從低成本角度探討航天運載器技術發展路線

　　摘要 為降低航天運載發射成本，傳統的航天運載器經歷了一次性使用運載火箭、航天飛機、可重復使用運載火箭的發展歷程。分析了一次性使用運載火箭、航天飛機、可重復使用運載火箭、空天飛行器的運載方式與運載成本，研究了國外空天飛行器發展情況，概括了空天飛行器發展面臨的寬域高超聲速流動與燃燒問題、真實氣體效應問題、多種熱力循環模態轉換與匹配問題、超高溫作用下材料/結構熱防護與失效問題、寬域高動態強耦合飛行控制問題。通過重復使用水平起降空天飛行器有望大幅降低航天運載發射成本，但也面臨巨大的技術挑戰，需重點投入和攻關。

　　本文源自朱坤; 楊鐵成; 周寧， 飛航導彈 發表時間：2021-07-16

　　關鍵詞 航天運載器、空天飛行器、技術路線、重復使用、低成本

　　引 言

　　現代衛星的大規模應用對降低航天發射費用的需求日趨強烈。2019 年，美太空探索技術公司(SpaceX)提出的星鏈計劃[1]獲得美國聯邦通信委員會(FCC)批準，將建成 4.2 萬顆衛星組成的低軌互聯網巨型星座。同時，隨著導航、氣象、科研、偵察、測繪等衛星需求的急劇增加，航天運載發射呈現出“井噴式”發展態勢。除衛星發射外，空間站補給、太空維護與救援、深空探測等活動也對未來航天運載提出了更多需求。

　　航天運載器代表了進入空間的能力，是開發利用空間資源的基礎。降低航天發射費用、縮短航天運載發射周期是未來航天運載器發展的重要方向。一次性使用運載火箭的發動機比沖較低，箭體和發動機無法重復使用，發射準備周期長，難以滿足未來大規模低成本空間開發需求;航天飛機實現了軌道飛行器、固體燃料助推器的重復使用，但其不成熟的結構熱防護技術使其發射成本居高不下，最終被迫退出歷史舞臺;可重復使用運載火箭實現了箭體、火箭發動機及其它部分設備的垂直回收和再次使用，有望通過多次重復使用將運載成本降低至一次性使用火箭發射成本的三分之一;水平起降空天飛行器可利用大氣層中的氧氣從而大幅度降低起飛質量和總體規模，具備完全可重復使用能力，能夠滿足未來廉價、快速、便捷、自由進出空間的需求，具有巨大的發展潛力。

　　1 傳統航天運載器

　　傳統航天運載器運載方式經歷了由一次性使用運載火箭、航天飛機到可重復使用運載火箭的發展歷程，體現了人類對不斷降低發射費用的探索與實踐。

　　1.1 一次性使用運載火箭

　　長期以來，航天發射主要采用多級運載火箭。垂直發射快速穿過 50 km 稠密大氣層，然后再逐漸傾斜至水平入軌。由于火箭發動機的比沖低[2](液氧/煤油發動機的地面比沖約為 300 s，液氫/液氧發動機約為 390 s)，為實現入軌飛行運載火箭需采用多級形式，在飛行中依次拋掉已工作完畢的一級、二級火箭，減輕后級加速質量，才能將衛星不斷加速送入軌道。各級火箭殘骸落入大氣層墜毀或燒毀，可見運載火箭一次性使用導致運載費用很高。

　　在一次性使用運載火箭成本構成中，發動機約占總成本的 54.3%，箭體結構約占總成本的23.6%，電氣系統約占 8%，閥門管路及執行機構約占 8.1%，點火、級間分離等火工品約占 5.3%，推進劑成本約占 0.7%。一次性使用運載火箭對于低地球軌道發射費用每噸約為 300 萬美元，難以滿足未來大規模低成本空間開發需求。

　　1.2 航天飛機

　　火箭發動機和箭體結構的成本約占運載火箭成本的 78%，高價值發動機和箭體結構的一次性使用是使運載發射成本較高的重要原因，因此，20 世紀 70 年代美國啟動了航天飛機研發，試圖通過將火箭發動機和整機水平著落方式回收重復使用，從而大幅降低發射成本。預計航天飛機單次發射費用為 5 400 萬美元(運載能力 24 t，225 萬美元/t)，1981 年首飛成功，30 年內共飛行了 135 次。

　　航天飛機由軌道飛行器、兩個固體燃料助推器和整體外掛內部隔開的液氫/液氧燃料箱組成，其中，軌道飛行器、固體燃料助推器可重復使用，外掛液氫/液氧燃料箱在與軌道飛行器分離再入大氣層時燒毀。航天飛機總高度約 56 m，起飛質量約 2 040 t，起飛推力約 2800 t，其中，軌道飛行器長約 37.2 m，翼展約 23.8 m。航天飛機采用與運載火箭相同的垂直起飛方式，不同的是在完成空間任務后，軌道飛行器離軌再入大氣層，利用空氣減速，無動力下降，水平著陸，經檢修后可再次發射。因此，航天飛機不僅可執行發射任務，還可將空間載荷運回地球。

　　軌道飛行器在再入大氣層過程中氣動加熱嚴酷，機體表面需要歷經 2 000℃高溫的灼燒，面臨高溫、沖刷、熱密封等嚴酷難題，然而重復使用結構熱防護技術不成熟，使得返場著陸后需要進行大量的拆解、檢測和維護，特別是熱防護瓦的探測、維護和更換使航天飛機發射及維護成本居高不下。航天飛機實際單次發射成本高達 7.75 億美元，因此不得不在 2011 年后退役。雖然航天飛機沒有達到大幅降低發射費用的目標，但其在降低發射費用方面做出了有益探索，并指明了探索方向。

　　1.3 可重復使用運載火箭

　　航天飛機項目失敗的主要原因是再入大氣層重復使用熱防護技術不成熟，但其將成本最高的火箭發動機回收再使用以求降低航天運載成本的技術途徑是可借鑒的。針對一級火箭占全部運載火箭質量和成本 70%以上的情況，美國太空探索技術公司(SpaceX)提出了一級火箭垂直回收思路，既可大幅度降低成本，又避開了再入大氣層面臨的嚴酷熱環境。

　　雖幾經挫折，SpaceX 公司還是成功開辟了一條一子級運載火箭回收和重復使用之路。2014 年 10 月，SpaceX 公司成功完成了獵鷹 9 號運載火箭一子級陸基垂直回收技術驗證;2015 年 12 月和 2016 年 4 月，分別完成了商業運載火箭一子級陸基垂直回收和海基垂直回收;2017 年 3 月，完成了回收一子級運載火箭的二次商業運載發射。SpaceX 公司表示，獵鷹 9 號火箭可能被重復使用 10～20 次，稍加翻新有望能支持百次發射任務，為未來廉價和快速進入空間開辟了一條新的技術途徑。

　　相對航天飛機的軌道飛行器，獵鷹 9 號運載火箭一子級的飛行速度小(馬赫數 6 左右)、高度低(60 km 左右)，其飛行環境比軌道器再入的熱流密度低得多，同時一子級運載火箭采用垂直著陸方式，使回收過程中的熱流密度進一步降低，因此以較低成本實現了一級發動機、箭體及其它設備的重復使用。

　　依據美國空軍工程大學的運載工具成本分析模型，可重復使用運載器(RLV)每次發射任務都會分攤部分制造成本，單位質量有效載荷發射成本隨著發射次數的增多而逐漸下降，但隨著重復使用次數的增加，燃料和維護費用占比將不斷增加，因此，當重復使用次數達到一定的數量之后，重復使用運載火箭的航天發射成本將趨于平穩。

　　以獵鷹 9 號運載火箭為例，對重復使用運載火箭的運載成本進行了估算，其中一子級火箭為重復使用，二子級火箭為一次性使用。估算同時考慮了運載火箭的制造成本、重復使用維護成本和每次發射的燃料/氧化劑成本，運載火箭的研發成本未考慮在內。從計算結果可以看出，隨著重復使用次數增加，運載成本逐漸降低，并趨于平緩，重復使用 18 次后，運載成本接近一次性使用運載火箭成本的三分之一。

　　2 空天飛行器

　　一次性使用運載火箭、航天飛機和可重復使用運載火箭難以進一步大幅度降低成本的主要原因是

　　火箭發動機比沖較低，所以不得不采用多級運載方式入軌，該運載方式增加了火箭發動機、箭體數量和分離等，導致成本難以大幅度降低;同時傳統運載器的火箭發動機動力形式不得不攜帶大量氧化劑，致使推進劑質量占比相當高(如運載火箭推進劑占比高達 90%以上)。計算表明，即使一級火箭全部重復使用，重復使用發射百次時，氧化劑和燃料費用將占發射費用的 40%以上，而一級運載火箭費用占全部運載火箭費用的 70%以上。上述分析表明，進一步大規模降低發射費用的技術方向之一是采用新型動力，盡可能利用空氣中的氧氣工作，大幅度降低氧化劑攜帶量。

　　空天飛行器是采用吸氣式組合動力、升力式構型，能在普通機場水平起降，可在稠密大氣、臨近空間、軌道空間飛行的重復使用航天運輸系統。由于空天飛行器既可充分利用大氣層中的氧氣，大幅降低氧化劑的攜帶量，從而大幅度降低發射質量和規模，同時又采用升力體構型，利用升力克服重力，只需較小推力即可實現不斷加速。因而有望實現完全重復使用，大幅降低發射成本。

　　為此，國外自 20 世紀 60 年代以來，以水平起降重復使用空天飛行器為目標，持續開展了吸氣式組合動力推進天地往返運輸系統關鍵技術攻關及驗證工作，并實施了多個國家層面的研究計劃，如美國的國家空天飛機計劃(NASP)[3]、英國的云霄塔(Skylon)、德國的桑格爾(Sänger)等。

　　2.1 美國

　　1986 年，美國空軍和美國宇航局聯合啟動了 NASP 計劃，在世界范圍內掀起了空天飛行器研究的高潮。NASP 計劃的目標是開發一種可完全重復使用、研制成本比航天飛機低一個量級、可水平起降的試驗性 X-30 單級入軌飛行器。NASP 計劃借助數值計算和風洞試驗，研究了 X-30 單級入軌飛行器結構、吸氣式推進系統、機身/發動機一體化、控制與穩定性、外形氣動特性等技術問題，并開展了雙模態超燃沖壓發動機設計和地面試驗，NASP 計劃完成了 1 500 次發動機模型試驗，其中在小尺寸、大尺寸超燃沖壓發動機上分別進行了馬赫數 18 和馬赫數 8 地面試驗。1995 年耗資數百億美元、歷時 10 年之久的 NASP 計劃由于技術難度過大、技術不成熟被迫停止。

　　在 NASP 計劃之后，美國在總結正反兩方面經驗的基礎上相繼啟動了 HyTech 計劃[4-5]、Hyper-X 試驗計劃[6]，其目的是研究用于高超聲速飛行或可重復使用空天飛行器以及之相關的關鍵技術演示驗證。2001 年，美國發布國家航空航天倡議(NAI)，統籌協調發展高超聲速技術、進入空間和空間技術三大方向，制定了“以一次性使用高超聲速飛行器為技術突破口，終極目標是發展空天往返飛行器”的發展路線[7]。此外，美國還與英國反應發動機公司就佩刀發動機達成合作共識，并在 2016 年公布了基于佩刀發動機的兩級入軌空天飛行器，預計將于 2030 年左右具備可實現性[8]。

　　2.2 英國

　　1985 年，英國宇航公司和羅羅公司共同提出了水平起降的單級入軌可重復使用運輸器霍托爾空天飛機(Hotol)。霍托爾空天飛機從地面 3 500 m 長的跑道上水平起飛，以吸氣式發動機推進到馬赫數 5，然后轉為火箭發動機推進。霍托爾項目的目標是把單位有效載荷的費用至少降低 80%。原計劃2000 年投入使用，但由于單級入軌的技術難度和資金短缺問題，項目于 1992 年下馬。2003 年，英國在霍托爾項目研究成果的基礎上啟動了單級入軌空天飛行器 Skylon 研究方案[9]。Skylon 空天飛機由反應發動機公司的佩刀組合發動機推進，能夠像常規飛機一樣在跑道上起降，具有費用低、全部可重復使用等優點。Skylon 飛行器可在返場 48 h 后再次起飛，重復使用周期短。據分析研究，通過重復使用 Skylon 空天飛行器的運載成本為一次性使用傳統運載火箭的 1/10。目前該項目由英國反應發動機公司(REL)主導，聯合歐洲其他研究機構共同開發，并得到了英國政府和歐洲航天局的經費支持。2019 年 10 月，佩刀發動機全尺寸預冷卻器樣機完成馬赫數 3.3、馬赫數 5 條件下的地面高溫考核試驗，成功地在 0.05 s 內將高達 1 000℃的高溫氣流冷卻到 100℃。2020 年啟動技術飛行演示驗證平臺方案研究。

　　2.3 德國

　　單級入軌空天飛行器結構質量占比與推進劑質量占比之間的矛盾異常尖銳，是制約組合動力推進水平起降重復使用單級入軌空天飛行器研制的重要技術瓶頸。為了繞過單級入軌空天飛行器的技術難點，德國于 1987 年基于桑格爾兩級入軌空天飛行器啟動了德國高超聲速技術計劃(German Hypersonic Technology Programme)[10]。桑格爾空天飛行器一子級為高超聲速運輸載機，采用大后掠三角翼、翼身融合氣動布局形式，渦輪/沖壓組合發動機推進，在高度 31km、馬赫數 6.8 左右實現一、二級分離，一子級載機使用壽命為 100 次;二子級是軌道飛行器，采用三角翼布局形式，火箭發動機推進，可載人或運物，載人型使用壽命為 50 次，貨運型為一次性使用。

　　2.4 運載成本分析

　　盡管空天飛行器單架次制造成本較高，隨著重復使用次數的增加，空天飛行器運載成本逐漸降低。當重復使用 10 次后，空天飛行器運載成本與一次性使用運載火箭相當;當重復使用 40 次后，約為一次性使用運載火箭成本的 30%;當重復使用 100 次后，約為一次性使用運載火箭成本的 16%。

　　3 空天飛行器面臨的技術問題

　　空天飛行器具有低成本、高可靠性的技術特征，能夠滿足未來廉價、自由進出空間的發展需求，發展潛力巨大，但其研制也面臨巨大的技術挑戰。空天飛行器大空域(稠密大氣層、稀薄大氣空間和外層空間)、寬速域(馬赫數 0～25)的飛行環境，使其飛行任務剖面(水平起飛、高超聲速飛行、加速入軌、離軌再入、返場著陸)十分復雜，具有寬域高速、高氣動加熱的特征，嚴酷復雜的應用環境也使空天飛行器面臨諸多基礎科學問題。

　　3.1 寬域高超聲速流動與燃燒問題

　　隨著飛行速度的增加，粘性系數增加(例如馬赫數 12 時的粘性系數可達馬赫數 6 的 2 倍)，導致附面層增厚。在高超聲速飛行時粘性效應將增強到足以支配整個內流場，傳統的邊界層分析方法和控制理論已不在適用;高超聲速飛行時氣流總溫約達到 5 000℃(馬赫數 6 為 1 380℃)，熱化學非平衡效應使空氣振動溫度與平動溫度偏離達 50%，傳統的超燃沖壓發動機化學反應速率計算模型也不再適用。在高超聲速流動中分子平/轉動溫度與振動溫度顯著偏離、高溫氣流離解電離與燃燒反應動力學耦合現象均需要在流動機理和化學反應機理上的新突破，才能解決高溫條件下邊界層轉轉捩流動、化學非平衡流動、超聲速高效穩定燃燒等問題。

　　3.2 真實氣體效應問題

　　當飛行馬赫數大于 8 時將出現高溫氣體效應，此時出現的氣流離解電離、化學非平衡效應、表面催化現象使氣動力/熱性能與理想氣體模型預測模型產生較大差異，高溫氣體效應及化學非平衡流動將影響氣動力/熱性能的精準預測;同時在稀薄大氣空間，常規氣動性能預測的連續流假設將不再適用，因此需要研究針對高溫氣體效應的反應機理和針對稀薄氣體效應的流動機理。

　　3.3 多種熱力循環模態轉換與匹配問題空天飛行需要歷經低、亞、跨、超和高超聲速飛行階段，而沖壓發動機無法零速起動，需要與其他發動機組合才能實現空天飛行器的全域飛行。寬域工作的組合發動機性能高度耦合且相互干擾，單一幾何不可調流道難以滿足以沖壓發動機為基礎的組合發動機全域高性能需求，因此，需要對進氣道和尾噴管進行流道調節。空天飛行器的飛行馬赫數越寬，發動機流道調節范圍越大，組合發動機設計難度也越大。同時為實現飛行器總體性能的提升和發動機的高效穩定燃燒，需要研究寬域工作組合發動機的應用優化策略、解決不同模態轉換與匹配問題，上述問題又與寬域流道調節問題高度耦合，因此設計和實現的難度更大，為此有必要針對不同組合動力形式開展組合循環優化、模態轉換失穩控制機理、多流道變構型設計的研究。

　　3.4 超高溫作用下材料/結構熱防護與失效問題

　　高超聲速飛行時間長、機體結構溫度最高達 3 000℃以上、噪聲振動等交變載荷量級大，結構蠕變-熱機械疲勞問題突出，嚴重影響熱結構完整性及重復使用能力。現有的結構/熱防護材料在如此高溫條件下易被氧化，甚至出現燒蝕現象。因此需要開展針對材料超高溫抗氧化機理、材料性能演化規律、結構失效模式、耐高溫輕量化結構設計技術、高效主動與被動熱防護技術、高效熱疏導技術的研究。

　　3.5 寬域高動態強耦合飛行控制問題

　　高超聲速飛行過程中有高溫氣體效應、稀薄氣體效應、邊界層流動轉捩等特有過程，動力學耦合關系復雜;高超聲速再入飛行走廊對重復使用升力體式空天飛行器氣動外形設計、機體結構/熱防護設計、軌跡/制導/姿態一體化設計影響較大;飛行末端的能量管理技術對飛行器的減速控制技術也提出了較高的要求。因此開展空天飛行器高動態強耦合機體/推進/結構/熱/控制一體化建模理論研究，重塑飛行器飛行動力學與控制設計方法體系，支撐高超聲速飛行器寬域、高效機動飛行具有十分重要的意義。

　　4 結束語

　　大幅度降低航天發射費用，實現廉價、快速、便捷、自由進出空間，是人類航天事業永恒的追求。當前高超聲速技術及空天飛行器的競爭日趨白熱化，強國均在不予余力爭先恐后地開展關鍵技術攻關。針對未來航天運載“井噴式”發展需求，本文通過航天運載方式及其技術發展路線分析，可以得出以下結論：

　　(1)為降低航天運載發射成本，航天運載器正從一次性使用向部分重復使用、部分重復使用向著完全重復使用方向發展。

　　(2)水平起降空天飛行器可利用大氣層中的氧氣，大幅度降低起飛規模，可實現飛行器的完全重復使用，從而大幅降低航天運載發射成本，是未來廉價、自由進出空間的理想運載工具之一，具有極大的發展潛力。隨著近年來吸氣式高超聲速技術的突破，重復使用空天飛行器的發展前景日益明朗。

　　(3)水平起降重復使用空天飛行器仍面臨重大的技術挑戰，需要加大投入，集智攻關，以推動人類自由進出太空時代的早日到來。