我們的空天飛機(jī)還在天上，我國(guó)航天的史詩(shī)級(jí)計(jì)劃騰云工程的亞軌道運(yùn)載器再次測(cè)試成功。
根據(jù)央視新聞的報(bào)道8月26日，我國(guó)亞軌道運(yùn)載器重復(fù)使用飛行試驗(yàn)取得圓滿成功；
中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院自主研制的升力式亞軌道運(yùn)載器，經(jīng)健康檢測(cè)維護(hù)后，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心再次點(diǎn)火垂直起飛，按照設(shè)定程序完成亞軌道飛行，平穩(wěn)水平著陸于阿拉善右旗機(jī)場(chǎng)，成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)亞軌道運(yùn)載器首次重復(fù)使用飛行。
從報(bào)道的內(nèi)容上看，這次測(cè)試的很可能是跟第一次測(cè)試的航天器是同一艘航天器，該計(jì)劃旨在重復(fù)利用。2021年7月16日，該航天器第一測(cè)試成功后，當(dāng)時(shí)館長(zhǎng)粗略的看了一眼報(bào)道，激動(dòng)的以為是重復(fù)利用的運(yùn)載火箭回收成功。但報(bào)道中的一句話看起來就不簡(jiǎn)單“按照設(shè)定程序完成飛行后，平穩(wěn)水平著陸于阿拉善右旗機(jī)場(chǎng)，首飛任務(wù)取得圓滿成功。”平穩(wěn)水平著陸，那就意味著是亞軌道運(yùn)載器的測(cè)試。那么，平穩(wěn)水平著陸的亞軌道運(yùn)載器與垂直著陸的可回收運(yùn)載火箭，兩者之間誰(shuí)的優(yōu)勢(shì)更大？區(qū)別又在哪呢？此文將帶大家詳細(xì)類比兩種航天器的優(yōu)劣。
什么是騰云工程？
騰云工程是中國(guó)五云工程的一部分，其目的是研發(fā)低成本的新一代空天飛行器，其最終成果是一種兩級(jí)入軌空天飛行器，主要用于執(zhí)行航天發(fā)射任務(wù)。主要工作原理是一級(jí)運(yùn)載飛行器背著二級(jí)空天飛機(jī)從地面水平起飛，并可以多次地重復(fù)使用。一級(jí)飛行器在大氣層中飛行后，二級(jí)飛行器分離點(diǎn)火進(jìn)入太空，這種飛行器具有廉價(jià)、安全、便捷、機(jī)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，也是國(guó)際上天地往返運(yùn)輸領(lǐng)域的研究發(fā)展熱點(diǎn)。聽起來它的作用似乎與可回收運(yùn)載火箭的目的差不多，都是重復(fù)使用、廉價(jià)。但是，兩者的用處是截然不同的。
亞軌道運(yùn)載器與回收火箭的本質(zhì)區(qū)別
每當(dāng)提起火箭回收的時(shí)候，總有人說“我們有騰云工程，不比這個(gè)強(qiáng)？”
這個(gè)是非常大的一個(gè)誤區(qū)，上文有提到兩者的用處是截然不同的，用處不同就不能相提并論了了。小孩子才做比較，我們?nèi)慷家?/p>
一，軌道不同
亞軌道運(yùn)載器，正所謂“物如其名”。亞軌道運(yùn)載器是在亞軌道中執(zhí)行任務(wù)的飛行器，而亞軌道的官方定義是；一般是指距地面20～100km的空域，處于現(xiàn)有飛機(jī)的最高飛行高度和衛(wèi)星的最低軌道高度之間，也稱為臨近空間或空天過渡區(qū)，大致包括大氣平流層區(qū)域、大氣中間層區(qū)域和部分電離層區(qū)域。
但實(shí)際上亞軌道的定義并沒有這么刻板，現(xiàn)在的亞軌道并不是超出100km就不是亞軌道，例如美國(guó)第一次載人航天任務(wù)，阿蘭·謝潑德作為美國(guó)第一名上太空的航天員，乘坐“紅石3號(hào)”飛船總共飛行了15分22秒，最高到達(dá)187.5公里，高度已經(jīng)超過100km了，卻被認(rèn)定為是一次亞軌道飛行。
這個(gè)其實(shí)非常容易理解，大家都知道火箭在發(fā)射時(shí)末端火箭都會(huì)關(guān)機(jī)再點(diǎn)火一次，或者是衛(wèi)星分離后滑翔到最高點(diǎn)時(shí)會(huì)點(diǎn)火靠自身的發(fā)動(dòng)機(jī)去圓化軌道。也就是說，在滑翔階段航天器并沒有進(jìn)入軌道，經(jīng)過滑翔時(shí)與大氣的摩擦速度會(huì)減慢，需要在最高抵進(jìn)行制動(dòng)讓航天器的速度達(dá)到第一宇宙速度進(jìn)入軌道，這樣航天器就不會(huì)再短時(shí)間再入大氣層。而亞軌道飛行器往往在短時(shí)間會(huì)再入地球，例如普通的洲際導(dǎo)彈彈道，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)打擊時(shí)從發(fā)射到對(duì)點(diǎn)打擊，這個(gè)過程形成的一個(gè)拋物線就是亞軌道飛行，包括桑格爾彈道和錢學(xué)森彈道，都屬于是亞軌道飛行。也就是沒有進(jìn)入長(zhǎng)期穩(wěn)定的繞地軌道都可以定義為亞軌道飛行。
可回收利用的運(yùn)載火箭
火箭回收利用是目前航天屆最火熱的話題，小到火箭實(shí)驗(yàn)室這樣的民營(yíng)航天企業(yè)大到像中國(guó)航天、歐空局還有俄羅斯航天這種大的航天部門都在研發(fā)可回收的運(yùn)載火箭。但目前也只有SpaceX的獵鷹九號(hào)在實(shí)際的應(yīng)用。
可回收利用的運(yùn)載火箭跟普通的火箭在使用上沒有什么區(qū)別只是多了一個(gè)可以回收，所以在軌道上跟傳統(tǒng)火箭是一樣的，都是發(fā)射一些衛(wèi)星，無論是近地軌道還是高軌，又或者是深空任務(wù)。那么它們跟亞軌道飛行器的區(qū)別是，火箭的末端尤其是那些三級(jí)火箭的末端，一般會(huì)跟隨著航天器進(jìn)入一個(gè)圓化軌道。而二級(jí)火箭末端普遍上也會(huì)進(jìn)比較高的圓化軌道，要經(jīng)過比較長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)再入大氣層燒毀。一級(jí)火箭則是進(jìn)入一個(gè)亞軌道，形成一個(gè)拋物線基本上在發(fā)射后10分鐘內(nèi)就會(huì)再入大氣層。（長(zhǎng)征五號(hào)B型除外，長(zhǎng)征五號(hào)B型是一級(jí)半火箭，芯級(jí)就是末級(jí)。與航天器分離后會(huì)進(jìn)入一個(gè)圓化軌道，因?yàn)榻攸c(diǎn)高度低，所以需要好幾天才會(huì)再入大氣層。）
總結(jié)；亞軌道運(yùn)載器并不進(jìn)入軌道，所以，如果是同樣發(fā)射衛(wèi)星，亞軌道運(yùn)載器的衛(wèi)星就需要自帶發(fā)動(dòng)機(jī)或者加裝一個(gè)末端上升器將衛(wèi)星送進(jìn)預(yù)定軌道。而回收的運(yùn)載火箭則可以利用末端火箭直接將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。
二，發(fā)動(dòng)機(jī)的不同
在航天科技集團(tuán)的發(fā)文中，我們可以看到；亞軌道重復(fù)使用運(yùn)載器可作為升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的子級(jí)，是航天航空技術(shù)的高度融合體。也就是說亞軌道飛行器是由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是一級(jí)母機(jī)和二級(jí)的航天器。
重點(diǎn)來了，在此之前官方透露的發(fā)動(dòng)機(jī)組合是；母機(jī)組合發(fā)動(dòng)機(jī)+子級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
但是，這次文中寫的是“垂直起降+水平著陸，子級(jí)”，也就意味著很可能二級(jí)也用上了組合發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是吸氣式組合型循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)TRRE，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式是：渦輪模式、亞燃沖壓模態(tài)、超燃沖壓模態(tài)、和火箭模態(tài)。也就是說，子級(jí)可以單獨(dú)垂直發(fā)射再到水平著陸，很可能是使用了這種模式的發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)然，純火箭發(fā)動(dòng)機(jī)垂直發(fā)射后在水平著陸也是有可能的，這只是基于單子級(jí)“垂直起降+水平著陸”的猜想。
母機(jī)基本可以確定是渦輪基組合動(dòng)力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)TBCC：為渦輪模態(tài)，亞燃沖壓模態(tài)，超燃沖壓模態(tài)。在2016年的第二屆商業(yè)航天高峰論壇上中國(guó)航天科工集團(tuán)公司副總經(jīng)理劉石泉首次披露了“騰云工程”的“空天飛機(jī)”計(jì)劃，這是一種可以執(zhí)行航天發(fā)射任務(wù)，并多次重復(fù)使用的新一代天地往返飛行器，其飛行過程如下：
1、亞軌道飛行器可以在地面機(jī)場(chǎng)水平起飛，在大氣層中加速爬升。
2、到達(dá)30至40公里高度時(shí)一二級(jí)分離，一級(jí)返回機(jī)場(chǎng)著陸。
3、二級(jí)繼續(xù)爬升進(jìn)入近地軌道，完成運(yùn)輸任務(wù)后再入大氣返回。
按照此前的說法；組合發(fā)動(dòng)機(jī)+火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的配置，發(fā)射流程就是母機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪模式跑道起飛，再轉(zhuǎn)亞燃沖壓最后是超然沖壓模式，到達(dá)高度后分離，子級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。
可回收運(yùn)載火箭，這個(gè)大家再熟悉不過了，也就是傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，例如獵鷹九號(hào)就是傳統(tǒng)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。而液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)由于在工作后會(huì)結(jié)焦積碳，重新使用時(shí)需要清理，導(dǎo)致現(xiàn)在研發(fā)可回收運(yùn)載火箭時(shí)都選擇液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。而SpaceX也選擇淘汰，在星艦中使用液氧甲烷作為燃料的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，藍(lán)色起源的新格倫也是使用液氧甲烷的BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)。而2022版的長(zhǎng)征九號(hào)也是搭載的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。該燃料的好處是不但是清潔能源，在使用后不會(huì)出現(xiàn)結(jié)焦積碳的情況，省去了一大麻煩。
三，任務(wù)類型
亞軌道運(yùn)載器的任務(wù)，根據(jù)目前僅有的微乎其微的資料判斷主要可以分為三類；
1，商業(yè)載人航天-亞軌道太空旅游；目前亞軌道旅游的航天公司有兩家，藍(lán)色起源和維珍銀河。這兩家的亞軌道旅游都是比較勉強(qiáng)，維珍銀河甚至沒有越過100公里的卡門線，而藍(lán)色起源也僅僅越過卡門線10來分鐘就開始返回了，我國(guó)的亞軌道運(yùn)載器器設(shè)計(jì)未來可以飛的更高的軌道，甚至是環(huán)繞地球一周。比前兩家公司的亞軌道飛行更持久。
2，發(fā)射近地軌道衛(wèi)星，由于亞軌道飛行器自身是需要再入返回的，遠(yuǎn)地點(diǎn)不會(huì)太高，假如發(fā)射高軌道衛(wèi)星則需要衛(wèi)星自己帶大量的燃料，很明顯這不現(xiàn)實(shí)。且，目前沒有任何可準(zhǔn)確判斷關(guān)于航天器運(yùn)載能力的消息。但大家可以回看圖6，近地軌道運(yùn)力僅為2噸。
3，亞軌道轟炸機(jī)，亞軌道運(yùn)載器運(yùn)載的貨物可以是貨物也可以是彈頭，在亞軌道對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)打擊或觀察。這也是亞軌道運(yùn)載器的最大優(yōu)勢(shì)和未來的“主要用處”。亞軌道運(yùn)載機(jī)作為亞軌道飛行器，具有高速、耐燃、靈活的特性在大氣層邊緣打水漂，可以靈活地向地面進(jìn)行打擊。試想一下，一艘軌道器帶著核彈在你頭頂打水漂，或者扔下核彈點(diǎn)火又飛太空去了。
而騰云工程的母機(jī)在軍事上才是個(gè)大殺器。母機(jī)為TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)，具有超燃沖壓模式的“大型運(yùn)載機(jī)”未來卸下二級(jí)亞軌道運(yùn)載器作為軍用，想一想一架十幾馬赫的轟炸機(jī)搭載著核彈在萬(wàn)米的高空飛過，就算強(qiáng)如美俄也要抖一抖。
可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，可回收利用時(shí)運(yùn)載火箭用處基本就是在太空了。已知的就有載人航天、各級(jí)軌道衛(wèi)星、太空貨運(yùn)等等。運(yùn)載火箭的運(yùn)力從幾千克到上百噸不等，大型航天器使用亞軌道運(yùn)載器運(yùn)輸基本是不可能是事情，所以這一點(diǎn)沒什么好討論的。比如運(yùn)送空間站模塊，這得多大的飛機(jī)艙段。也許會(huì)有人在想，是否可以建設(shè)太空武器庫(kù)？例如電影中的上帝之杖。不也可以作為軍事用處，其實(shí)上帝之杖就是科幻片，別說上帝之杖任何實(shí)體武器部署在太空都很難實(shí)現(xiàn)打擊效果，除非是激光武器。因?yàn)椋笮秃教炱髟诖髧?guó)面前就是活靶子，例如中美俄，有打擊衛(wèi)星能力的國(guó)家。所以，靈活機(jī)動(dòng)的亞軌道航天器是目前作為軍事用處的最好選擇。
四，回收方式
回收方式大家是一眼就看明白了，亞軌道運(yùn)載器的優(yōu)勢(shì)是可以滑翔或者有動(dòng)力再入后水平著陸，而回收火箭則是固定的著陸點(diǎn)。這方面，運(yùn)載器有著碾壓的優(yōu)勢(shì)。亞軌道運(yùn)載器也可通過無動(dòng)力滑翔到任何機(jī)場(chǎng)，而火箭垂直回收只能著陸到特定地點(diǎn)，并且受著陸地點(diǎn)的天氣影響特別大。除了垂直著陸回收，也有傘降回收直升機(jī)回收（長(zhǎng)6改和電子號(hào)），同樣受天氣影響甚至受回收時(shí)的回收直升機(jī)機(jī)長(zhǎng)的技術(shù)影響。
看完本文，相信大家對(duì)兩種飛行器都有大致的了解，所以總結(jié)起來，并沒有孰優(yōu)孰劣。是兩款用處不同的航天器，以至于我們國(guó)家也是全面發(fā)展兩種航天器，在未來會(huì)同時(shí)服務(wù)于我們中國(guó)航天的發(fā)展。值得一提的是，我國(guó)在亞軌道運(yùn)載器上是發(fā)展目前是領(lǐng)先全球，尤其是TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)，從騰云工程的發(fā)展進(jìn)度來看是已經(jīng)攻破的技術(shù)，母機(jī)將在2025年首飛，二級(jí)完全體也將在2030年前投入商用。
以長(zhǎng)征8R為代表的可重復(fù)利用的運(yùn)載火箭，也將在2024年首飛，未來長(zhǎng)征5號(hào)DY型也將會(huì)開發(fā)回收版，而長(zhǎng)征九號(hào)也有回收版本，也就意味著我國(guó)航天“全都要”。畢竟就如本文所說，這兩項(xiàng)的技術(shù)并不沖突，各有各的優(yōu)勢(shì)。
中國(guó)航天，未來可期。對(duì)此，大家對(duì)我國(guó)航天的發(fā)展有什么看法，歡迎評(píng)論區(qū)討論。
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