：飞机以什么方式进入太空？理想的空天飞机当然是以正常起飞的方式，不借助外部火箭助推方式升入太空。但鉴于现今航空航天技术的局限，目前各国试验中的空天飞机依然是靠火箭助推升空。比如NASA的“追梦者”微型航天飞机、X-37B型航天器等。
▲2010年成功完成无人在轨飞行的X-37B航天器（图片来源：NASA）
当然，人们也在尝试一个折中的新方案：两截式空天飞机。即由一个大型飞机形态载具搭载空天飞机升入一定高度后将之放飞，然后让其自主飞入轨道。类似的方案美国曾用“白色骑士”号试验过，这种喷气动力母舰机曾在高空发射过名为“太空船1号”的航天器，虽然没有作轨道飞行，但却为空天飞机的未来开辟了一条全新思路。作为日益崛起的航天大国，我国在可重复使用航天器的研发方面也颇有建树，并逐渐走入世界前列。2018年央视曾披露过我国一款两截式空天飞机方案模型。在2021年珠海航展的航天科技展厅，名为“腾云工程”的空天飞行器模型引发高度关注，从外形上看，这依然是一种两截式空天飞机方案。据介绍，这种商用航天器是可执行多次航天发射任务的新一代天地往返飞行器，预计在2025年完成技术验证飞行。
▲2021年珠海航展期间，中国航空科工集团公开展示的“腾云工程”空天飞机模型（图片来源：网易军事）
此次官宣的“可重复使用试验航天器”其实早在2020年就进行过发射，并在在轨飞行2天后成功返航。根据官宣信息，这种航天器有可能是一种类似空天飞机的设计方案。而此次该航天器在轨时间竟达276天，可见技术已经相对成熟。虽然官方的消息仅是只言片语，但可以想见，在“可重复使用航天器”这条全新的赛道，中国航天人正在逐步发力，并开始结出硕果。或许在可预见的未来，我们能亲眼见到刺破苍穹、冲向宇宙的中国空天飞机。
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监制：北京科技报 | 北科传媒
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