進入21世紀以來,人類航天技術的發展日新月異,從目前來看,航天事業皇冠上有兩顆明珠,一顆是以X-37B為代表的可重複使用的有翼飛船,**朋友習稱之為“太空飛機”,另一顆是以SpaceX的獵鷹9號火箭為代表的可重複使用的運載火箭。
在很長一段時間裡,美國在這兩個賽道上一直處於領先地位,直到3年前,中國的可重複使用試驗飛船成功首飛,徹底打破了其在該領域的技術壟斷。
12月14日,新華社發布全文僅100字的新聞稿報道稱,中國可重複使用的試驗飛船由CZ-2F運載火箭成功發射。
同一天,美國原本也計畫用獵鷹重型火箭發射X-37B,但由於技術故障,最終從發射站撤回到工廠,預計推遲數週。
X-37B的重型獵鷹火箭撤出。
中國可重複使用的實驗太空飛行器已成功執行了三次發射任務,前兩次分別是:
第一次:2024年9月4日發射,2024年9月6日返回,任務時長1天以上;
第二次:2024年8月5日發射,2024年5月8日返回,任務時長276天。
在軌任務的持續時間越來越長,相信第三次飛行也將再創佳績。
新聞稿很短,但有一些關鍵資訊,例如在CZ-2F火箭上發射意味著可重複使用的測試太空飛行器的發射重量為8高達6噸,它還可以自主返回預定的著陸點。
7年前用於天宮二號空間實驗室發射任務的CZ-7FT運載火箭。
近三年來,堪稱“絕密”的可重複使用試驗飛船,從未透露過真實身份,但這並不妨礙其作為國家重要武器的戰略價值,我們也可以瞥見美國X-37B管中的豹子。
雖然**朋友習都把X-37B和可重複使用的測試飛船稱為“太空飛機”,但這完全是乙個誤區,可以先看看穿梭機和太空飛機的定義:
穿梭機是指利用助推火箭垂直起飛,然後啟動軌道器進行軌道導航,返回地面時滑翔著陸,可重複使用。
航空穿梭機是一種可以在機場跑道上水平起降的飛機,可以在大氣層內外飛行。 該發電廠在大氣層內使用吸氣發動機,在大氣層外使用火箭發動機。
翱翔的天空飛機。
顯然,雖然X-37B看起來像飛機,能夠飛入太空,但它仍然需要依靠運載火箭垂直起飛來助推發射,只能在大氣層中無動力滑翔飛行,這是穿梭機的典型特徵。
X-37B與火箭整流罩相結合。
可以看出,無論是X-37B還是可重複使用的運載火箭,對於美國航天來說,都是半個多世紀以來持續高強度投入的龐大技術資產存量再開發的結果。
雖然穿梭機和穿梭機的定義不同,它們所代表的技術水平也不同,但它們都屬於“航天飛行器”,都可以跨越大氣層內外的域飛行,它們的飛行特性都離不開乙個詞,那就是“高超音速飛行”。
雖然X-37B已經走在了前面,但美國在高超音速飛行領域的落後也很明顯,海陸空三軍研製的高超音速飛彈,無論是吸氣式還是滑翔式,都屢屢失敗,與中國令人眼花繚亂的各類高超音速裝備形成了強烈的對比。
從東風-26的雙錐滑翔制導彈頭,到東風-17的乘波彈頭,再到各類吸氣式高超音速飛行器發展的突破,我國無疑在高超音速裝備領域躋身世界先進梯隊前列。
這一切都得益於科學的戰略決策,早在上世紀90年代初,載人航天工程立項之前,國內相關院所和單位就載人天地往返飛行器的選型進行了大討論,並有多項設計方案參與打分選型,包括多種有翼飛船、 甚至還有乙個更激進的兩級軌道航空穿梭機計畫。
在官方的評分評選中,穿梭機計畫獲得了最高分,這與我們今天看到的神舟飛船計畫完全不同。
然而,航空航天工程從來都不是乙個簡單的技術問題,因為它涉及到人力、物力、財力的控制,是乙個戰略性工程。
雖然基於戰略考慮,載人飛船計畫適合中國當時的基本國情,但這並不意味著穿梭機計畫落後,相反,因此,在投票支援載人飛船計畫後不久,錢學森再次向年輕一代航天員發出了乙個資訊: 航天工業的另一大發展是穿梭機,特別是作為民航工具,可以在半小時內穿越20000公里,因此穿梭機應該是21世紀的重大成就。21世紀的中國人一定要在穿梭機上大顯身手,這是全國性的大事!
穿梭機和穿梭機並不是完全不同的技術軌道,穿梭機的發展通常需要穿梭機的技術積累,也可以說穿梭機的發展是突破穿梭機研發瓶頸的必由之路。
* 朋友們也習稱X-37B為空天戰鬥機,對它充滿了軍事幻想,但實際上,X-37B確實撐不起這個稱號。
比如有人說,X-37B可以進行軌道機動,捕獲別國的飛船進行破壞,即使不能摧毀,也可以對別國的太空飛行器進行近距離偵察。
從理論上講,X-37B可以做這些事情,但有些軍用衛星更適合做這些事情。 以X-37B穿梭機為例,當它在軌執行時,它自身的機翼、隔熱瓦等結構都死了,在進行軌道機動飛行時,它需要比同等功能的衛星消耗更多的燃料,而且它只擅長改變軌道高度的機動,在很寬的範圍內改變軌道傾角的能力非常有限。
無論是X-37B還是我們的可重複使用的測試太空飛行器,它們的核心價值仍然在於技術驗證,為未來真正的航空穿梭機的開發開闢了道路。
例如,當有翼飛船返回地球時,進入速度可以達到25馬赫,幾乎是殲-20最高速度的12倍,並且在與大氣高速摩擦的過程中,會形成高溫等離子體護套,溫度可以達到2000攝氏度以上,這需要高效能的隔熱材料來遮蔽和保護太空飛行器。
我國在保溫材料領域的技術水平已處於世界領先水平,最具代表性的是三年前應用的新一代載人飛船試驗船“輕質碳基微燒蝕熱保護材料”。這種材料可以抵抗3000攝氏度的高溫燒蝕,可用於載人登月、載人登陸火星、載人登陸小行星等各種深空探測器的返回。
過去,再入太空飛行器抵抗高溫燒蝕的方法是將尺寸的重量堆積在隔熱材料上,如美國用於載人再入月球任務的獵戶座載人飛船,發射重量達到265噸,其中返回艙的重量為104噸,返回艙的內部生活空間僅為9立方公尺。
獵戶座飛船在軌道上的鏡頭。
獵戶座飛船返回地球後。
獵戶座飛船的返回艙內。
是的由於其落後的保溫材料,需要較大的側壁傾角,這也是為什麼獵戶座飛船返回艙看起來更低的原因,為了降低返回艙側壁的熱壓力,較大的側壁傾角直接壓縮了返回艙的內部生活體積,其材料相對笨重, 本來就很擁擠的空間變得更加侷促。
我國輕質碳基微燒蝕耐熱材料完全不同,材料密度極低,本身重量輕,而且還有微燒蝕作用,也就是說在再入燒蝕過程中,只需要一小部分燒蝕材料就可以完成保溫控溫的任務, 由於效能優異,因此我們返回艙側壁的傾斜角度非常小。
與獵戶座飛船相比,我們側壁的傾角明顯更小。
這樣,首先,可以從結構中獲得較大的回流膠囊內部容積,其次,由於其優良的保溫效能,只需少量的保溫材料即可完成保溫任務,進一步釋放回流膠囊的內部容積。
新一代載人飛船試驗船返回艙的高速再入。
新一代載人飛船試驗船返回地球後在返回艙內的外觀。
所以我國新一代載人飛船試驗船返回艙在比獵戶座飛船返回艙輕3噸的基礎上,內部空間大達13立方公尺,比獵戶座飛船多4立方公尺。可以說,國產輕量化碳基微燒蝕耐熱材料已經形成了對獵戶座飛船、載人龍飛船、CST-100星際飛船的跨代領先優勢。
新一代載人飛船返回艙內的大空間有乙個可拆卸的貨艙。
這只是載人飛船用新一代的保溫材料,我國又有另一種不便於公開的新型金屬基保溫材料,已廣泛應用於各類太空飛行器。
除了隔熱外,還有新一代導向技術的應用。
嫦娥五號T1試驗車、新一代載人飛船試驗船、嫦娥五號探測器、天問一號探測器、神舟系列載人飛船均搭載了我國獨創的自適應校正制導技術。
Adaptive Correction Guidance Technology的全稱是“全數字、全係數自適應**校正指導”。它可以根據太空飛行器的飛行狀態和當前的制導策略預測飛行結束誤差,並根據飛行過程中的誤差和相應的約束條件獨立計算下一步的制導策略,直到太空飛行器被準確引導到飛行結束。
新一代載人飛船試驗船的返回艙在靶心中。
基於這項技術,三年前,新一代載人太空飛行器測試船的首次飛行創造了10事實上,借助這項技術,嫦娥五號T1試驗車在月地高速再入任務中重新整理了同類載人飛船降落傘開啟點的精度。 此後,該技術幫助天問一號著陸車高精度登陸火星。
自適應校正引導技術可以說是靈丹妙藥,其應用領域非常廣泛特別是,它可用於航空太空飛行器的再入飛行這就是為什麼在短短三年內,我們能夠與過去世界上最好的公司競爭。
除了目前已經應用的各種高科技產品外,為了盡快打通穿梭機研發的技術通道,我們一直在進行前瞻性布局,有的甚至跨過了技術攻關的層面,正在迅速接近工程化應用的目標。
例如,適配騰雲穿梭機的雲龍聯合動力發動機已經完成了原理樣機的研製,以及不久前央視大規模報道的JF-22高超音速風洞和爆震脈衝發動機。
雲龍組合動力發動機原理樣機。
除了高科技裝備的研發布局,我更懂得如何快速將科技成果轉化為戰鬥力,比如烏鎮-8高速無人機,可以實現大規模快速偵察,獲得一流的戰場情報,為各種作戰平台提供打擊制導。
沒有偵探八。 另一方面,美國在這些方面總能定下高調,但最終的落地工程可以說是雞毛......
可以肯定地說,人類第一架真正有能力在大氣層內外太空自主飛行的穿梭機,將率先在中國誕生。