二十九年前钱学森曾这样写道,二十一世纪的中国人,一定要在空天飞机上显一显身手,一件国家大事。
参与载人天地往返运输系统竞争的5个方案
钱学森同志发自肺腑地写出这句话时,“载人飞船”与“带翼飞行器”两类天地往返运输载具设计方案的竞争刚刚告一段落,在这一竞争过程中钱学森为“载人飞船”投下了关键一票,这是他作为战略科学家结合当时的综合国力从战略全局考虑的选择。
与天和核心舱径向交会对接的神舟载人飞船
载人飞船方案的最终胜出成就了“神舟载人飞船”,事实证明钱学森的选择符合客观实际,通过神舟载人飞船的研制,我们先后掌握了载人天地往返、多人多天、出舱行走、交会对接等一系列关键技术,为今天全球现役唯一由一国打造的载人空间站“天宫”的落成奠定了坚实基础。
作为战略科学家一只眼睛要紧盯现实,另一只眼睛也要放眼未来前置布局,钱学森早在近半个世纪前就提前布局了带翼航天器的研究工作,并作出21世纪要在空天飞机上显一显身手的战略预判。
十多年前,国际空间站宇航员拍摄的奋进号航天飞机。
带翼航天器的种类有很多,航天飞机、空天飞机、带翼火箭(SpaceX公司的星舰)等都属于带翼航天器,大洋彼岸的航天飞机退役之后也从未有一刻放松带翼航天器的研制,除星舰以外,还有X-37B小型航天飞机项目。
小型航天飞机X-37B
与大洋彼岸相比,我们再次走出了一条弯道超车之路,以DF-21D、DF-26为代表的高超音速飞行器的研制,以及以DF-17、星空二号为代表的乘波体飞行器的研制,使得我们在带翼航天器领域取得了令世人瞩目的领先优势,这些装备成果不是实验室成果,而是已经列装肉眼可见的战斗力。
过于先进,不能展示细节。
反观大洋彼岸,由于一系列尾大不掉的阻碍因素影响,在带翼航天器领域发展缓慢,先是XS-1带翼火箭下马,然后是一系列高超音速项目先后折戟,就在前几天该国舰载双锥体高超音速飞行器CPS在夏威夷因为点火未成功而测试失败。
由于预算问题被迫下马的“XS-1”
我们是通过多个单项技术的突破,并使之快速转化为“战斗力”,随着时间的推移就能够聚沙成塔,这里的“塔”指的就是“空天飞机”。
4年前,多型空天飞行器缩比模型空投试验画面。
腾云空天飞机
空天飞机需要一系列核心技术的突破方可实现,这是一种依靠自主动力可自由往返于大气层内外空间的天地往返运输载具。
航空飞机活动空域通常是30公里以下,航天器的活动空域是100公里以上,而30至100公里高度区间的空域,人类制造的可自由活动的飞行器就很少了,因为这里大气稀薄,传统航空发动机无法工作。只有探空气球,以及运载火箭可以触及这一高度层,这里就是“临近空间”,也被称为“亚轨道”。
临近空间是空天飞行器的乐园
空天飞机想要依靠自主动力起飞入轨,就必须攻克亚轨道飞行技术,这就需要组合动力发动机,这是一种可以衔接低空大气飞行、高空大气飞行、轨道飞行的新型发动机,而我们是全球距离拿下此项技术最近的国家。
2022年7月4日,由西北工业大学航天学院空天组合动力创新团队牵头研制的“飞天一号”火箭冲压组合动力成功实施了发射任务,在国际上率先验证了煤油燃料火箭冲压组合循环发动机火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡和宽域综合能力,突破了热力喉道调节、超宽包线高效燃烧组织等关键技术。
飞天一号
飞天一号飞行试验画面
由火箭动力引射亚燃动力,再由亚燃引射超燃,然后火箭与超燃之间还能切换,这是典型的火箭基RBCC组合动力类型。
空天飞机与“重复使用运载火箭”一样,都是可重复使用的天地往返运输载具。
重复使用运载火箭的优势是运载系数高,在可预见的未来仍然是运力担当,但是燃料消耗成本要高于空天飞机。
某型空天飞行器风洞试验
空天飞机的优势是机动灵活,燃料消耗成本低,劣势是结构质量大,运载系数偏低,但随着重复使用次数的增加,空天飞机的优势会更突出。同时随着时间的推移,技术的发展,空天飞机目前肉眼可见的劣势最终也将被化解。
因此,空天飞机与重复使用运载火箭两条技术路线需要兼而有之,而不能有所偏废。