飞船可重复使用的那些门道

常飞

乘坐“龙”飞船的两位宇航员

波音公司的星际航班飞船

SpaceX公司的“龙”飞船

我国近期试验成功的新一代载人飞船是全面升级的天地往返交通工具，可重复使用。事实上，目前世界上正在研制的5种载人新飞船都是瞄准可重复使用这个目标去的。

那么，这些新飞船为了可重复使用都做了哪些努力？其中有哪些门道？让我们一起来看看。

防护是“重复使用”的关键

目前世界上正在研制的载人飞船一共有5种，它们全都是瞄准可重复使用这个目标而去的。这5种飞船分别是美国的“猎户座”飞船、载人“龙”飞船、“星际线”飞船，俄罗斯的“鹰”飞船和中国的新一代飞船。

载人飞船要想做到可重复使用，需要讨论两个方面的问题。

首先是飞船各种分系统能不能经受得住起飞和再入时的严重冲击，特别是结构分系统会不会因为反复飞行而存在“暗伤”。哪怕一点小小的裂纹，也会在撞击空气的那一瞬间酿成大祸。

第二个方面是飞船的热防护系统的设计。到底是使用每次飞行都更换的烧蚀材料呢，还是使用可以反复用而无需更换的隔热瓦？

当年的航天飞机就选择了后一种技术路线，其外表面布设的碳基复合材料隔热瓦在100多次飞行中都保持了正常使用。虽然“哥伦比亚号”航天飞机正是因为隔热瓦被砸出一个裂纹而失事，但這很大程度上不是隔热瓦的错，而是总体设计的问题。

我国新一代载人飞船试验船于5月5日由“长征五号”B运载火箭在文昌航天发射中心发射升空

航天飞机是一种有人驾驶可重复使用的航天器，它既能像火箭一样垂直起飞，像太空飞船一样在轨道上运行，又能像飞机一样水平着陆

“龙”飞船之所以载人首飞成功，离不开美国航空航天局的大力支持

因为这项技术在原理上是没毛病的，所以美国空军在目前正使用的X-37B空天飞机上，也采用了和航天飞机一样的多次使用隔热瓦和防热设计。不过由于X-37B空天飞机是一种无人飞行器，而且只需要从低轨道返回地球，所以运用这种防热设计的一大缺点是它每次返回都需要进行繁琐的检查、维护，并且还要更换损坏的隔热瓦。

既然这么麻烦，研究人员就开始考虑放弃可重复使用的隔热瓦。这就是“猎户座”飞船、“鹰”飞船和中国新一代飞船的热防护方案，而且这3种星际飞船返回大气层的速度更快、摩擦生热更剧烈，用碳基隔热瓦未必能承受住这么高的热冲击。就算人们能设计一种可重复使用的隔热瓦，制造、使用和维护成本恐怕也非常高，可靠性也没有经过验证。因此，这3种飞船都采用了一次性使用的烧蚀材料热防护罩。

不过大家也发现了，“猎户座”飞船多少还是继承了航天飞机的一些思想。比如它用970块瓦状的烧蚀材料构成了一个覆盖飞船外表面的热防护罩。这样的设计对制造有利（如果在发射准备过程中发现有部分破损，只要更换坏瓦即可，无需更换整个防热罩），但也带来了安装/拆卸过程繁琐、耗时长等问题。

“鹰”飞船的热防护系统细节尚未披露。中国新一代飞船则采用了新型材料。哈尔滨工业大学在官网上说：“新一代载人飞船试验船热防护系统首次采用我校与北京卫星制造厂有限公司联合研发的新型超轻质低烧蚀防隔热一体化复合材料技术方案，与传统AVCOAT材料相比，整体减重30%以上，防热效率大幅提升，有效载荷明显提高。热防护系统承受住了再入返回过程中最高2000℃以上的高温烧蚀……”

载人“龙”飞船的热防护系统采用了碳/酚醛烧蚀材料，货运“龙”飞船的实际飞行证明，这种材料和整个防热方案的表现不错。

而“星际线”飞船几乎就是照着“阿波罗”飞船的外形研制的。由于“阿波罗”是星际飞船，作为低轨道飞船的“星际线”飞船的热防护需求肯定还是要比“阿波罗”飞船低得多，那么直接沿用“阿波罗”方案就足够了。

“重复”对星际飞船要求高

从上述5种飞船的情况来看，我们可以把它们分成星际飞船与低轨道飞船。在这个分类当中，“猎户座”飞船、“鹰”飞船和中国新一代飞船要被归入星际飞船之列，而载人“龙”飞船和“星际线”飞船则无缘进入。那么，这两类飞船有什么区别呢？

星际飞船就是要离开地球引力场，前往另外一个星球，支持人类在那里进行的载人探索活动，然后再把航天员从那颗星球带回地球，再入大气层，安全地回到地面。

大家都知道，宇宙飞行有第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。只要能够满足第一宇宙速度，飞船就可以把人类送进地球的低轨道，但是要想把航天员送到更高的轨道上，甚至是送到其他的星球，哪怕是仅仅送到月球而已，也要达到第二宇宙速度。

这就带来了两个问题。首先，离开地球引力场和地球电离层的保護之后，航天员所面临的宇宙辐射风险就更严重了。所以，星际飞船必须为航天员提供更好的辐射防护，要比我们所熟悉的“联盟”飞船和“神舟”飞船更强。

另外，从外星球返回地球的时候，根据能量守恒原则，它还是会以第二宇宙速度接触地球大气层，这就意味着其要面临更剧烈的气动加热。虽然第二宇宙速度在数值上只比第一宇宙速度多了3.3千米/秒，但是能量和速度的平方成正比，这也就意味着，如果考虑各质量相同的物体，当它以第二宇宙速度再入时，能量要比以第一宇宙速度再入多了1倍。这就要求星际飞船的热防护能力要比低轨道飞船强得多。

目前，美国的“猎户座”飞船已经进行了实验飞行和逃逸救生实验。近日，载人“龙”飞船更是将两位宇航员送上太空，与国际空间站成功对接。此前，载人“龙”飞船不但进行了成功的飞行，而且还在全世界面前演练了一次成功的逃逸救生。波音公司的“星际线”飞船首次飞行虽然惨遭失败，但毕竟暴露出了问题，而且飞船的大系统经受住了考验。中国的新一代飞船刚刚实施了一次成功的无人飞行。据悉，该飞船的主要分系统表现出色，还进行了3D打印等空间科学实验，载人飞行的前景是非常乐观的。