进入21世纪以来,人类航天技术的发展日新月异,从目前来看,航天事业皇冠上有两颗明珠,一颗是以X-37B为代表的可重复使用的有翼飞船,**朋友习称之为“太空飞机”,另一颗是以SpaceX的猎鹰9号火箭为代表的可重复使用的运载火箭。
在很长一段时间里,美国在这两个赛道上一直处于领先地位,直到3年前,中国的可重复使用试验飞船成功首飞,彻底打破了其在该领域的技术垄断。
12月14日,新华社发布全文仅100字的新闻稿报道称,中国可重复使用的试验飞船由CZ-2F运载火箭成功发射。
同一天,美国原本也计划用猎鹰重型火箭发射X-37B,但由于技术故障,最终从发射站撤回到工厂,预计推迟数周。
X-37B的重型猎鹰火箭撤出。
中国可重复使用的实验航天器已成功执行了三次发射任务,前两次分别是:
第一次:2024年9月4日发射,2024年9月6日返回,任务时长1天以上;
第二次:2024年8月5日发射,2024年5月8日返回,任务时长276天。
在轨任务的持续时间越来越长,相信第三次飞行也将再创佳绩。
新闻稿很短,但有一些关键信息,例如在CZ-2F火箭上发射意味着可重复使用的测试航天器的发射重量为8高达6吨,它还可以自主返回预定的着陆点。
7年前用于天宫二号空间实验室发射任务的CZ-7FT运载火箭。
近三年来,堪称“绝密”的可重复使用试验飞船,从未透露过真实身份,但这并不妨碍其作为国家重要武器的战略价值,我们也可以瞥见美国X-37B管中的豹子。
虽然**朋友习都把X-37B和可重复使用的测试飞船称为“太空飞机”,但这完全是一个误区,可以先看看航天飞机和太空飞机的定义:
航天飞机是指利用助推火箭垂直起飞,然后启动轨道器进行轨道导航,返回地面时滑翔着陆,可重复使用。
航空航天飞机是一种可以在机场跑道上水平起降的飞机,可以在大气层内外飞行。 该发电厂在大气层内使用吸气发动机,在大气层外使用火箭发动机。
翱翔的天空飞机。
显然,虽然X-37B看起来像飞机,能够飞入太空,但它仍然需要依靠运载火箭垂直起飞来助推发射,只能在大气层中无动力滑翔飞行,这是航天飞机的典型特征。
X-37B与火箭整流罩相结合。
可以看出,无论是X-37B还是可重复使用的运载火箭,对于美国航天来说,都是半个多世纪以来持续高强度投入的庞大技术资产存量再开发的结果。
虽然航天飞机和航天飞机的定义不同,它们所代表的技术水平也不同,但它们都属于“航天飞行器”,都可以跨越大气层内外的域飞行,它们的飞行特性都离不开一个词,那就是“高超音速飞行”。
虽然X-37B已经走在了前面,但美国在高超音速飞行领域的落后也很明显,海陆空三军研制的高超音速导弹,无论是吸气式还是滑翔式,都屡屡失败,与中国令人眼花缭乱的各类高超音速装备形成了强烈的对比。
从东风-26的双锥滑翔制导弹头,到东风-17的乘波弹头,再到各类吸气式高超音速飞行器发展的突破,我国无疑在高超音速装备领域跻身世界先进梯队前列。
这一切都得益于科学的战略决策,早在上世纪90年代初,载人航天工程立项之前,国内相关院所和单位就载人天地往返飞行器的选型进行了大讨论,并有多项设计方案参与打分选型,包括多种有翼飞船、 甚至还有一个更激进的两级轨道航空航天飞机计划。
在官方的评分评选中,航天飞机计划获得了最高分,这与我们今天看到的神舟飞船计划完全不同。
然而,航空航天工程从来都不是一个简单的技术问题,因为它涉及到人力、物力、财力的控制,是一个战略性工程。
虽然基于战略考虑,载人飞船计划适合中国当时的基本国情,但这并不意味着航天飞机计划落后,相反,因此,在投票支持载人飞船计划后不久,钱学森再次向年轻一代航天员发出了一个信息: 航天工业的另一大发展是航天飞机,特别是作为民航工具,可以在半小时内穿越20000公里,因此航天飞机应该是21世纪的重大成就。21世纪的中国人一定要在航天飞机上大显身手,这是全国性的大事!
航天飞机和航天飞机并不是完全不同的技术轨道,航天飞机的发展通常需要航天飞机的技术积累,也可以说航天飞机的发展是突破航天飞机研发瓶颈的必由之路。
* 朋友们也习称X-37B为空天战斗机,对它充满了军事幻想,但实际上,X-37B确实撑不起这个称号。
比如有人说,X-37B可以进行轨道机动,捕获别国的飞船进行破坏,即使不能摧毁,也可以对别国的航天器进行近距离侦察。
从理论上讲,X-37B可以做这些事情,但有些军用卫星更适合做这些事情。 以X-37B航天飞机为例,当它在轨运行时,它自身的机翼、隔热瓦等结构都死了,在进行轨道机动飞行时,它需要比同等功能的卫星消耗更多的燃料,而且它只擅长改变轨道高度的机动,在很宽的范围内改变轨道倾角的能力非常有限。
无论是X-37B还是我们的可重复使用的测试航天器,它们的核心价值仍然在于技术验证,为未来真正的航空航天飞机的开发开辟了道路。
例如,当有翼飞船返回地球时,进入速度可以达到25马赫,几乎是歼-20最高速度的12倍,并且在与大气高速摩擦的过程中,会形成高温等离子体护套,温度可以达到2000摄氏度以上,这需要高性能的隔热材料来屏蔽和保护航天器。
我国在保温材料领域的技术水平已处于世界领先水平,最具代表性的是三年前应用的新一代载人飞船试验船“轻质碳基微烧蚀热保护材料”。这种材料可以抵抗3000摄氏度的高温烧蚀,可用于载人登月、载人登陆火星、载人登陆小行星等各种深空探测器的返回。
过去,再入航天器抵抗高温烧蚀的方法是将尺寸的重量堆积在隔热材料上,如美国用于载人再入月球任务的猎户座载人飞船,发射重量达到265吨,其中返回舱的重量为104吨,返回舱的内部生活空间仅为9立方米。
猎户座飞船在轨道上的镜头。
猎户座飞船返回地球后。
猎户座飞船的返回舱内。
是的由于其落后的保温材料,需要较大的侧壁倾角,这也是为什么猎户座飞船返回舱看起来更低的原因,为了降低返回舱侧壁的热压力,较大的侧壁倾角直接压缩了返回舱的内部生活体积,其材料相对笨重, 本来就很拥挤的空间变得更加局促。
我国轻质碳基微烧蚀耐热材料完全不同,材料密度极低,本身重量轻,而且还有微烧蚀作用,也就是说在再入烧蚀过程中,只需要一小部分烧蚀材料就可以完成保温控温的任务, 由于性能优异,因此我们返回舱侧壁的倾斜角度非常小。
与猎户座飞船相比,我们侧壁的倾角明显更小。
这样,首先,可以从结构中获得较大的回流胶囊内部容积,其次,由于其优良的保温性能,只需少量的保温材料即可完成保温任务,进一步释放回流胶囊的内部容积。
新一代载人飞船试验船返回舱的高速再入。
新一代载人飞船试验船返回地球后在返回舱内的外观。
所以我国新一代载人飞船试验船返回舱在比猎户座飞船返回舱轻3吨的基础上,内部空间大达13立方米,比猎户座飞船多4立方米。可以说,国产轻量化碳基微烧蚀耐热材料已经形成了对猎户座飞船、载人龙飞船、CST-100星际飞船的跨代领先优势。
新一代载人飞船返回舱内的大空间有一个可拆卸的货舱。
这只是载人飞船用新一代的保温材料,我国又有另一种不便于公开的新型金属基保温材料,已广泛应用于各类航天器。
除了隔热外,还有新一代导向技术的应用。
嫦娥五号T1试验车、新一代载人飞船试验船、嫦娥五号探测器、天问一号探测器、神舟系列载人飞船均搭载了我国独创的自适应校正制导技术。
Adaptive Correction Guidance Technology的全称是“全数字、全系数自适应**校正指导”。它可以根据航天器的飞行状态和当前的制导策略预测飞行结束误差,并根据飞行过程中的误差和相应的约束条件独立计算下一步的制导策略,直到航天器被准确引导到飞行结束。
新一代载人飞船试验船的返回舱在靶心中。
基于这项技术,三年前,新一代载人航天器测试船的首次飞行创造了10事实上,借助这项技术,嫦娥五号T1试验车在月地高速再入任务中刷新了同类载人飞船降落伞开启点的精度。 此后,该技术帮助天问一号着陆车高精度登陆火星。
自适应校正引导技术可以说是灵丹妙药,其应用领域非常广泛特别是,它可用于航空航天器的再入飞行这就是为什么在短短三年内,我们能够与过去世界上最好的公司竞争。
除了目前已经应用的各种高科技产品外,为了尽快打通航天飞机研发的技术通道,我们一直在进行前瞻性布局,有的甚至跨过了技术攻关的层面,正在迅速接近工程化应用的目标。
例如,适配腾云航天飞机的云龙联合动力发动机已经完成了原理样机的研制,以及不久前央视大规模报道的JF-22高超音速风洞和爆震脉冲发动机。
云龙组合动力发动机原理样机。
除了高科技装备的研发布局,我更懂得如何快速将科技成果转化为战斗力,比如乌镇-8高速无人机,可以实现大规模快速侦察,获得一流的战场情报,为各种作战平台提供打击制导。
没有侦探八。 另一方面,美国在这些方面总能定下高调,但最终的落地工程可以说是鸡毛......
可以肯定地说,人类第一架真正有能力在大气层内外太空自主飞行的航天飞机,将率先在中国诞生。