美国太空探索技术公司(SpaceX)至今已成功回收火箭13次，可重复使用运载器受到关注。在可重复使用运载器方面，中国有何“动作”?近日，中国航天科技集团公司一院透露，该院正联合国内优势机构共同合作研制可重复使用运载器，并计划于2020年左右首飞。其最终目标是不仅能将单位有效载荷的运输成本降低至现有一次性运载火箭的十分之一，还能大幅缩短发射准备时间，有望像飞机一样实现航班化的天地往返运输。
何为可重复使用运载器
中国航天科技集团公司一院研发中心总体室主任陈洪波说，可重复使用运载器是指利用自身动力携带人员或有效载荷进入预定轨道，可从轨道返回地面，并可多次重复使用的航天运输工具。
陈洪波举例说，载人舱不是可重复使用运载器，因为“它不是利用自身主动力进入空间”。可重复使用运载器融合了航天技术与航空技术，兼具航天器与航空飞行器的特点。
可重复使用运载器多种多样。比如，分为以航天飞机为代表的部分重复使用运载器和以英国正在研发的“云霄塔”空天飞机为代表的完全重复使用运载器;按照主动力形式可分为火箭动力和吸气式组合动力;按照起降方式可分为垂直起飞/垂直降落、垂直起飞/水平降落和水平起飞/水平降落。
“可重复使用运载器的回收方式一般有三种，分别是降落伞垂直下降方案、动力反推垂直下降方案和滑翔飞行水平降落方案。”中国航天科技集团公司五院研究员、中国空间探测专业委员会首席科学传播专家庞之浩说。
庞之浩认为，目前使用的回收方式各有千秋。一方面，由于尺寸、外形等原因，采用垂直下降方案回收火箭的难度远远大于航天飞机回收;另一方面，航天飞机虽然可以水平着陆至指定机场，但其维修成本高，风险较大。
可重复使用运载器的一个优势是降低航天运输成本。业内估算，其单位有效载荷的运输成本可以降低至现有一次性运载火箭的十分之一。另一个优势是大幅缩短发射准备时间，有望像飞机一样实现航班化的天地往返运输。
回顾可重复使用运载器的研发历史，美国曾研制6架航天飞机，其中5架进行了135架次载人发射。苏联曾发射1架“暴风雪号”航天飞机。当前，美国、俄罗斯、欧洲等多方依然在此领域角逐。已经亮相的除有SpaceX的猎鹰九号火箭，还有美国蓝色起源公司(Blue Origin)旗下的亚轨道运载火箭“新谢泼德”，美国空军操作的X—37B小型无人航天飞机等。
“能够回收运载火箭并不代表一定可以重复使用运载火箭。可重复使用运载火箭也并不代表一定可以降低成本。”庞之浩强调。
他解释，研究表明，火箭发动机重复使用10次较为划算，但重复使用次数过多以后，总成本降低得不明显，技术难度显著增加。他注意到，SpaceX总裁马斯克曾表示可重复使用火箭将使进入空间的成本降低两个数量级，但在猎鹰九号重复使用数次以后，SpaceX再未透露成本详情。
可重复使用运载器真的“值”?
“中国造”瞄准2020年“首飞”
一级“背”着二级，一天能飞一次
与猎鹰九号相比，我国运载器的组合和回收方式有所不同。陈洪波说，猎鹰九号以及传统火箭，各子级是采用串联方式。该运载器的起飞方式与传统火箭一样，都是垂直发射，但优选方案是让一二级并联组合在一起，一级“背”着二级，二级机身设置着有效载荷舱。回收时，猎鹰九号一级是垂直降落于海上平台或陆地回收区域，目前暂未实现第二级的回收。而可重复使用运载器的一二级在完成各自任务后，将分别返回着陆场，像飞机一样水平降落在跑道上。
陈洪波说，该运载器的设计重复使用次数在20次以上，初期目标是将单位有效载荷运输成本降至目前的五分之一，未来则有望降至十分之一。
除了降低发射成本，该运载器的发射周期也将大大缩短。据了解，传统火箭的发射准备时间往往长达数月，即使是国内以快著称的小型火箭“快舟”系列，准备时间也需一周左右。而陈洪波透露，该运载器将引入航空领域的快速检测理念和技术，力求具备一天一次飞行的能力。
不过，可重复使用航天器的终极目标，仍是能像飞机一样水平起降、可单级入轨的“空天飞机”。其为了提高在大气层内的飞行效率，需要用涡轮发动机、冲压发动机与火箭形成组合动力。目前，国内已经开展相关研究。
中国可重复使用运载器研制正处于攻关研制阶段，已开展可重复使用运载器总体技术和可重复使用火箭发动机、可重复使用热防护、轻质化结构、高可靠高精度导航制导与控制技术等攻关研究。
“预计在2020年左右，我国自主研制的可重复使用运载器将完成‘首飞’，并将实现10天10次发射、单位有效载荷发射成本降低至现有一次性运载火箭的五分之一等目标。”陈洪波说。
值得注意的是，美国国防高级研究计划局主导的XS—1(试验性太空飞机)也计划在2020年完成飞行试验。
空间站航天员无需担心“断粮”
从外观来看，我国在研的重复使用运载器与传统火箭最显著的区别，就是其一二级均带有飞机一样的“翅膀”。
陈洪波表示，为了实现水平降落回收，一二级需要有航空器的机翼，为其在跑道水平着陆时提供足够的升力。为此，中航科集团公司一院与北京航空航天大学航空学院签订协议，双方将在带翼航天器弹性载荷设计和疲劳载荷谱设计方面开展深度合作。载荷设计的优劣将决定运载器的技术先进性和承载能力。陈洪波说，此载荷指的是飞行器在任务过程中受力的情况。如果载荷设计过于保守，会导致飞行器结构过重，损失运载能力;过于冒进则可能导致结构骨架设计薄弱，影响飞行安全。为满足该运载器重复使用、高频次发射的需求，必须吸纳航空飞行器载荷设计的技术方法。
陈洪波说，该运载器主要面向300至500公里高度的轨道，可满足未来“快速、可靠、廉价”的航天运输需求。例如能承担未来我国空间站的人员、物资运输任务，也能满足军民两用的有效载荷发射需求，还能开发太空旅游等民用产业。
可以想象，未来生活在空间站的航天员再也不用担心“断粮”了，更多人也能有机会前往太空一览美景。综 合
我国空间站与可重复使用航天器构想图
