可重复使用的飞船都有哪些门道

文｜常 飞

我国近期试验成功的新一代载人飞船是全面升级的天地往返交通工具，可重复使用。事实上，目前世界上正在研制的5种载人新飞船都是瞄准可重复使用这个目标去的。那么，这些新飞船为了可重复使用都做了哪些努力？

美国猎户座飞船

美国载人龙飞船

防护是“重复使用”的关键

目前世界上正在研制的载人飞船一共有5种，全都瞄准可重复使用这个目标。这5种飞船分别是美国的猎户座飞船、载人龙飞船和星际线飞船，俄罗斯的鹰飞船和中国的新一代飞船。

载人飞船要想做到可重复使用，需要讨论两个方面的问题。

首先,飞船各种分系统能不能经受得住起飞和再入时的严重冲击，特别是结构分系统会不会因为反复飞行而存在“暗伤”。哪怕一点小小的裂纹，也会在撞击大气的那一瞬间酿成大祸。

其次，飞船的热防护系统的设计。到底是使用每次飞行都更换的烧蚀材料，还是使用可以反复利用而无须更换的隔热瓦呢？

航天飞机表面的隔热瓦

当年的航天飞机就选择了后一种技术路线，其外表面布设的碳基复合材料隔热瓦在100多次飞行中都保持了正常使用。虽然哥伦比亚号航天飞机正是因为隔热瓦被砸出一个裂纹而失事，但这很大程度上不是隔热瓦的错，而是总体设计的问题——美国航空航天局（下文简称“NASA”）不该把航天飞机和外置燃料罐设计成平齐的构型，以至于顶部脱落的防热泡沫砖可以直接砸到机翼。如果航天飞机是顶在燃料罐上方，并且被整流罩保护起来的话，应该就不会出现这种问题。

因为这项技术在原理上是没毛病的，所以美国空军在目前使用的X-37B空天飞机上，也采用了和航天飞机一样的多次使用隔热瓦和防热设计。不过由于X-37B空天飞机是一种无人飞行器，而且只需要从低轨道返回地球，所以运用这种防热设计的一大缺点是，每次返回都需要进行烦琐的检查、维护，并且还要更换损坏的隔热瓦。

既然这么麻烦，研究人员就开始考虑放弃可重复使用的隔热瓦。这也是猎户座飞船、鹰飞船和中国新一代飞船的热防护方案，而且这3种星际飞船返回大气层的速度更快、摩擦生热更剧烈，用碳基隔热瓦未必能承受这么高的热冲击。就算人们能设计出一种可重复使用的隔热瓦，其制造、使用和维护成本恐怕也非常高，可靠性也没有经过验证。因此，这3种飞船都采用了一次性烧蚀材料热防护罩。

不过大家也发现了，猎户座飞船多少还是继承了航天飞机的一些设计思想。比如，它用970块瓦状烧蚀材料构成了一个覆盖飞船外表面的热防护罩。这样的设计对制造有利（如果在发射准备过程中发现有部分破损，只要更换坏瓦即可，无须更换整个防热罩），但也带来了安装、拆卸过程烦琐、耗时等问题。

鹰飞船的热防护系统细节尚未披露。中国新一代飞船则采用了新型材料。哈尔滨工业大学的官网介绍，新一代载人飞船试验船热防护系统首次采用我校与北京卫星制造厂有限公司联合研发的新型复合材料技术方案，与传统材料相比，整体减重30%以上，防热效率大幅提升，有效载荷明显提高。热防护系统承受住了再入返回过程中最高2000℃以上的高温烧蚀。

中国新一代载人飞船返回舱的金属结构与防热结构分开

载人龙飞船的热防护系统就有点儿意思了。该飞船的热防护系统并不是SpaceX公司自己研制出来的，而是早年间，一家名为马丁·玛丽埃塔的公司研制的，曾用在星尘号小行星探测器上。NASA阿姆斯研究中心花费了不少研制费，把这种技术送给了SpaceX公司。货运龙飞船的实际飞行证明，这种材料和整个防热方案的表现不错。

波音公司几乎很少讨论星际线飞船的防热设计问题，因为星际线飞船几乎就是照着阿波罗飞船的外形研制的。而阿波罗飞船是星际飞船，作为低轨道飞船的星际线飞船，其热防护需求肯定要比阿波罗飞船低得多，那么直接沿用其方案就足够了。

“重复”对星际飞船要求高

从上述5种飞船的情况来看，我们可以把它们分为星际飞船与低轨道飞船，也可以把它们分成“国家队”飞船和商业飞船。

在星际飞船与低轨道飞船这个门类中，猎户座飞船、鹰飞船和中国新一代飞船属星际飞船之列，而载人龙飞船和星际线飞船则无缘进入。那么，这两类飞船有什么区别呢？

星际飞船要离开地球引力场，前往另一个星球，支持人类在那里进行的载人探索活动，然后把航天员从那颗星球的引力场带回，重返地球大气层，安全地回到地面。

大家都知道，只要能够满足第一宇宙速度，飞船就可以把人类送进地球的低轨道，但是要想把航天员送到更高的轨道上，甚至是送到其他的星球，哪怕是仅仅送到月球，也需要达到第二宇宙速度。

这就带来了两个问题。首先，离开地球引力场和地球电离层的保护之后，航天员所面临的宇宙辐射风险就更严重了。所以星际飞船必须为航天员提供更好的辐射防护，防护程度要比我们所熟悉的联盟飞船和神舟飞船更高。

另外，从外星球返回地球时，根据能量守恒原则，星际飞船还是会以第二宇宙速度接触地球大气层，这就意味着要面临更剧烈的气动加热。虽然第二宇宙速度在数值上只比第一宇宙速度多了3.3千米/秒，但是在质量相同的情况下，飞行产生的能量要比以第一宇宙速度多1倍。这就要求星际飞船的热防护能力要比低轨道飞船强得多。

这些都对星际飞船提出了很高的研制要求，也就决定了星际飞船的研制难度大、投资高、周期长，没有国家支持就无法实现。商业公司即使得到国家的有限资助，也不可能承担如此之高的综合成本。事实上，商业公司能够把低轨道飞船造出来就很不容易了。

目前，美国的猎户座飞船已经进行了实验飞行和逃逸救生实验。载人龙飞船不但进行了成功的飞行，而且还在全世界面前演练了一次成功的逃逸救生。波音公司的星际线飞船首次飞行虽然惨遭失败，但毕竟暴露出了问题，而且飞船的大系统经受住了考验。中国的新一代飞船刚刚实施了一次成功的无人飞行，据悉飞船的主要分系统表现出色，还进行了3D打印等空间科学实验，载人飞行的前景非常乐观。

值得一提的是，此前，俄罗斯的鹰飞船为人们展示了一个具有较高可行性的方案，颇受关注。可由于种种原因，鹰飞船距离成功发射应该还有很长的一段路要走。