航天器可重复使用缘何意义重大？

航天器可重复使用原核意义重大。5月8日，我国发射的可重复使用试验航天器在轨飞行276天后成功返回预定着陆场。此次试验的圆满成功，标志着我国可重复使用航天器技术研究取得重要突破，后续可为和平利用太空提供更加便捷廉价的往返方式航天器可重复使用技术式航天领域的创新高地也是建设航天强国的重要一步虽然官方并未对外披露试验细节但此次成果无疑是我国航天事业的又一重大进展今天我们就来了解一下什么是可重复使用航天器及其发展现状和深远意义为何首先探索可回收火箭可重复使用航天器只可以重复使用的能够迅速穿越大气层自由往返于地球表面与太空之间运送乘员和有效载荷的航天器它们可以是载人飞船货运飞船可以是推进飞行器。行星着陆器，也可以是航天飞机，空间运载器等。大家知道，任何航天器都需要运载火箭帮助其升空或再返回时需要火箭的帮助。

目前普遍采用的一次性火箭携带卫星或飞船升空时会在飞行过程中抛下一些部件如助推火箭第一级火箭逃逸塔整流罩第二级火箭第三级火箭这些部件统称为残骸不能再使用而如果能回收第一级火箭甚至是第二级火箭就可能实现重复使用火箭能顺利返回地球软着陆并重复使用对太空探索会产生重大影响。至少将大幅缩减太空探索太空旅行的成本。其实让可回收火箭在陆地或海面平台上着陆的想法几十年前就已有科学家提出但在2014年前从未有过尝试。美国的太空探索技术公司是第一个进行这种试验的探索者曾两次对猎鹰九号第一级火箭开展回收试验2014年4月19日3时25分太空探索技术公司发射猎鹰九号运载火箭几分钟后。利用火箭助推将第一级火箭降落在大西洋里另一次试验也让第一级火箭成功在海面垂直平稳落水太空探索技术公司第一级火箭回收的原理是运在火箭发射升空三分钟内等第一级火箭关机并与上一级火箭分离后不久直径十二英尺的第一级火箭会重新点燃若干火箭发动机用于减速制动几分钟后第一级火箭在距离水面不高的地方再次点燃一台发动机使火箭以较慢的速度降落到大西洋中在火箭可以实现落入海中的回收方式后太空探索技术公司设计了第一级火箭在陆地上回收的装置即第一级火箭配备四条由碳纤维和铝蜂窝板制成的着陆支架在第一级火箭下落的过程中这个高25英尺的支架向外伸出以便保证其软着陆经过多次试验2015年12月猎鹰九号的第一级火箭首次成功降落在陆地回收场上实现了历史突破后。在2016年4月猎鹰九FIT又完成了在海上平台的火箭回收2017年3月太空探索技术公司将一枚回收的一级火箭用于再次发射这意味着人类真正实现了火箭的回收和重复使用之前全世界的运载火箭都是一次性航天工具重复使用不仅节约还更安全无论是研发和使用可回收火箭还是航天器其意义。不只是降低成本还有利于保障地面人员及财产的安全火箭发射时被抛下的部件中除了第三级火箭之外。

其他部件会因为高度不足无法完全燃烧而成为残骸降落到地面或水面为此火箭发射器需要精确的火箭弹道也需要设计好箭下点箭下点经过的区域及残骸坠落区要尽量保证地面安全过往经验表明尽管有精密的设计且残骸坠落区相对固定仍然不能完全避免会有火箭残骸落入民居损坏财物甚至还会有伤人事件发生例如在1997年1月美国德尔塔二火箭的第一级火箭在空中解体后的残骸坠落在俄克拉荷马州险些击中友人居住的农舍可回收火箭还具有环保的意义早在2004年6月22日美国环保组织发布的一项研究报告指出由于美国不断发射火箭环境受到火箭燃料导弹助推器燃料等物质的长期污染大量有毒的高氯酸盐残存在土壤和水流中在美国环保组织抽查的32份加州牛奶样品中有31份都含有高氯酸盐且超过了安全标准为了避免这种风险一方面可以通过使用不含高氯酸盐的新燃料来解决另一方面如果能回收第一级甚至第二级火箭就能尽量减轻对环境的影响当然可回收火箭的成功最直接的益处就是能大大降低太空探索的成本让人类更容易进入太空英国金斯顿大学火箭实验室主管亚当贝克博士表示在当前情况下太空探索极其昂贵如果能够把火箭发射费用成功降低50%以上更多的太空应用将会变得可能更多的卫星和飞船可以进入太空人们也可以利用太空资源向地面提供更多的服务。比如利用空间太阳能技术。另外，全世界会有更多宇航员有机会进入太空可以飞往月球火星等其他星球或许在未来还能实现人类移民火星的梦想现在太空探索技术公司给出了一个信号今年4月20日该公司的新建发射失败但这次失败的发射完成了第100次一级火箭的回收根据设计方案新建的一级和二级结构都可以回收重复使用新建的超重推进器可重复使用1000次新建可重复使用100次同时一艘新建单日最多发射三次发射成本可以降低到200万美元甚至100万美元如果这个目标能够全部实现相当于把1000g物品送上太空只需几十美元把一个人送上太空只要数千美元有望实现普通人遨游太空可重复使用航天器如果研制成功并商用就有可能让普通人的太空旅行之梦变为现实首先可重复使用航天器的价格有望变得像民航班机那样便宜令多数人负担得起其次离开地球去太空时分吸引人哪怕只是短暂的几个小时或者几天时间。至于通过可重复使用航天器进行太空探索和研究，则具有更大的科学，经济和社会价值。当然，太空旅行需要良好的身体素质，现在已经有人做出榜样，成为太空旅游的先驱。2021年7月20日维珍集团创始人理查德布兰森与另外五名人员首次乘坐自家公司的太空船飞到太空边缘于北京时间23时44分左右安全返回地面成为第一批太空游的旅客这种形式的太空游似乎更容易实现人们遨游太空的梦想前面提到可重复使用航天器可由火箭或其他飞行器搭载升空到一定高度再由航天器通过自身动力在太空飞行按飞行高度来分包括亚轨道飞行器和轨道飞行器维珍银河公司研制的太空船二号属于亚轨道飞行器是由母鸡白骑士二号带至一点4km高空投放随后太空船二号启动自身火箭发动机飞升道距地面约86km的高空20世纪著名航天工程学家冯卡门根据空气动力学原理计算出离地面八十三点6km以上才算是太空但为了方便记忆和计算。建议把这一高度定为100000米及卡门线。

按此标准计算的话，布兰森等人的太空游并非真正意义上的太空游。不过美国航天局的标准是，只要超过八十三点6km就算，是进入太空布兰森的太空游被视为亚轨道太空旅游或太空边缘游还有一种方式可以重复使用航天器将运载器动力系统按火箭发动机来设计运作起飞阶段就像火箭发射一样但运出速度没有达到第一宇宙速度所以不能环绕地球飞行运载器可爬升到距地球一百多千米的亚轨道上停留约十分钟后再依靠惯性像飞机一样返回地球水平着陆整个过程大约30分钟全程都按照预定程序全自动飞行目前这种航天器也尚在试验阶段探索和平利用太空的往返方式最早的可重复使用航天器式航天飞机技术相对成熟它及火箭卫星和飞机的技术特点于一身能像火箭那样垂直发射进入空间轨道又能像卫星那样在太空轨道飞行还能像飞机那样载入大气层滑翔着陆且其主要机械在返回地面后经过整修还可以继续使用美国是最早研发可重复使用航天飞机的国家1981年4月12日美国第一哥伦比亚号航天飞机成功首飞和返回此后美国航天局制造了挑战者号发现号亚特兰蒂斯号和奋进号四架航天飞机加上哥伦比亚号共五架不幸的是挑战者号和哥伦比亚号分别在1986年1月28日和2003年2月1日执行太空探索任务时发生爆炸有十四名宇航员丧生苏联在1986年研发了第一架暴风雪号航天飞机并于1988年进行了无人自动首航试验取得成功原本这款航天飞机决定在1993年进行第二次试飞但最终未能成型随着近年来太空探索的深入安全系数低发射成本高且主要服务于近地轨道的航天飞机暂告一段落2011年7月21日美国在亚特兰蒂斯号执行最后。一次任务后，决定永久停止使用航天飞机如今随着美国X三七B轨道试验飞行器的连续飞行试验成功其先进性能引起了世界各国的极大关注。甚至被视为新型航天飞机及现在称呼的空天飞机空天飞机是航空航天飞机的简称是既能航空又能航天的新型飞行器有望把空间开发推向新的阶段现在世界上很多国家都在研究这种集飞行器太空运载工具及航天器于一身的航天运输系统最重要的是它可以作为载人航天器重复使用按照理念空天飞机同时具有飞机发动机和火箭发动机可以像飞机一样从机场跑道起飞以高超音速直接进入太空返回地球时也可以像飞机一样在机场跑道降落成为自由往返天地之间可重复使用的航天飞行器回顾整个航天时高昂的航天发射成本是限制航天事业发展的主要因素之一因此科学家一直在向可重复使用航天器的目标迈进2020年9月4日我国在酒泉卫星发射中心由长征二号F运载火箭发射一个可重复使用试验航天器在轨运行一段时间后成功返回预定着陆场2022年8月5日再次由长征二号F运载火箭发射一个可重复使用试验航天器并成功返回今年5月8日我国又一个可重复使用试验航天器成功着陆与之前不同的是该航天器在轨飞行了276天取得了重大突破当前世界上主要航天大国和地区已拥有不同程度的重复使用技术储备形成了多种重复使用运载器方案我国推动的空天运输航天器项目如文章开头所说。意在为和平利用太空提供更加便捷廉价的往返方式未来我们将可实现亚轨道，和地球轨道，的太空旅游以及人与货物的太空高效运输