可重復使用航天運載器發(fā)展歷程

首次嘗試回收亞軌道航天器

二戰(zhàn)結束之后，隨著同盟國對納粹德國的分區(qū)占領，以V-2導彈為代表的德國火箭技術也被美蘇兩國瓜分一空。然而V-2導彈結構復雜、生產困難且耗時，美國空軍無力補充因實驗損耗的V-2導彈，因而試圖用特制降落傘回收導彈。在1947年首次嘗試回收V-2導彈時，工程師還對超音速氣流缺乏了解，而世界首次載人超聲速飛行更是八個月后才得以實現(xiàn)。因此，降落傘毫不意外地被強勁的超聲速氣流撕碎，人類第一次回收航天器的嘗試宣告失敗。

最早的空天飛機X-20“Dyan-Soar”

在航天時代初期，美國空軍提出了一項瘋狂的“極超音速滑翔火箭武器系統(tǒng)”，也就是X-20高超音速飛機。這一項目基于先前德國人桑格爾提出的“銀鳥”計劃和貝爾公司提出的BOMI、RoBo火箭轟炸機項目，希望研發(fā)一款由火箭發(fā)射的臨近空間載人飛行器，用以執(zhí)行偵察轟炸等軍事任務。X-20將以無動力滑翔的形式再入并降落至地面，其氣動外形針對高超聲速飛行進行優(yōu)化，相應促進了風洞技術和超音速氣動設計的進步。盡管X-20最終因內部因素在原型機制造階段下馬，但它作為人類第一款實際的空天飛機和第一次太空軍事化的嘗試仍然值得我們銘記。

航天飛機首次載人飛行成功

阿波羅計劃后，NASA開始考慮研制可重復使用航天器以降低進入太空的經(jīng)濟成本，由此催生出了航天飛機的概念。航天飛機由兩枚大型固體助推器和自身的三臺RS-25發(fā)動機提供起飛推力，助推器關機后分離并被回收，巨大的橙色貯箱則在大氣層中焚毀。航天飛機以水平滑翔方式再入大氣層，依靠機身下表面的3.5萬枚隔熱瓦抵抗再入時的高溫氣流，最終以高達20°的俯沖角著陸在加固跑道上。盡管有巨大的載貨載人能力，并在服役期間完成了包括在軌維修哈勃望遠鏡、建設國際空間站等重大任務，航天飛機的缺點卻難以被掩蓋。

與最初的期望相反，航天飛機的平均發(fā)射成本可達8億美元，遠高于當今主流火箭的價格。其配備的RS-25發(fā)動機固然性能優(yōu)異，卻也伴隨著驚人的價格——單臺發(fā)動機便可匹敵一枚中型火箭。同時，航天飛機在兩次發(fā)射之間都需要進行異常復雜的檢修流程，例如依次取下所有隔熱瓦檢測修復并復位。高度技術集成帶來的冗長的檢修流程既降低了航天飛機的任務頻率，也為后來的“哥倫比亞”號解體事故埋下了隱患。

蘇聯(lián)“暴風雪”航天飛機首次無人飛行

早在60年代，蘇聯(lián)就提出了旨在研制空天飛機的“螺旋”計劃，但因種種技術與行政原因項目進展并不順利?！奥菪表椖孔罱K產出了米格105驗證機、BOR系列空天飛機以及一種美國仿制的HL-20飛行器，并對后來的蘇聯(lián)航天飛機提供了寶貴的經(jīng)驗。出于對美國將航天飛機軍事化的擔憂，蘇聯(lián)很快也推出了自己的航天飛機計劃——“暴風雪”航天飛機。

“暴風雪”號并無主發(fā)動機，其起飛推力完全由“能源”號火箭提供，由此顯著降低了自身的結構重量與整體尺寸?！氨╋L雪”號與美國航天飛機一樣采用水平著陸方式，但其配備的兩臺小型機動發(fā)動機極大增加了降落時的操控空間，并允許復飛后再次嘗試降落。1988年，“暴風雪”號由“能源”號火箭從拜科努爾發(fā)射場發(fā)射升空，在環(huán)繞地球兩周后以無人駕駛模式著陸。遺憾的是，由于蘇聯(lián)解體帶來的巨大動蕩，“暴風雪”號的后續(xù)研發(fā)工作遭到擱置，再也不可能進入太空。

“三角快帆”試驗火箭首飛成功

在航天飛機因災難性事故和高成本而陷入質疑的九十年代，工程師們將目光轉向了水平回收火箭的技術路線。1990年，麥道公司提出代號DC-X的“三角快帆”單級入軌火箭計劃，目標是研制一種單級入軌、垂直起飛并回收的可復用航天運載器，并將十噸級載荷的單次發(fā)射成本降低至1000萬美元左右?！叭强旆贝罅坎捎檬w維/環(huán)氧樹脂等先進復合材料以減輕結構重量，使用四臺具有極大節(jié)流范圍的RL10A-5發(fā)動機作為動力，并搭載了當時最先進的飛控與導航系統(tǒng)。DC-X在1993到1996年間進行了12次試飛，初步驗證了懸停、導航與垂直著陸技術。然而當時的計算機技術尚不足以支撐復雜氣象條件下的穩(wěn)定回收，“三角快帆”項目在資金耗竭后被迫取消。

圖源：Springer Verlag

X-37B首次執(zhí)行任務

80年代后期，航天飛機的低谷催生出了空天飛機的熱潮，美國國家空天飛機計劃（NASP）和空間機動飛行器（SMV）相繼提出。前者的直接成果X-30驗證機試驗了耐高溫復合材料等新技術，但因為沖壓發(fā)動機技術難以攻克而被最終擱置；后者則選擇了無需沖壓發(fā)動機的火箭發(fā)射方案，先后誕生了X-40A、X-37兩款驗證機，并最終結出了X-37B這枚碩果。X-37B近似一架縮小的航天飛機，能夠攜帶200kg載荷在近地軌道長時間運行并自主降落，具備多次復用的能力。作為第一款較為成功的空天飛機，X-37B可以被用于天基偵察打擊、空間對抗等軍事任務，也可用于驗證空天飛機的一系列新型技術。

“新謝潑德”與獵鷹9號實現(xiàn)首次成功回收

藍色起源公司在2000年由亞馬遜創(chuàng)始人貝索斯創(chuàng)建，吸收了部分原“三角快帆”的研究人員，他們選擇了先攻克垂直回收技術再攻克入軌火箭的路線。2015年，“新謝潑德”2號在試飛中成功越過卡門線，并依靠可調推力發(fā)動機穩(wěn)穩(wěn)著陸，實現(xiàn)了人類首次完整回收亞軌道級火箭的壯舉。在這之后，藍色起源公司穩(wěn)步推進研發(fā)計劃，目前已經(jīng)可以成熟地將乘員送入亞軌道旅行。

SpaceX與藍色起源同期創(chuàng)立，選擇了先研制大推力發(fā)動機再研發(fā)可回收技術的路線。SpaceX從2012年開始在“蚱蜢”火箭上測試一級火箭垂直回收技術，在經(jīng)歷多次失敗后于2015年末成功實現(xiàn)獵鷹9號一級的陸地回收，這是人類第一次在實際任務中回收一級火箭箭體。目前，SpaceX已經(jīng)可以實現(xiàn)助推器、一級火箭、二級火箭乃至整流罩的回收。

獵鷹重型火箭首飛成功

在獵鷹9號火箭取得技術和市場的雙重成功后，SpaceX終于有機會進行獵鷹重型火箭的首次發(fā)射。這次發(fā)射成功將作為試驗載荷的特斯拉跑車送入軌道并回收了兩枚助推器，但未能成功回收芯一級火箭。獵鷹重型火箭從獵鷹9號火箭發(fā)展而來，采用了通用芯級的設計思路，其助推器級與芯一級共有27臺之多的梅林-1D發(fā)動機。這種多發(fā)動機并聯(lián)方案曾被認為可靠性很低，但SpaceX借助計算機、控制和設計制造等領域的進步克服了種種困難，使獵鷹重型火箭成為目前起飛重量和運載能力最大的可回收火箭。除此以外，獵鷹重型火箭也應用了冷分離、輕質箭體結構等技術以進一步提升重復使用的能力。

我國成功發(fā)射可重復使用試驗航天器

2020年9月，航天科技集團研制的某型可重復使用試驗航天器搭乘長征2F火箭從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，并于兩天后成功著陸于預定著陸場。這艘航天器保密程度極高，被外媒猜測在技術和外形上均較為接近X-37B，其發(fā)射標志著我國可重復使用航天器技術研究取得重要突破。兩年后的2022年8月，我國再次成功發(fā)射可重復使用試驗航天器。這次發(fā)射開展了可重復使用和在軌服務技術驗證，將為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。

我國成功進行“清航壹號”新型發(fā)動機飛行演示驗證試驗

“清航壹號”以新型連續(xù)旋轉爆震發(fā)動機為動力，這種新型發(fā)動機具有效率高、推重比大、比沖高和工作范圍廣等顯著優(yōu)點，可以填補TBCC等組合動力發(fā)動機面臨的推力陷阱等問題，有希望成為未來組合動力空天飛機的動力來源之一。本次試驗由清華大學航天航空學院噴霧燃燒與推進實驗室負責并組織實施，是世界范圍內首個公開報道的同類型飛行試驗。這次成功標志我國已經(jīng)掌握連續(xù)旋轉爆震發(fā)動機的自主研發(fā)與工程實現(xiàn)能力，并在新型空天動力領域躋身世界前列。 

圖源：清華大學