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“东风快递,使命必达”,这是解决了全球运送准备性的问题;
“过于先进,不便展示”,这是解决了全球运送的时间效率问题;
“长征系列,航空航天”,这是解决宇宙内的运输准确和效率问题;
——小编总结。
大国重器之一的亚轨道运载器重复使用试验最近又获得了成功,现在又迎来了一个好消息:我国亚轨道远程空天运输系统总体设计与控制技术正式立项。这意味着钱学森“1小时送达全球”梦想,我们已经走出了坚实的一大步,实现已经只是时间问题。
那么,亚轨道运载器到底是什么?1小时送遍全球,将会给我们带来哪些巨变呢?下面我们一起来了解。
01什么是亚轨道运载器?除了军用,民用大有作为很多朋友可能一直没有明白“航空”与“航天”的区别,网上有一个很有趣的回答,可以帮助我们迅速地了解两者的区别:“卧槽发动机停了,要死!要死——这是航空;发动机停火了,接下来会是一段比较平稳的旅程了,大家快来自拍——这是航天。”
这里的区别主要是说飞行器在不同高度飞行状态来区分的,实际上“航空”与“航天”的区别在国际上还没有非常明确的定义,但是还是形成一定的共识:
1、“航空”,就是人类在地球大气层中的活动;
2、“航天”,就是人类冲出地球大气层,到宇宙太空中去活动;
但是大气层的厚度很大,其间分层性质不一样,科学家人为进行划分。钱学森的老师冯卡门对于大气层做了一系列研究之后,提出了一些建议,后来被普遍接受,并以他的名字来命名,也就是现在说的“卡门线”,用来区分大气层内部分层对飞行活动的影响。
也就是:高度为100公里之外为太空;100公里之内为大气层。这个卡门线就像中国传说中的“龙门”,跳跃过去就是“航天”,没有跳过去就是“航空”。
而“航天”这个词还是来自钱学森,他在60年代划分了“航空”、“航天”、“航宇”这两个概念,这里就不展开来说了。
但是实际上距离地面20~100公里,处于航空、航天的结合部,还有比较多人造飞行器活动的空白的区域,人们把这个区域叫做“临近空间”,最为重要是,在国际公约中,高度超过85公里,就不算各国的领空了,这比“公海”这个区域可自由得多。
而低于人造卫星的最低高度,却高于一般载人航天器的最大飞行高度,就被命名为“亚轨道”。能够长时间实现在亚轨道飞行的人造飞行器并不多,除了一些被称为“三大真理”的火箭之外,就是一些超过民航高度的无人侦察机,比如“无侦7”等等。
导弹也好,无人侦察机也好,在临近空间和亚轨道里飞行还是显得太单调,毕竟么大的空域除了军用,其实民用也可以大有作为。
我们研究的“亚轨道+可重复+运载器”,就是为了在卡门线附近活动,比如旅游呀,送快递什么的。通过大运力,可重复,降低使用成本,来提高亚轨道飞行器的市场竞争力。
至于实现方式,实际上我国航天人早有技术讨论,详细可见本文第二部分,已经熟悉“921”立项过程的可以直接跳转到第三部分阅读。
02 “863计划”早已有讨论,钱学森提出宝贵建议1986年,王大珩、王淦昌等四位老专家提出了《关于跟踪研究外国战略性高技术发展的建议》得到批准,经过数百位专家反复论证,形成了著名的“863计划”。
这个计划包含领域众多,有15个主题项目,其中航天技术位列第二,简称为863-2领域。次年该领域成立了专家委员会。专委会下面又设两个专家组,分别研究:大型运载火箭及天地往返运输系统,代号“863-204”;二是载人空间站系统及其应用,代号“863-205”。
“863-204”专家组采取招标的方式,针对该系统技术方案,进行了招标讨论。1987年,应标单位提出了11种天地往返方案,通过专家组筛选选取了6种。
这6种方案中只有第五研究所508所主张试制宇宙飞船,其余5种都是不同形式的航天飞机:
一院一部提出的天骄一号小型航天飞机方案;
上海航天局805所与航空部604所共同提出的“长城一号”航天飞机方案;
北京11所提出的“V-2”两级火箭飞机的方案;
601所提出的“H-2”空天飞机方案;
611所提出仿制法国正在研究的赫尔墨斯小型航天飞机;
关于这5种方案的具体情况,在此不再赘述,大家可以自行查阅。
经过广泛的专家讨论、比较,最终形成了决议准备上报:认为“航天飞机方案”大大优于“飞船方案”。其中指出:
“载人飞船作为天地往返运输手段已经处于衰退阶段,航天飞机可重复使用,代表了国际航天发展潮流,中国的载人航天应当有一个高起点。搞飞船做一个扔一个,不但不能争光,还会给国家抹黑。”
就在这时期,专家领导小组将这个方案抄送了一份给钱学森,征求他的意见。此时钱老已经退居二线。但是无论是飞船方案还是航天飞机方案,他都再熟悉不过:
第一:1949年,钱学森就阐述了“一个有翅膀的火箭”的太空飞机想法。这个想法影响了美国学界,也让后来的马斯克膜拜;
第二:1966年,钱学森就主持过研制宇宙飞船的发展规划,还试研过“曙光号”飞船,只不过因为特殊原因,最后作罢。
其实,在笔者看来,论梦想,钱学森肯定梦想能够成功实现空天飞机的这个技术路径,因为著名的“钱学森弹道”理论,以及当年他提出“火箭客机”的设想:“像一只削尖的铅笔,纽约垂直起飞后,到达洛杉矶的飞行时间将不到1小时”,其实都是航天飞机的雏形。
后来,马斯克基于钱学森的梦想,提出了“1小时全球极速运输服务”,他的SpaceX公司投入数十亿经费研制“超重-星舰”运载器,计划2028年投入运营;而美国、欧洲军方也投入巨资研究1小时极速全球运用技术。
但是,钱老基于实事求是的科学精神,按照当时的国内实际情况,钱老根据自己常说的“量力而行,因己制宜”原则,他建议使用飞船方案,飞船方案也一起上报。
后来经过专家们的进一步讨论,结合国外发展情况,根据国情出发,1990年5月,“863—204”专家委员会最终确定了“投资较小,风险也小,把握较大”的飞船方案。并于1992年9月21日形成了最后的决策,也就是著名的“921工程”。
此后发展,大家有目共睹。在我们载人航天迎来里程碑发展之后,曾经的几个航天飞机方案也逐渐被尝试实践。
根据网友整理的“863-204”整理的方案实施情况表可以看出,除了“带主动力的航天飞机”这个方案,其余部分我们都在进行之中。当然,这是基于“神箭+神舟”完全成熟之后的事情了。请记住上面这张表,后面文章需要参照。
03 “过于先进,不便展示”的中国亚轨道运载器和航天器“过于先进,不便展示”这句话最近被广泛使用,具体到航天上却是不同的概念,我们从公开资料中稍微梳理一下,以便于做一位合格的航天迷,至于更多详情,小编建议你去搜搜龙乐豪院士的科普讲座,认真学习一下。
最近航天领域迎来了好消息:由火箭院研究发展部牵头申报的“亚轨道远程空天运输系统总体设计与控制技术”项目顺利通过评审,获得立项支撑。
其实,在除了“神箭+神舟”方案是全程公开进行的,“863-204”方案中我们其他尝试也在进行,我们比较熟悉的有几个:
第一:升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验
2021年7月16日,航天科技集团一院自主研制的亚轨道重复使用演示验证项目运载器首飞成功;
2022年8月26日,航天科技集团一院自主研制的升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验获得圆满成功。
这两次试验是相关联的,都是“亚轨道运载器的重复使用飞行试验”。意味着,从演示验证到圆满成功,我们这款尚未正式对外公开命名的亚轨道运载器获得了成功,我们可以根据它的原理,称它为“升力式亚轨道运载器”。它从酒泉卫星发射中心点火起飞,按照设定程序完成飞行后,平稳水平着陆于阿拉善右旗机场。
按照相关资料显示,它是航天科技集团的可重复使用的三步走路线中的一部分,也就是龙乐豪院士讲座中所说的“AT-1BS升力式火箭”的亚轨道运载器,其全复用运载器的第二级就是一架带动力的小型航天飞机。
这个发射系统就是“火箭飞机”,运载器与火箭垂直发射到达卡门线附近,两者分离,第一级火箭再入大气层,滑翔返回在跑道上;而运载器的二级火箭点火,带着有效载荷飞往预定轨道。
但是,目前试验的运载器还比较小,没有配备入轨所需的动力系统,还不能直接用作运载系统的第二级,但它为实现两级发射系统的全复用奠定了良好的技术基础,也就是“三步走”中的第一步已经实现,具体分类可以参照《“863-204”整理的方案实施情况表》中“方案4”。
第二:“神箭”运送的试验航天器
让大家混淆的可能还有2022年8月5日,同样从酒泉发射,由长征2号F火箭第18次任务执行的实验航天器到底是什么?先看新闻:
它由长征火箭协助发射送入轨道,显然它本身不带运载器,也就是《“863-204”整理的方案实施情况表》中“方案2”:不带主动力的小型航天飞机。但是,它和X-37B小型航天飞机不是一回事,可能是“方案4”的一个子系统。
这也不是它的第一次飞行,2020年9月4日首飞,也是由长征2F火箭送入轨道,2天后成功返回。
通过2次亚轨道运载器的重复使用实验,加上2次试验航天器的飞行,如果将“863-204”中的“方案2”和“方案4”进行合并,可以得出结论:航天科技集团“三步走”的可重复使用的三步走路线,通过分步试验已经基本完成,接下来就是运载器和航天器的结合试验了。
但也有可能是“863-204”中的“方案2”和“方案4”是单独进行的,而笔者更倾向于这是“方案4火箭飞机”进行测分部试验。
因为2个原因:第一,这个方案是中国首创,国外未见同类飞行器;第二,亚轨道远程空天运输系统立项是火箭院领衔的。
具体的技术路线图附后,也是正因为这个原因,笔者认为我们的“过于先进,不便展示”与X-37B不是一个概念,要比X-37B更为先进:自带可回收运载器。
这一系统采用“垂直发射-水平降落”,意味着以后可以通过一般的机场都可以实现降落,地勤可以利用现有设施进行维护低成本的亚轨道飞行对于“航班化”的航天运输来说,不言而喻。
04建立“航班化”航天运输系统的必经之路“亚轨道远程空天运输系统总体设计与控制技术”正式立项后,航天技术专家在接受采访时就表示:“在以美国Space-X公司“星箭”火箭为代表的远程极速运输系统快速发展的背景下,该项目获得立项意义重大,是我国开展天地往返运输系统基础性研究的重要一步。目前我国实现远程空天运输系统的技术途径比较多,呈现出“百花齐放、百家争鸣”的发展态势。”
这里说的“百花齐放,百家争鸣”实际上“863-204”几个方案中的多种方式,既有依靠火箭发动机实现的,也有火箭发动机和超燃冲压发动机等组合式发动机实现的。也就是坊间总结的:“航天科技”提出了“火箭动力方案”,“航天科工”提出了“组合动力方案”。
当然“火箭方案”还有“火箭不同构型的发展和重复使用”,“升力式火箭动力重复使用“等等。这里就不展开说,可以看看龙乐豪院士的PPT。
而说到“航班化运输”和“可重复使用”,就不能不提“腾云工程”,它是“航天科工”提出的组合动力方案,相当于“航天科技”的“三步走”中的第三步,但是区别在于“一级是亚轨道航天飞机、二级是水平发射的火箭或者小型航天飞机”,也就是“水平起飞-水平降落。”这意味着普通机场都可以胜任飞行发射和降落任务。
区别于“航天科技”的火箭模式,腾云的组合动力更为强劲,其运载能力也更大,当然网上也流传出具体的参数,未被证实咱们不过多猜测。但是2021年10月珠海航展上,我们还是看到了“腾云工程”的“空天飞机”模型。
网上也有不少效果图,看起来还是很令人激动的。它集合了火箭发动机、涡轮发动机、亚燃及超燃发动机动力于一身,这也是中国首创的。
在这样两种技术路线的“百花齐放”下,亚轨道远程运输系统正式立项,综合利用这个高度低阻力、高升力进行和滑翔便利,1小时内实现洲际访问将不是梦想,也就是当年钱老提出的从纽约到巴黎滑行飞行即将成真。
更为重要的随着我国载人航天的发展,以及后续探月、探火的需要,航天运输“航班化”已经成为我们开展航天活动的支撑和基础。
我国也提出了具体的技术展望:规划到2045年,实现1小时全球抵达、地面与轨道间以及轨道与轨道间航班化运输,按需发射,每年总飞行次数达千次量级,总货运万吨级,总客运万人次。
具体的细节包为民院士的《再论航班化航天运输系统发展展望》一文中已经充分论述,而通过我们对亚轨道运输系统的了解,可以得出三个结论:
第一:我们在“可重复使用天地运输往返飞行器系统”上已经获得了重大的技术突破,并且实施了较为重要的一大步,整体技术处于世界领先水平;
第二:相对于国外技术,我们的方案巨头很多独创性,报道使用“过于先进,不便展示”绝不是故弄玄虚,而是出于工程保密要求;
第三:“载人航天,人命关天。”我们实现技术路线过程中,始终将安全放在第一位,所以每次是分步骤,充分验证后实施的,绝不像老牌航天强国那样,先吹牛,后延期。
写在后面:
撰写这篇文章的时候,我家10岁的侄子正好正电脑面前,他用稚嫩但却好奇的声音问我:叔叔,以后的航天会怎么样?
我告诉他,也许“五云计划”(“五云”,飞云:临近空间超长航时太阳能无人机;快云:临近空间浮空器;行云:天基物联网;虹云:天基互联网;腾云:空天飞行器;飞行列车:新一代交通工具。)已经到了全面实施的时候了,太空航行将不会太遥远,而希望就在你们下一代。