可重复使用航天器任务应用与关键技术研究

李志杰，果琳丽，张柏楠，戚发轫

（1.中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094；2.中国空间技术研究院，北京100094）

·工程技术·

可重复使用航天器任务应用与关键技术研究

李志杰1，果琳丽1，张柏楠1，戚发轫2

（1.中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094；2.中国空间技术研究院，北京100094）

针对作为降低航天任务成本重要手段的可重复使用航天器技术在未来的应用需求，对可重复使用航天器概念进行了探讨，给出了系统级可重复使用和部件级可重复使用航天器的定义。分析了可重复使用航天器在未来航天领域的应用，包括近地轨道空间站任务和月球基地任务。对全寿命任务周期中航天器与可重复使用次数的关系进行了分析，结果表明可重复使用航天器在经济性上较一次性使用航天器有明显优势，且可重复使用次数达到10次以上时，能够将成本降到最低。最后对发展可重复使用航天器所需攻关的关键技术进行了梳理，为我国发展可重复使用航天器技术提供参考。

载人航天；可重复使用航天器；任务应用；关键技术

1　引言

从加加林完成第一次载人航天飞行以来，经过五十多年的发展，载人航天技术已经取得了辉煌的成就［1］。目前可预见的载人航天任务主要包括近地轨道空间站任务和载人登月、月球基地以及火星基地等载人深空探测任务。随着载人航天活动规模的扩大，人类在空间居住与生存的时间越来越长，承担人员与货物运输的航天器的发射频次也越来越高。而高昂的成本是制约大规模载人航天任务发展的主要因素，尤其是随着商业资本进入载人航天领域，航天器的低成本运营已成为未来载人航天可持续健康发展的必然要求［2］。从国内外新一代可重复使用载人飞船技术的发展来看，发展可重复使用航天器技术是降低载人航天任务成本的主要手段之一［3-4］。

可重复使用航天器是指可以重复使用的、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；也可以指较长时间在轨停留和机动、完成各种任务的航天器，包括载人飞船、货运飞船、推进飞行器、行星着陆器、航天飞机等［5-6］。从可重复使用的程度进行划分，又可以分为系统级可重复使用和部件级可重复使用航天器［2，7］。系统级可重复使用是指航天器的某一个或几个系统或舱段在执行完任务后，经过检测和简易修复处理后可以完整地用于下一次任务［2］。国外新研制的载人飞船普遍采用系统级可重复使用设计，如SpaceX公司研制的“天龙座”载人飞船，由可重复使用的增压返回舱和非密封货物舱组成［8］。部件级可重复使用是指航天器上的部件或功能单元在执行完任务后，经可重复使用性评估，评估通过的部件可直接或通过简易修复后在新的航天器上使用，在寿命期内继续承担原有功能［2］。

本文研究可重复使用航天器的任务应用，对可重复使用航天器应用在近地轨道空间站和月球基地任务中的经济性进行分析，探讨航天器全寿命周期内的成本与可重复使用次数的关系，最后梳理发展可重复使用航天器所需攻关的关键技术，为我国可重复使用航天器的发展提供参考。

2　可重复使用航天器任务应用分析

结合后续载人航天的主要任务领域，根据任务需求的不同，可重复使用航天器将主要应用于近地轨道空间站任务和月球基地任务中。

2.1 近地轨道空间站任务

对于近地轨道空间站任务，载人航天活动规模将更大，需要频繁地进行人员和物资的往返运输。一次性使用的飞船无论从研制、发射和任务周期还是费用方面都无法满足大规模载人航天活动的需求［9］。如图1所示，通过载人飞船和货运飞船的可重复使用，一次任务完成后，通过简单的测试和维护，就可以快速投入下一次任务，如此不仅可以大幅缩短任务的准备时间，提高航天发射频次，还可以大大降低单次任务的成本，从而适应近地轨道空间站大规模载人航天任务的需求。

图1　可重复使用飞船近地轨道空间站任务示意Fig.1 Diagram of LEO space station missions using reusable spacecraft

参考国际空间站的运营及补给任务规划［10］，初步考虑在近地轨道空间站的运营及维护阶段，货运飞船每8个月补给一次，载人飞船每6个月补给一次。假设空间站的寿命周期为10年，那么载人飞船和货运飞船共需要发射35次。

假设研制一种同时具备载人和货运能力的飞船，有两种技术途径可供选择：基于现有的传统一次性使用飞船改进为部件级可重复使用飞船和新研制系统级可重复使用飞船。参考美国Space X公司“天龙座”飞船的研制成本和产品成本［11-12］，假设两种情况下的飞船研制成本分别为60亿元和80亿元（单位均为人民币，下同），产品成本分别为7亿元和8亿元，同时假设飞船每次回收后的重复使用成本为4亿元和3亿元。根据可重复使用航天器在全寿命周期内的成本计算模型：全寿命周期成本=研制成本+产品成本×航天器数量+重复使用成本×（发射次数-航天器数量）［11］，计算空间站全寿命周期内飞船成本与可重复使用次数的关系如图2所示。其中，飞船数量为飞船发射次数除以飞船可重复使用次数。

图2　空间站任务飞船成本与可重复使用次数的关系Fig.2 Relationship between spacecraft cost and number use of reusable spacecraft in space station mission

从图2中可以看出，与飞船的一次性使用相比（飞船可重复使用次数=1），飞船的可重复使用能够很好地降低空间站任务周期内飞船的成本，且重复使用次数越多，成本越低。当飞船的可重复使用次数达10次以上时，能够使成本趋于最低，这解释了国外可重复使用飞船的重复使用次数指标均取10次的原因［4，13］。在可重复使用次数达到5次以上时，新研飞船的成本较改进飞船的成本较低，这是因为基于传统一次性使用飞船改进的可重复使用飞船很难实现系统级可重复使用，因此每次回收后具有高昂的维修维护和部件更换的费用，这项费用将会随着重复使用次数的增多而凸显；而新研的可重复使用飞船定位在系统级重复使用，每次回收后只需检测和简易修复处理后即可用于下一次任务当中。

2.2 月球基地任务

对于世界各航天大国，载人登月之后的下一个任务很可能就是在月球表面建立载人月球基地，利用载人月球基地开展载人深空探测相关技术验证，并开发利用月球资源等任务，将月球基地建设成载人深空探测补给站、生产地和发射场［14］。实现这些目标需要一个长期的过程，在此过程中需要频繁的、持续不断地向月球提供人员和物资的往返运输，如此高频度、大数量的人员和物资运输如果采用一次性使用的飞船，其对资源和资金的消耗将无法想象，因此必须发展低成本、高可靠、可重复使用的载人飞船以及月面着陆器用于载人月球基地的运营及维护任务，图3所示为一种基于拉格朗日2点空间站平台进行月球基地建设任务的设想，设想中采用了能够重复使用的载人飞船和月面着陆器。

图3　可重复使用航天器月球基地任务示意Fig.3 Diagram of Lunar base missions using reusable spacecraft

初步考虑月球基地的寿命周期为10年，货运任务每4个月进行一次，载人任务每3个月进行一次［14］，假设着陆器同时具备载人和货运的能力，那么一共需要执行70次月面任务，飞船（参考前述近地轨道空间站可重复使用飞船）共需发射70次。参考美国“梦神号”可重复使用行星着陆器的发展［15］，假设可重复使用月面着陆器的研制成本为120亿元，产品成本为20亿元，同时假设月面着陆器每次执行完月面任务返回L2点空间站进行维修维护的费用为5亿元。根据可重复使用航天器在全寿命任务周期内的成本计算模型，计算月球基地任务中可重复使用月面着陆器和飞船的成本与可重复使用次数的关系如图4所示。

图4　月球基地任务航天器成本与可重复使用次数的关系Fig.4 Relationship between spacecraft cost and number of use of reusable spacecraft in Lunar base mission

从图4中可以看出，在月球基地任务中，将可重复使用航天器技术应用于月面着陆器上同样可以有效降低全寿命周期内航天器的成本，在可重复使用次数达到10次以上时，成本能够降到最低。

2.3 小结

从近地轨道空间站和月球基地任务中可重复使用航天器的成本分析中可以看出，与一次性使用航天器相比，可重复使用技术的应用能够大大降低航天器的成本。航天器的可重复使用次数指标达到10次以上时，航天器的成本基本维持不变，因此，未来应当重点发展可重复使用能力在10次以上的航天器，包括可重复使用的载人飞船、货运飞船、载人月面着陆器、货运月面着陆器及推进飞行器等。

3　可重复使用航天器关键技术分析

从美国、俄罗斯及欧洲各国重复使用航天器的发展和研制历程中可以看出［2，4，7，13］，发展可重复使用航天器应重点攻克总体设计与验证技术，而可重复使用航天器的动力系统、电气系统、结构及材料和着陆回收系统等共性关键技术直接决定着航天器可重复使用的性能，在借鉴现有航天器已有成熟技术的同时也应当进行重点攻关。

3.1 总体设计与验证技术

可重复使用航天器的总体设计技术决定了航天器的先进性、研制难度和研发成本［2］。过高的指标要求和复杂的方案会增加技术难度及研发成本，造成方案更改大、继承性差，从而带来更多技术风险。因此，需要建立可重复使用航天器的技术理论体系，从技术风险、可靠性安全性、效益等方面对可重复使用航天器总体方案进行优化和论证。通过对敏感因素产品进行环境适应性设计以及典型代表设备（结构、电气、动力等）的试验对技术指标进行验证，提出整器的可重复使用次数等技术指标。主要研究内容包括：

1）任务分析及任务规划技术。通过用户使用需求完成任务目标分析并对影响可重复使用航天器任务规划的约束因素进行分析、识别。

2）气动外形及总体布局设计技术。通过任务分析确定航天器的气动性能指标，包括升阻比、阻力系数、最大需用容积等。通过对设备统一的安装工艺、接口设计、地面维护的人机功效设计等方案的研究对舱内设备布局进行设计。

3）健康监测及故障诊断技术。通过可重复使用航天器综合健康管理系统，在轨期间利用传感器测量技术了解航天器各个分系统的健康状态，包括故障检测、故障诊断和故障控制等方面。

4）可重复使用试验技术。通过环境试验对敏感因素产品进行验证，确保其满足全寿命周期内环境适应性要求。

3.2 可重复使用动力技术

可重复使用航天器的发动机应当在满足性能指标要求的同时，按照发动机的使用寿命、性能、可维护能力和返场准备时间等要求来进行设计，还要采用健康监控技术对发动机进行在线或者离线的故障诊断。多年来，美国通过开展航天飞机的研制工作积累了大量的研制经验，也总结了许多可重复使用发动机关键技术方面的经验和教训，研制可重复使用发动机还应当重点突破减损与延寿控制等关键技术［16-17］，主要研究内容包括：

1）减损与延寿控制技术。通过减少发动机系统中关键部件上的损伤来延长系统的工作寿命。

2）长寿命高效热防护推力室技术。重点对发动机推力室的冷却结构和材料及传热试验等方面开展研究。

3）高压长寿命大范围流量调节器技术。开展多方案仿真分析、静态与动态试验验证，突破低温高压大范围流量无级调节阀技术。

3.3 快速智能测试技术

快速智能测试技术决定了航天器的重复使用周期和测试质量，是航天器实现可重复使用性能的关键。可重复使用航天器相对于已有的一次性使用航天器，其最大的优势在于重复使用过程中所节省的投入［18］，因此能否在目前航天器测试时间、人员成本大力投入的前提下实现测试快速化与智能化的突破，直接决定了可重复使用航天器的设计意义。快速智能测试技术的突破，主要开展虚拟样机测试评估与自动化测试，其中虚拟样机测试评估主要针对可重复使用航天器研制测试的应用，支持产品从需求分析、详细设计、加工制造各环节的测试评估；自动化测试则针对研制测试、重复检查测试的应用，实现全过程测试的自动化。另外，可重复使用航天器的快速发射与智能测试技术还应包括电气设备的即插即用技术，从而实现可重复使用航天器的快速响应和发射。

3.4 结构与材料技术

为提高航天器的可重复使用次数，需重点提高航天器结构的抗冲击能力及返回部分的热防护能力。目前飞船返回舱主结构形式包括传统的蒙皮加筋式结构和整体壁板式结构［19］。蒙皮加筋结构由薄壁和加强筋组合而成，整体壁板式结构也具有薄壁和加强筋特征，不同的是薄壁和加强筋由整块材料经铣削后成形。整体壁板式结构承载效率高，抗超压能力强，同时能够大幅提高结构整体性、密封性和可靠性。非烧蚀防热材料主要包括防热陶瓷瓦和合金瓦等，由于其防热能力不足，主要在过载较小的升力体式返回舱上才进行使用［20］。另一方面，非烧蚀防热材料的密度过大，使得热防护系统质量过重，且基本不具备可重复使用能力，因此在可重复使用新型飞船的防热材料选择上应以轻质微烧蚀材料为主。

3.5 无损着陆回收技术

回收着陆系统对航天器的可重复使用性能有重要影响。航天器在执行地球返回任务时，回收着陆系统中的减速方式包括传统的降落伞减速（单伞、群伞）和大推力火箭发动机反推减速，着陆缓冲方式包括缓冲气囊和着陆腿等［21］。美国的“天龙座”和俄罗斯的“PPTS”可重复使用载人飞船目前均考虑使用大推力火箭发动机反推着陆的回收方式［22］。为实现载人航天器返回舱的可重复使用，无损着陆回收技术的主要研究内容包括：

1）反推发动机减速技术。将固体发动机运用于回收减速，须重点考虑多台发动机点火同步、推力一致性、推力矢量控制、环境适应性等问题。

2）气囊缓冲技术。缓冲气囊着陆时，与地面有相当大的反作用力和接触面积，防反弹和防倾倒技术是缓冲气囊设计过程中应重点考虑的问题。

3）着陆腿缓冲技术。缓冲着陆腿具有承载质量大、结构简单、可靠性高的特点，特别适用于航天器软着陆的缓冲系统。重点研究可重复使用缓冲器和抗疲劳及耐久性设计技术。

4　结语

通过可重复使用航天器在未来航天任务中的应用分析可以看出，发展可重复使用航天器能够有效降低航天任务成本，提高工程效益，是未来对空间深度开发和利用的必然发展趋势。对航天器的成本与可重复使用次数关系的分析结果表明，航天器可重复使用次数达到10次以上时，能将成本降到最低。发展可重复使用航天器还应当重点突破一批共性关键技术，其中，总体设计与验证技术以及动力技术的研究对可重复使用航天器总体方案及后续其它技术方案的确定有着很大的影响，应尽早开展关键技术攻关。快速智能测试技术、结构与材料技术及无损着陆回收技术也应当制定合理的研究计划，以进一步针对可重复使用航天器深入开展研究。

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Study on Mission Application and Key Technologies of Reusable Spacecraft

LI Zhijie1，GUO Linli1，ZHANG Bainan1，QI Faren2
（1.Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Developing reusable spacecraft technologies is an important way to decrease the cost of manned space missions.This paper studied the concept of reusable manned spacecraft and defined the meaning of reuse in the system level and component level.The application of reusable manned spacecraft in the future manned space missions was analyzed including the LEO space station and manned lunar base.The cost-effectiveness ratio of reusable manned spacecraft and the cost of International Space Station by using reusable manned spacecraft were also discussed and the results showed that the reusable manned spacecraft had significant economic advantage over the one-time use manned spacecraft.The cost will decrease the most when the number of reuse is over 10 times.In the end，the key technologies for the development of reusable spacecraft was studied which may serve as a reference for the development of reusable spacecraft technologies in China.

manned space；reusable spacecraft；mission applications；key technology

V448.2

A

1674-5825（2016）05-0570-06

2015-06-30；

2016-08-29

载人航天预先研究项目（030101）

李志杰（1986-），男，博士，工程师，研究方向为载人航天器总体设计。E-mail：jesselzj@126.com