发布时间：2023-12-18 07:21:41   来源：安博电竞

  世界上第一个宇航员尤.阿.加加林(Yuri Alekseyevich Gagarin)于1961年4月12日进入太空，乘坐前苏联的东方号飞船及其东方号运载火箭是世界上第一个载人航天运载器。1981年4月12日首飞的美国航天飞机，是世界上第一个可重复使用载人航天运载器。这些载人航天运载器有两大难点：一是以每秒钟近7.9公里的高速度再入大气层，摩擦产生的高温会严重烧蚀壳体材料；二是以液氧为氧化剂和液氢、甲烷、煤油等为燃料的火箭发动机，燃烧温度高达3300至3500摄氏度，比航空发动机的空气/煤油燃烧最高温度2060摄氏度高出很多。因此，载人航天运载器从一次性使用发展为可重复使用是很不容易的，难以尽善尽美。

  以往的载人航天运载器优点是运载能力大，可以飞往近地轨道、空间站和月球。缺点是在大气层飞行的助推火箭和一级火箭不利用空气燃烧，装载大量的氧化剂使得火箭庞大，大幅度提升研制和使用费。随着航天事业的持续不断的发展，尤其是太空旅游的兴起对经济性要求更高，因而产生了利用空气燃烧的载人航天运载器。英国维珍银河公司研制的大型双机身飞机白骑士二号和太空船二号组合，用于跨太空旅游，具有经济性好、安全性高等优点。缺点是运载能力低，不足以满足人们去近地轨道飞行和空间站旅游的需要。

  从八十年前纳粹德国研制的V-2火箭，到现在的美国太空发射系统SLS重型运载火箭，各国的运载火箭几乎都是一次性使用。载人飞船也是如此。这是因为一次性载人航天运载器具有不太复杂、技术成熟、研制较快、投资较少、可靠性高等优点。缺点是一次使用，浪费显而易见。

  2022年3月18日运往发射台的首发SLS重型运载火箭，是从发射航天飞机演变而来的，由美国国家航空航天局NASA主持设计和研制。近地轨道运载能力130吨，超过原载人登月用土星5号重型运载火箭的118吨运载能力，号称史上最强运载火箭系统。该火箭计划于2026年前后运载猎户座号多用途载人飞船，开始做载人登月飞行。

  SLS重型运载火箭的发动机是发射航天飞机的发动机推力加大，釆用2个推力1600吨的固体助推火箭，芯一级火箭用4台海平面推力189.7吨的RS-25D/E高压补燃氢氧发动机。二级火箭用4台线氢氧发动机。

  中国正在服役的载人航天运载器是长征二号F运载火箭和神舟飞船。已安全飞行8次全部成功，将13名航天员共20人次安全送入太空。

  中国刚起步的921载人登月火箭，保留了长征五号火箭的5米箭体直径和部分发动机。一级火箭和两个助推火箭并联3X7=21台YF-100K发动机。二级火箭用2台YF-100M发动机。三级火箭用3台YF-75D发动机。火箭的近地轨道运载能力70吨，奔月轨道运载能力可达27吨。起飞质量2211吨，起飞推力2680吨，高度约100米。一次性的921火箭分两次发射，先后将月球着陆器(登月舱)和载人飞船送入环月轨道，接着进行对接。研制921火箭较省钱和可靠，在2030年前就能实现载人登月，这是走捷径的好方案。

  笔者认为，一次性载人航天运载器是传统和基本点。一次性重型运载火箭和载人飞船可完全用于将来的载人登火星，并能做到有去有回。只需发射两发长征九号重型运臷火箭，分别将有效载荷都可达37吨的载人飞船和登火星舱送至环火星轨道，进行对接后类似阿波罗飞船载人登月那样实现载人登火星并返回地球。若需要，后续再发射长征九号火箭，通过货运飞船的对接进行补给。

  美国航天飞机设计独特，技术先进。轨道飞行器用3台213吨真空推力的SSME高压补燃氢氧变推力发动机推进，设计可重复使用100次，发动机重复使用55次。实际重复使用最多的是发现者号39次与发动机19次，5架航天飞机总共飞行135次。两个固体助推火箭的总推力为2400吨。每次发射可将29.5吨有效载荷送入近地轨道。可载7名宇航员在近地轨道飞行7至30天。

  航天飞机高难技术多，造价高，耗资超过了2000亿美元，是阿波罗载人登月项目总投资的数倍。每次飞行后对粘贴在飞机外表面的隔热瓦进行检修和更换很麻烦。SSME发动机的检修复用也很麻烦。这是造成航天飞机检修复用不方便、时间长、费用高和可靠性欠佳的原因。结果每次发射价格最多能比预计的翻十倍达6亿美元，远超于一次性运载火箭和载人飞船的发射价格。还发生两次机毁共14人亡的重大事故。NASA痛下决心下马该项目，2011年7月21日起停飞。

  美国的世界首富埃隆.马斯克(Elon Musk)旗下的空间探索技术公司Space X，在成立后认真吸取了航天飞机的教训，专门研制低价的猎鹰9号两级火箭。一级火箭并联9台燃气发生器循环的常规梅林1D发动机，单机最大推力只有86吨，通过批量生产降低造价。还首创一级火箭的垂直降落回收。不回收的二级火箭使用1台线C发动机。该火箭的近地轨道运载能力22.8吨，发射报价6200万美元，比航天飞机的发射价格低得多。

  猎鹰9号火箭已得到广泛应用。正在和将继续频繁发射42000颗卫星，组成Space X的星链。已24次发射货运龙飞船，向国际空间站运送补给。已6次发射载人龙飞船，把22人送入国际空间站和近地轨道。有必要注意一下的4月8日最新发射，是用第5次飞行的一级火箭和第3次飞行的飞船。该火箭使用液氧煤油推进剂，发动机的重复使用不少于5次，火箭的重复使用已有4发达到12次。

  为了实现马斯克的移民火星梦想，在成功研制猎鹰9号火箭的基础上，Space X又研制了星舰。近地轨道运载能力在150吨以上，将应用于载人登火星、载人登月并返回、地球快速运输人和货物等任务。马斯克的星舰由超重型火箭和星舰组成，都垂直降落全部回收多次重复使用。超重型火箭采用的是机甲酷斯拉回收抱臂方式。按设计，火箭重复使用100次，发动机重复使用不少于10次。是用推力230吨的猛禽Raptor高压补燃液氧甲烷发动机，20%至100%节流变推力。

  超重型火箭是按中心1台、内圈8台和外圈20台进行29台发动机并联，与前苏联失败的N-1载人登月火箭很相似。星舰是用中间3台短喷管海平面发动机和外围3台大喷管真空发动机并联。星舰的体积825立方米，大于空客380客机。星舰是采用便宜的耐热不锈钢作为基体材料，并在所有外表面贴敷TPS瓷砖(隔热瓦)。马斯克的星舰存在疑点较多，能否成功发射、完满回收和实际应用待验证。首次飞行试验用的超重型火箭BN7和星舰SN24正在进行组装和测试。

  长征八号是中国新一代中型中低轨道两级液体捆绑式运载火箭，已经成功飞行两次。长征八号火箭后续研制将采用可回收式的设计(CZ-8R)，据报道是把一子级连同两个助推火箭一起垂直降落回收。另外，长征六号也准备打造成可回收重复使用火箭。

  为了提高运载火箭垂直降落回收的成功率和减少落地的冲击力，我国准备釆用四根系绳吊挂和动态网眼的回收系统。该回收系统将用近地轨道921火箭进行研究试验。如果圆满成功，将来就可用于载人登月的921火箭。

  笔者认为，可重复使用载人航天运载器是当前的时尚和热门，但要尽善尽美真正有大的实用价值任重道远。发动机应向航空发动机看齐，大幅度的降低燃烧温度，大幅度提升重复使用次数，大幅度减少检修复用的麻烦程度。为此提出一种重复使用有望达到200次的低燃烧温度火箭发动机， 是以无毒可贮存的70%至79%过氧化氢为氧化剂，用液氢为燃料。燃烧温度只有 2020~2277摄氏度，涡轮温度只有 322~ 485摄氏度。发动机线s以上，推进剂组合密度 0.764~0.741 g/cm3也不小。

  2021年7月11日，英国71岁的维珍银河创始人理查德.布兰森(Richard Branson)成为真正意义的世界太空旅游第一人。他搭乘旅游专用的太空船二号由大型双机身飞机白骑士二号携带到15.24公里高度，释放点火后用火箭发动机推进直线爬升。几分钟后，飞行员关掉发动机，太空船二号惯性爬升到最高点89公里。布兰森与旅伴解开安全带，体验4分钟失重状态，并透过十多扇橢圆形舷窗欣赏太空景色。

  白骑士二号和太空船二号是航空航天相结合，较充分的利用空气燃烧，经济性很好。尤其是太空船二号的飞行高度和速度都较小，不需要粘贴隔热瓦，制造容易和使用起来更便捷，重复使用次数比航天飞机多得多。这就使得这种跨太空旅游的票价大幅度降低到25万美元。布兰森的表率作用，加深了各国对这种跨太空旅游安全性和经济性的认可，预定座位者络绎不绝，票价一度涨到45万美元。预计2023年的每年飞行270个航班，每班至少5名乘客。

  针对布兰森的跨太空旅游项目的一次运载能力不够，美国的前微软联合创始人保罗.艾伦(Paul Allen)于2011年提出用巨型双机身飞机发射火箭或太空船。他投资斯特拉托发射系统公司积极研制这种世界最大翼展飞机和最大复合材料飞机。该飞机有翼展117米的大机翼，机身长度超过一百米，重量达225吨。使用6个波音747级别的涡扇发动机，设置28个轮子和12个独立油箱。

  巨型双机身飞机可在机翼中间下面悬挂250吨质量的上面级火箭，运到空中9公里多高度分离发射，将6.1吨有效载荷送往180至200公里高度轨道。还可悬挂太空船一号载客进行跨太空旅游。在艾伦于2018年10月病逝后不久，巨型双机身飞机已经于2019年4月14日成功地进行了第一次试飞。飞行高度达到5200米，速度达304公里/小时。在飞行两个半小时后，飞机安全返回试飞基地。2021年4月29日，巨型双机身飞机又完成第二次飞行升空。

  中国腾云空天飞机是用运载飞机背着从地面起飞的。运载飞机配备喷气发动机和冲压发动机，先启动喷气发动机。接着启动冲压发动机，先后以亚燃冲压模式和超燃冲压模式飞行。当达到30公里高度和6至7马赫时，运载飞机释放空天飞机。空天飞机用火箭发动机继续加速和攀升，可途经南极围绕地球运行一圈，最后返回基地。

  中国腾云工程计划已于2021年11月25日在湖北武汉召开的第7届商业航天高峰论坛上宣布，并证实中国腾云空天飞机已成功进行飞行验证。按计划将在2025年进行首次飞行试验。2030年之前，设计并制造完成中国首架可水平起飞、水平着陆并能多次重复使用的空天往返飞行器。这种载人航天运载器是高动压飞行器，实现多次重复使用的难度不小。

  英国正与澳大利亚合作研发高超音速太空飞机，可使飞机从静止状态达到5倍音速以上。这种航空航天一体化飞机可有动力飞行到80公里高度，然后依靠惯性飞过100公里高度，进行快速旅行和跨太空旅游。这种飞机预计2030年实现试飞。当然，这种飞机也可改作运载飞机，背着太空船或空天飞机，释放后飞向近地轨道和空间站。

  高超音速太空飞机是使用一种航空航天一体化的SABRE合成涡喷火箭发动机。0至26公里高度用液氢对空气进行深冷提高密度后，以高的压力把深冷空气输入燃烧室与氢进行燃烧。当飞到26公里高度时进行切换，把液氧输入同一燃烧室与氢进行燃烧，即26至80公里高度是用氢氧火箭发动机推进。SABRE发动机是全新型发动机，很先进但技术难度非常大，已经研制了三十多年，有望近些年由英国Reaction Engines公司研发成功。国内也有单位在研制。

  笔者认为，大型和巨型双机身飞机及单机身运载飞机的运载能力小，是因为航空发动机的推力小。现提出用火箭推力室技术改进的航空涡扇发动机，主要是把燃料由航空煤油改为液氢。由于空气/氢的混合比大和液氢的热值高，液氢用作航空燃料的油耗量要比航空煤油小3倍。另外，可以把加力燃烧室的单壁改为用液氢再生冷却的双层夹套结构。这就可以使改进后的航空涡扇发动机全程在最高燃烧温度下加力工作，成倍增加发动机推力，满足航天用途的需要。 当然也有缺点，液氢的密度很小，会使燃料箱的体积增大近4倍。

  针对SABRE合成涡喷火箭发动机缺乏技术继承性和迟迟研制不出来，提出了三种新型航空航天涡扇发动机。是把催化分解70%至79%过氧化氢生成的富氧气引入航空涡扇发动机，与液氢或航空煤油燃烧的最高温度只有1958至2277摄氏度，构成进气道进富氧气、加力燃烧室进富氧气、两处(进气道和加力燃烧室)进富氧气等三种航空航天涡扇发动机。能使超音速飞机在30公里高度以3马赫飞行，并可以飞到40公里高度达到4马赫。用这种飞机有望进行票价不超过10万元人民币的亚太空旅游和快速旅行。

  针对现有运载飞机已大到接近极限，而运载能力远远满足不了航天发展需要，现提出水平起落运载火箭。是用圆柱形箭体和贮箱作为双机身，机身尾部有主要在高空工作的低燃烧温度火箭发动机；双机身上方是大三角翼，三角翼上方尾部设置8台左右的航空航天涡扇发动机，三角翼中央下方悬挂待发射的上面级火箭或太空船；通过起落架在专用机场的跑道上滑动进行起飞和降落。

  利用空气燃烧的载人航天运载器最经济和最有前途，应为发展重点。这种载人航天运载器如果发展好，将逐步取代不利用空气燃烧的一次性载人航天运载器和可重复使用载人航天运载器。可以预言在五十年后，将会是利用空气燃烧的运载飞机或水平起落运载火箭的天下。

  三类载人航天运载器各有优缺点，都有前途，现阶段应当并举发展。我们要结合中国的发展特点，认真研究分析美英和其他几个国家的研制发展状况，吸取他们的经验教训，找对自己的发展途径，结合实际做好我们的工作。建议重视和加强预先研究工作，优先对自主创新项目进行论证和研究。要走我们自己的发展道路，才能更好地赶超世界先进水平。

  根据今年一月发布的中国航天白皮书，我们要做好长征九号重型运载火箭的深入论证和太空旅游的规划。希望本文有助于这些工作的进行。通过航空航天相结合和一体化，航天事业将会发展得更快更好，并会反过来促进航空事业的发展。返回搜狐，查看更加多