可重複使用太空飛行器是指可以重複使用的、能夠迅速穿越大氣層,自由往返於地球表面與太空之間,運送乘員和有效載荷;也可以指較長時間在軌停留和機動、完成各種任務的太空飛行器,包括載人飛船、貨運飛船、推進飛行器、行星著陸器、太空梭等。
2020年9月4日中國在酒泉衛星發射中心成功發射的可重複使用太空飛行器，在軌飛行2天后，於9月6日成功返回預定著陸場。這次試驗的圓滿成功，標誌著中國可重複使用太空飛行器技術研究取得重要突破，後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。
基本介紹
- 中文名：中國可重複使用試驗太空飛行器
- 外文名： Experimental reusable spacecraft
- 首發時間：2020-09-04
- 領域：航空航天
介紹,優點,關鍵技術,發展概況,研究意義,戰略意義,科技意義,
介紹
2020年9月4日，我國在酒泉衛星發射中心成功發射可重複使用太空飛行器，在軌飛行2天后，於9月6日成功返回預定著陸場。這次試驗的圓滿成功，標誌著我國可重複使用太空飛行器技術研究取得重要突破，後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。
優點
載人航天任務主要包括近地軌道空間站任務和載人登月、月球基地以及火星基地等載人深空探測任務。隨著載人航天活動規模的擴大，人類在空間居住與生存的時間越來越長，承擔人員與貨物運輸的太空飛行器的發射頻次也越來越高。而高昂的成本是制約大規模載人航天任務發展的主要因素，尤其是隨著商業資本進入載人航天領域,太空飛行器的低成本運營已成為未來載人航天可持續健康發展的必然要求。從國內外新一代可重複使用載人飛船技術的發展來看，發展可重複使用太空飛行器技術是降低載人航天任務成本的主要手段之一。
關鍵技術
航天運輸系統構建
復使用航天運輸系統總體來看可分為三種技術途徑:一是傳統運載火箭構型重複使用, 一般包括運載火箭助推/子級回收和垂直起降運載火箭;二是火箭動力重複使用, 如升力式構型運載器等;三是組合動力重複使用, 如火箭基組合循環、渦輪基組合循環發動機、複合預冷等。我國已經在上述三種重複使用技術的發展路線上同步推進並形成了梯次能力。
美國基斯特勒宇航公司（Kistler）的K-1、空間探索技術公司（SpaceX）的Falcon9火箭先後開始研製基於多級入軌的完全可重複使用運載火箭。
K-1是一種完全重複使用的兩級運載火箭，分別為助推級運載器平台和軌道級運載器。助推級飛行至41.2km的高度時與軌道級分離並返回發射場，通過降落傘和氣囊完成著陸。軌道級運載器採用真空推力型發動機NK-43將有效載荷送至預定軌道，經過自身姿態的調整，通過軌道機動發動機點火工作實現降軌，從而重新進入大氣層並自主返回，隨後同樣採用降落傘和氣囊著陸。
與K-1火箭不同，可重複使用的Falcon9火箭的一級、二級能夠利用自身引擎實現基於起落架的垂直著陸，實現火箭的完全垂直回收。
第1級由亞軌道垂直返回發射場，第2級由於再入大氣層，因此需要設計專門的熱防護系統。兩級圓柱形火箭不會像太空梭那樣滑翔返回，而是依靠空氣動力學自製導返回，並垂直下落，通過火箭的動力反推進行減速並著陸。Falcon9可重複使用運載火箭各級的著陸器採用4腿式方案，4個鋼製腿狀支架均勻分布在火箭底部，其中二級著陸支架有向外展開和向內摺疊兩種布局方案，前者是避免由於發動機噴管火焰的燒蝕，後者是為了使其免受再入阻力。可重複使用的各級火箭通過燃料的補充和適當的修復，實現重複發射。
可重複使用熱防護技術
可重複使用熱防護技術是未來可重複使用太空飛行器必須解決的技術難題之一。新一代可重複使用太空飛行器的特點要求熱防護系統滿足耐高溫更高、抗燒蝕、可重複使用、高效隔熱、高可靠性以及低成本等要求。
太空飛行器結構壽命跟蹤系統
太空飛行器可重複使用可顯著降低空間旅行的成本，而太空飛行器在兩次飛行之間的結構健康狀況評估成為關鍵問題之一。經研究提出了一種用於太空飛行器結構壽命跟蹤的數字雙框架，數字雙框架是工程系統的數字表示。它可以對真實工程系統進行實時模擬、監測、診斷、狀態預測和最佳化操作。
發展概況
“星艦”系統
由“星艦”和超重火箭構成的“星艦”系統是SpaceX下一代完全可重複使用運輸系統。每次發射後，超重火箭可以返回地面。而“星艦”本身也有強大推力，可以靠自己前往火星和月球。
“星際客船”
“星際客船”是波音公司（Boeing）與NASA“商業乘員計畫”合作開發的新一代載人飛船，主要用於執行近地軌道任務。
“星際客船”為兩艙段設計，包括航天員艙和服務艙兩部分。乘員艙為錐形，主要負責運送乘員和貨物；服務艙為圓柱形，具備發射逃逸、姿軌控、發電、熱輻射等功能。飛船最多可搭載7名航天員，也可以乘員加貨物的形式進行混合搭載。飛船獨立飛行狀態設計壽命60h，對接狀態設計壽命210天，具備重複使用能力，最多可使用10次，以6個月為周期實現復飛。
“獵戶座”飛船
“獵戶座”飛船是美國“阿爾忒彌斯”（Artemis）計畫的重要組成部分，承擔了關鍵的乘員地月往返運輸功能。飛船由洛馬公司（LM）牽頭研製，團隊包括主要分承包商航空噴氣發動機-洛克達因公司（AerojetRocketdyne）、聯合技術宇航系統公司（UTCAerospace Systems）、霍尼韋爾公司（Honeywell），以及眾多次要分承包商和小企業；歐洲航天局（ESA）承擔了服務艙的研製工作。
“獵戶座”飛船具有多用途、可重複使用的特點，設計能夠到達月球、小行星等多個目的地。“獵戶座”飛船由乘員艙、服務艙和發射緊急中止系統構成。飛船可搭載4名航天員，乘員艙可重複使用，最多可執行10次飛行任務。
“雄鷹”載人飛船
俄羅斯“雄鷹”載人飛船主要用於月球探測任務，並能夠自主開展空間實驗和研究。
“雄鷹”飛船最多可搭載4名航天員，可在軌自主飛行近30天，也可停靠在空間站上在軌駐留近1年的時間。在執行短期地月往返飛行任務時可重複使用10次，在執行長期與繞月軌道站對接任務時，飛船可重複使用不少於3次。
中國可重複使用試驗太空飛行器
2020年9月4日，中國在酒泉衛星發射中心，利用長征二號F運載火箭，成功發射一型可重複使用的試驗太空飛行器。標誌著中國可重複使用太空飛行器技術研究取得重要突破，後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。
研究意義
戰略意義
隨著X-37B軌道試驗飛行器的連續飛行試驗成功，其先進性能和可能軍事用途引起了世界各國的極大關注。雖然X-37B還只是一架技術驗證機，但以美國太空梭的成熟技術和幾十年的使用經驗，美國的“空天飛機”遲早會成功，空天飛機的出現及大量運用將對未來戰爭產生深刻的影響。在當前的戰略機遇期,需要緊密跟蹤先進國家在關鍵領域的研究動態和進展，借鑑有關經驗和教訓，科學謀劃實施，加強關鍵技術研究攻關和裝備研製，全面提升進入空間、利用空間和控制空間的能力。
科技意義
可重複使用運載器的研究將帶動高超聲速空氣動力學、高精度制導控制、先進空天動力、耐高溫輕質材料與結構製造、重複使用評估標準等學科和技術的發展，即對重複使用運輸系統開展的相關研究將進一步促進我國基礎學科和工程技術水平的整體提升。
總之, 航天運輸系統是牽動航天產業發展和科技進步的龍頭。重複使用運載器的發展會提升我國自主進入空間的能力, 加快我國運載火箭更新換代的腳步, 助力我國向世界航天強國邁進。
