昊龙模拟图
最近的珠海航展上,我国下代货运航天飞机“昊龙”亮相,关注航天的朋友们可能并不陌生,美国和苏联都曾经研制过航天飞机,并且在很长一段时间里,美国的航天飞机都是他们的太空客货运主力。当然,这种航天器也是造成伤亡最多的航天器。在正式航天飞行中,人类一共牺牲过18名宇航员,航天飞机就带走了其中的14人。并且,这种可重复使用的天地往返运载器,原本是为了节约成本而出现的,结果美国用了几十年之后发现,成本非但没有降低,反而大大增加了。那么,我们现在重新开始使用航天飞机的方案,难道是又踩进了美国人踩过的坑吗?
要知道,美国的航天飞机之所以最终被放弃不用,不是因为他的方案不够先进,而恰恰是因为方案过于先进,过于先进这就叫激进了。以当时的工程技术水平,实现这样的方案,最终的结果就是,要么成本控制不住,要么可靠性控制不住。就像是给一个人出一套超过了他能力的试卷,那么他就需要更多的时间来答题,而且错误率会高的多。航天飞机就是这样的一套产物。而他的方案之所以更加困难,是因为他将大部分的火箭系统都放在了航天飞机上,主发动机在上面,货仓在上面,客舱也在上面,鸡蛋放到了一个篮子里,也就是说,运载系统里面最贵的火箭发动机,要跟着飞船一起上太空,飞机待多久,他就待多久,而且发动机还要跟航天飞机一起落回来,经历重新回到大气层这个再入阶段的熊熊烈焰。这么一番折腾下来,就得进大修厂好好地检修一遍了。而且把客舱、货舱、主发动机全放在航天飞机上,他的尺寸可就大多了,更大的尺寸需要更大的防隔热面积,损坏的概率也大很多,2003年哥伦比亚号航天飞机在返回时发生的事故就是隔热瓦损坏造成的。
反观咱们中国的昊龙方案,我在航展现场看了,他背后是没有主发动机的,只有对接口和几个姿控喷口,用来调节姿态和变轨。也就是说,他是依靠运载火箭发射升空的,高价值的火箭发动机并不跟着他一起上去一起返回。而可重复使用的运载火箭,spacex已经为我们打了个样,我国的航天企业近些年也在奋起直追,所以我们有理由相信,在昊龙研发出来的时候,我们应该就会有可以将他送上太空的可重复使用火箭了。而且,为了求稳,昊龙是一艘纯货运飞船,替代的是目前的天舟货运飞船。即便可靠性没有载人飞船那么高,偶尔出一点小问题,也至少没有生命危险。
目前,咱们的天舟货运飞船是一次性的,每次给空间站上送上去货,他就变成了一个临时舱库,航天员从里面取生活实验物资,再把用过的废品,包括垃圾甚至粪便存放在里面,等到装满,货运飞船准备交接班的时候,天舟就离开空间站,再入大气层,连同里面的垃圾废品一起烧毁了。这其实很浪费,因为天舟货运飞船也有他自己的姿控系统,能源系统,货仓的环境控制系统等等,这些系统的寿命远不止半年,完全可以像飞机上的这些系统一样重复使用。而因为天舟不能回收,我们现在空间站虽然上行能力很强,但下行能力不足,也就是把空间站上的东西带回来的能力不足,很多东西其实我们还想要呢,但是因为带不回来,只能塞进天舟里烧了。因为截止目前,我们只能用神舟飞船的那个返回舱往回带东西,运力很小,所以很多的试验样品我们没办法带回地面进行检测,而空间站再高级,上面的检测仪器受限于体积重量,也是不可能有地面上的好的。就拿前段时间很火的那几条斑马鱼来说,最近我看到,他们已经被放进天舟货运飞船了,你看到这个视频的时候,他们可能已经成烤鱼了,为人类的科研做出了贡献。但如果能够带回来,解剖一下,化验一下,是不是就能更深入地进行太空生物研究了。因此,拥有一个可以把更多空间站上的东西带回来的货运飞船,或者说航天飞机,就非常重要了。
从返回地球的方式来看,昊龙航天飞机跟目前的神舟飞船返回舱是完全不同的,神舟飞船这种叫半弹道式,返回时的过载更大,最大温度更高,需要更厚的隔热层,产生的升力比较小,控制力也比较小,所以他的降落精度不太高,需要不停地进行预测,搜救人员向预测点靠拢,最后回收。而昊龙这种叫升力式,也叫滑翔式,说白了就是个滑翔机。它再入的时候温度峰值更低,过载更小,而且他是有机翼的,能够产生气动力,从而在再入的过程中对自己不停地进行控制。于是,他的落点可以非常精准,直接降落在跑道上,这就进一步降低了回收成本,我们不需要那么多直升机和越野车去追返回舱了。
当然,随着技术的不断进步和成熟,这种滑翔式再入的航天飞机方案的成熟性会越来越高,那么未来将他用在载人飞行上的可能性也会越来越高,还是那句话,在莱特兄弟发明飞机之初,哪怕是最简单的飞行,都是勇士们的游戏,但现在民航客机可以轻松随意地将普通老百姓安全送到大洋彼岸。航天也一定会遵循这样的发展规律,成本越来越低,服务人群越来越广,取得地方越来越远。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者:苟胜
审核:周炳红 中国航天科普大使 研究员
出品:中国科协科普部
监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司