廉價、便捷地往返天地，一直是航天技術發展的目標。近年大出風頭的美國太空探索技術公司（SpaceX），正是憑借獵鷹九號火箭的回收和重復使用，在降低航天成本方面邁出了跨越性的一步。科技日報記者日前從中國航天科技集團公司一院獲悉，該院正聯合國內優勢機構共同合作研制可重復使用運載器，並計劃於2020年左右首飛。其最終目標不僅能將單位有效載荷的運輸成本降低至現有一次性運載火箭的十分之一，還能大幅縮短發射准備時間，有望像飛機一樣實現航班化的天地往返運輸。
一級“背”著二級，一天能飛一次
一院研發中心總體室主任陳洪波在接受科技日報專訪時介紹，可重復使用運載器，指能利用自身動力攜帶人員或有效載荷進入預定軌道，並可從軌道返回地面，可以多次重復使用的航天運輸工具。
根據不同標准，重復使用運載器有多種分類。按照重復使用的比率，可分為部分重復使用和完全重復使用（例如航天飛機、獵鷹九號火箭等屬於部分重復使用，英國正在研制的“雲霄塔”空天飛行器屬於完全重復使用）﹔按主動力形式分為火箭動力和吸氣式組合動力﹔按級數分為單級入軌和多級入軌（一般以兩級入軌為主）﹔按起降方式分為垂直起飛/垂直降落、垂直起飛/水平降落以及水平起降。
陳洪波表示，我國正在研制的重復使用運載器兼具航天器和航空飛行器的特點。與傳統一次性火箭相比，我國正基於目前的火箭發動機，通過技術改進讓其實現重復使用。2020年左右完成首飛后，還將連續進行數次飛行，驗証其快速再次發射和重復使用能力。美國國防高級研究計劃局主導的XS-1（試驗性太空飛機，採用垂直發射、水平著陸模式）也計劃在2020年完成飛行試驗，可以說，中美兩國的可重復使用運載器研發是“比肩的”。
與獵鷹九號相比，該運載器的組合和回收方式有所不同。陳洪波說，獵鷹九號以及傳統火箭，各子級是採用串聯方式。該運載器的起飛方式與傳統火箭一樣，都是垂直發射，但優選方案是讓一二級並聯組合在一起，一級“背”著二級，二級機身設置著有效載荷艙。回收時，獵鷹九號一級是垂直降落於海上平台或陸地回收區域，目前暫未實現第二級的回收。而可重復使用運載器的一二級在完成各自任務后，將分別返回著陸場，像飛機一樣水平降落在跑道上。
SpaceX曾宣稱，憑借獵鷹九號一級回收，未來可將航天發射成本降低80%。我國重復使用運載器的目標與其近似。陳洪波說，該運載器的設計重復使用次數在20次以上，初期目標是將單位有效載荷運輸成本降至目前的五分之一，未來則有望降至十分之一。
除了降低發射成本，該運載器的發射周期也將大大縮短。科技日報記者了解到，傳統火箭的發射准備時間往往長達數月，即使是國內以快著稱的小型火箭“快舟”系列，准備時間也需一周左右。而陳洪波透露，該運載器將引入航空領域的快速檢測理念和技術，力求具備一天一次飛行的能力。
不過，可重復使用航天器的終極目標，仍是能像飛機一樣水平起降、可單級入軌的“空天飛機”。其為了提高在大氣層內的飛行效率，需要用渦輪發動機、沖壓發動機與火箭形成組合動力。科技日報記者了解到，目前國內已經開展相關研究。但陳洪波表示，該技術難度極大，預計還需要15年左右才能有所突破，具備工程應用能力。而火箭動力形式目前已經比較成熟。
空間站航天員無需擔心“斷糧”
從外觀來看，我國在研的重復使用運載器與傳統火箭最顯著的區別，就是其一二級均帶有飛機一樣的“翅膀”。
陳洪波表示，為了實現水平降落回收，一二級需要有航空器的機翼，為其在跑道水平著陸時提供足夠的升力。為此，一院與北京航空航天大學航空學院簽訂協議，雙方將在帶翼航天器彈性載荷設計和疲勞載荷譜設計方面開展深度合作。
載荷設計的優劣將決定運載器的技術先進性和承載能力。陳洪波說，此載荷指的是飛行器在任務過程中受力的情況。如果載荷設計過於保守，會導致飛行器結構過重，損失運載能力﹔過於冒進則可能導致結構骨架設計薄弱，影響飛行安全。為滿足該運載器重復使用、高頻次發射的需求，必須吸納航空飛行器載荷設計的技術方法。
十九大報告中指出：“要瞄准世界科技前沿，強化基礎研究，實現前瞻性基礎研究、引領性原創成果重大突破。”記者了解到，可重復使用運載器技術代表著世界科技前沿，可帶動先進材料、先進制造、控制、氣動等學科的基礎理論研究和技術創新。同時其應用前景極為廣闊。據介紹，我國預計在2030年前全部完成可重復使用運載器的研發及相關飛行試驗，屆時有望成為全世界首個實現完全重復使用運載器研制的國家。
陳洪波說，該運載器主要面向300至500公裡高度的軌道，可滿足未來“快速、可靠、廉價”的航天運輸需求。例如能承擔未來我國空間站的人員、物資運輸任務，也能滿足軍民兩用的有效載荷發射需求，還能開發太空旅游等民用產業。
可以想象，未來生活在空間站的航天員再也不用擔心“斷糧”了，更多人也能有機會前往太空一覽美景。（記者 付毅飛）
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