从低成本角度探讨航天运载器技术发展路线

　　摘要 为降低航天运载发射成本，传统的航天运载器经历了一次性使用运载火箭、航天飞机、可重复使用运载火箭的发展历程。分析了一次性使用运载火箭、航天飞机、可重复使用运载火箭、空天飞行器的运载方式与运载成本，研究了国外空天飞行器发展情况，概括了空天飞行器发展面临的宽域高超声速流动与燃烧问题、真实气体效应问题、多种热力循环模态转换与匹配问题、超高温作用下材料/结构热防护与失效问题、宽域高动态强耦合飞行控制问题。通过重复使用水平起降空天飞行器有望大幅降低航天运载发射成本，但也面临巨大的技术挑战，需重点投入和攻关。

　　本文源自朱坤; 杨铁成; 周宁， 飞航导弹 发表时间：2021-07-16

　　关键词 航天运载器、空天飞行器、技术路线、重复使用、低成本

　　引 言

　　现代卫星的大规模应用对降低航天发射费用的需求日趋强烈。2019 年，美太空探索技术公司(SpaceX)提出的星链计划[1]获得美国联邦通信委员会(FCC)批准，将建成 4.2 万颗卫星组成的低轨互联网巨型星座。同时，随着导航、气象、科研、侦察、测绘等卫星需求的急剧增加，航天运载发射呈现出“井喷式”发展态势。除卫星发射外，空间站补给、太空维护与救援、深空探测等活动也对未来航天运载提出了更多需求。

　　航天运载器代表了进入空间的能力，是开发利用空间资源的基础。降低航天发射费用、缩短航天运载发射周期是未来航天运载器发展的重要方向。一次性使用运载火箭的发动机比冲较低，箭体和发动机无法重复使用，发射准备周期长，难以满足未来大规模低成本空间开发需求;航天飞机实现了轨道飞行器、固体燃料助推器的重复使用，但其不成熟的结构热防护技术使其发射成本居高不下，最终被迫退出历史舞台;可重复使用运载火箭实现了箭体、火箭发动机及其它部分设备的垂直回收和再次使用，有望通过多次重复使用将运载成本降低至一次性使用火箭发射成本的三分之一;水平起降空天飞行器可利用大气层中的氧气从而大幅度降低起飞质量和总体规模，具备完全可重复使用能力，能够满足未来廉价、快速、便捷、自由进出空间的需求，具有巨大的发展潜力。

　　1 传统航天运载器

　　传统航天运载器运载方式经历了由一次性使用运载火箭、航天飞机到可重复使用运载火箭的发展历程，体现了人类对不断降低发射费用的探索与实践。

　　1.1 一次性使用运载火箭

　　长期以来，航天发射主要采用多级运载火箭。垂直发射快速穿过 50 km 稠密大气层，然后再逐渐倾斜至水平入轨。由于火箭发动机的比冲低[2](液氧/煤油发动机的地面比冲约为 300 s，液氢/液氧发动机约为 390 s)，为实现入轨飞行运载火箭需采用多级形式，在飞行中依次抛掉已工作完毕的一级、二级火箭，减轻后级加速质量，才能将卫星不断加速送入轨道。各级火箭残骸落入大气层坠毁或烧毁，可见运载火箭一次性使用导致运载费用很高。

　　在一次性使用运载火箭成本构成中，发动机约占总成本的 54.3%，箭体结构约占总成本的23.6%，电气系统约占 8%，阀门管路及执行机构约占 8.1%，点火、级间分离等火工品约占 5.3%，推进剂成本约占 0.7%。一次性使用运载火箭对于低地球轨道发射费用每吨约为 300 万美元，难以满足未来大规模低成本空间开发需求。

　　1.2 航天飞机

　　火箭发动机和箭体结构的成本约占运载火箭成本的 78%，高价值发动机和箭体结构的一次性使用是使运载发射成本较高的重要原因，因此，20 世纪 70 年代美国启动了航天飞机研发，试图通过将火箭发动机和整机水平着落方式回收重复使用，从而大幅降低发射成本。预计航天飞机单次发射费用为 5 400 万美元(运载能力 24 t，225 万美元/t)，1981 年首飞成功，30 年内共飞行了 135 次。

　　航天飞机由轨道飞行器、两个固体燃料助推器和整体外挂内部隔开的液氢/液氧燃料箱组成，其中，轨道飞行器、固体燃料助推器可重复使用，外挂液氢/液氧燃料箱在与轨道飞行器分离再入大气层时烧毁。航天飞机总高度约 56 m，起飞质量约 2 040 t，起飞推力约 2800 t，其中，轨道飞行器长约 37.2 m，翼展约 23.8 m。航天飞机采用与运载火箭相同的垂直起飞方式，不同的是在完成空间任务后，轨道飞行器离轨再入大气层，利用空气减速，无动力下降，水平着陆，经检修后可再次发射。因此，航天飞机不仅可执行发射任务，还可将空间载荷运回地球。

　　轨道飞行器在再入大气层过程中气动加热严酷，机体表面需要历经 2 000℃高温的灼烧，面临高温、冲刷、热密封等严酷难题，然而重复使用结构热防护技术不成熟，使得返场着陆后需要进行大量的拆解、检测和维护，特别是热防护瓦的探测、维护和更换使航天飞机发射及维护成本居高不下。航天飞机实际单次发射成本高达 7.75 亿美元，因此不得不在 2011 年后退役。虽然航天飞机没有达到大幅降低发射费用的目标，但其在降低发射费用方面做出了有益探索，并指明了探索方向。

　　1.3 可重复使用运载火箭

　　航天飞机项目失败的主要原因是再入大气层重复使用热防护技术不成熟，但其将成本最高的火箭发动机回收再使用以求降低航天运载成本的技术途径是可借鉴的。针对一级火箭占全部运载火箭质量和成本 70%以上的情况，美国太空探索技术公司(SpaceX)提出了一级火箭垂直回收思路，既可大幅度降低成本，又避开了再入大气层面临的严酷热环境。

　　虽几经挫折，SpaceX 公司还是成功开辟了一条一子级运载火箭回收和重复使用之路。2014 年 10 月，SpaceX 公司成功完成了猎鹰 9 号运载火箭一子级陆基垂直回收技术验证;2015 年 12 月和 2016 年 4 月，分别完成了商业运载火箭一子级陆基垂直回收和海基垂直回收;2017 年 3 月，完成了回收一子级运载火箭的二次商业运载发射。SpaceX 公司表示，猎鹰 9 号火箭可能被重复使用 10～20 次，稍加翻新有望能支持百次发射任务，为未来廉价和快速进入空间开辟了一条新的技术途径。

　　相对航天飞机的轨道飞行器，猎鹰 9 号运载火箭一子级的飞行速度小(马赫数 6 左右)、高度低(60 km 左右)，其飞行环境比轨道器再入的热流密度低得多，同时一子级运载火箭采用垂直着陆方式，使回收过程中的热流密度进一步降低，因此以较低成本实现了一级发动机、箭体及其它设备的重复使用。

　　依据美国空军工程大学的运载工具成本分析模型，可重复使用运载器(RLV)每次发射任务都会分摊部分制造成本，单位质量有效载荷发射成本随着发射次数的增多而逐渐下降，但随着重复使用次数的增加，燃料和维护费用占比将不断增加，因此，当重复使用次数达到一定的数量之后，重复使用运载火箭的航天发射成本将趋于平稳。

　　以猎鹰 9 号运载火箭为例，对重复使用运载火箭的运载成本进行了估算，其中一子级火箭为重复使用，二子级火箭为一次性使用。估算同时考虑了运载火箭的制造成本、重复使用维护成本和每次发射的燃料/氧化剂成本，运载火箭的研发成本未考虑在内。从计算结果可以看出，随着重复使用次数增加，运载成本逐渐降低，并趋于平缓，重复使用 18 次后，运载成本接近一次性使用运载火箭成本的三分之一。

　　2 空天飞行器

　　一次性使用运载火箭、航天飞机和可重复使用运载火箭难以进一步大幅度降低成本的主要原因是

　　火箭发动机比冲较低，所以不得不采用多级运载方式入轨，该运载方式增加了火箭发动机、箭体数量和分离等，导致成本难以大幅度降低;同时传统运载器的火箭发动机动力形式不得不携带大量氧化剂，致使推进剂质量占比相当高(如运载火箭推进剂占比高达 90%以上)。计算表明，即使一级火箭全部重复使用，重复使用发射百次时，氧化剂和燃料费用将占发射费用的 40%以上，而一级运载火箭费用占全部运载火箭费用的 70%以上。上述分析表明，进一步大规模降低发射费用的技术方向之一是采用新型动力，尽可能利用空气中的氧气工作，大幅度降低氧化剂携带量。

　　空天飞行器是采用吸气式组合动力、升力式构型，能在普通机场水平起降，可在稠密大气、临近空间、轨道空间飞行的重复使用航天运输系统。由于空天飞行器既可充分利用大气层中的氧气，大幅降低氧化剂的携带量，从而大幅度降低发射质量和规模，同时又采用升力体构型，利用升力克服重力，只需较小推力即可实现不断加速。因而有望实现完全重复使用，大幅降低发射成本。

　　为此，国外自 20 世纪 60 年代以来，以水平起降重复使用空天飞行器为目标，持续开展了吸气式组合动力推进天地往返运输系统关键技术攻关及验证工作，并实施了多个国家层面的研究计划，如美国的国家空天飞机计划(NASP)[3]、英国的云霄塔(Skylon)、德国的桑格尔(Sänger)等。

　　2.1 美国

　　1986 年，美国空军和美国宇航局联合启动了 NASP 计划，在世界范围内掀起了空天飞行器研究的高潮。NASP 计划的目标是开发一种可完全重复使用、研制成本比航天飞机低一个量级、可水平起降的试验性 X-30 单级入轨飞行器。NASP 计划借助数值计算和风洞试验，研究了 X-30 单级入轨飞行器结构、吸气式推进系统、机身/发动机一体化、控制与稳定性、外形气动特性等技术问题，并开展了双模态超燃冲压发动机设计和地面试验，NASP 计划完成了 1 500 次发动机模型试验，其中在小尺寸、大尺寸超燃冲压发动机上分别进行了马赫数 18 和马赫数 8 地面试验。1995 年耗资数百亿美元、历时 10 年之久的 NASP 计划由于技术难度过大、技术不成熟被迫停止。

　　在 NASP 计划之后，美国在总结正反两方面经验的基础上相继启动了 HyTech 计划[4-5]、Hyper-X 试验计划[6]，其目的是研究用于高超声速飞行或可重复使用空天飞行器以及之相关的关键技术演示验证。2001 年，美国发布国家航空航天倡议(NAI)，统筹协调发展高超声速技术、进入空间和空间技术三大方向，制定了“以一次性使用高超声速飞行器为技术突破口，终极目标是发展空天往返飞行器”的发展路线[7]。此外，美国还与英国反应发动机公司就佩刀发动机达成合作共识，并在 2016 年公布了基于佩刀发动机的两级入轨空天飞行器，预计将于 2030 年左右具备可实现性[8]。

　　2.2 英国

　　1985 年，英国宇航公司和罗罗公司共同提出了水平起降的单级入轨可重复使用运输器霍托尔空天飞机(Hotol)。霍托尔空天飞机从地面 3 500 m 长的跑道上水平起飞，以吸气式发动机推进到马赫数 5，然后转为火箭发动机推进。霍托尔项目的目标是把单位有效载荷的费用至少降低 80%。原计划2000 年投入使用，但由于单级入轨的技术难度和资金短缺问题，项目于 1992 年下马。2003 年，英国在霍托尔项目研究成果的基础上启动了单级入轨空天飞行器 Skylon 研究方案[9]。Skylon 空天飞机由反应发动机公司的佩刀组合发动机推进，能够像常规飞机一样在跑道上起降，具有费用低、全部可重复使用等优点。Skylon 飞行器可在返场 48 h 后再次起飞，重复使用周期短。据分析研究，通过重复使用 Skylon 空天飞行器的运载成本为一次性使用传统运载火箭的 1/10。目前该项目由英国反应发动机公司(REL)主导，联合欧洲其他研究机构共同开发，并得到了英国政府和欧洲航天局的经费支持。2019 年 10 月，佩刀发动机全尺寸预冷却器样机完成马赫数 3.3、马赫数 5 条件下的地面高温考核试验，成功地在 0.05 s 内将高达 1 000℃的高温气流冷却到 100℃。2020 年启动技术飞行演示验证平台方案研究。

　　2.3 德国

　　单级入轨空天飞行器结构质量占比与推进剂质量占比之间的矛盾异常尖锐，是制约组合动力推进水平起降重复使用单级入轨空天飞行器研制的重要技术瓶颈。为了绕过单级入轨空天飞行器的技术难点，德国于 1987 年基于桑格尔两级入轨空天飞行器启动了德国高超声速技术计划(German Hypersonic Technology Programme)[10]。桑格尔空天飞行器一子级为高超声速运输载机，采用大后掠三角翼、翼身融合气动布局形式，涡轮/冲压组合发动机推进，在高度 31km、马赫数 6.8 左右实现一、二级分离，一子级载机使用寿命为 100 次;二子级是轨道飞行器，采用三角翼布局形式，火箭发动机推进，可载人或运物，载人型使用寿命为 50 次，货运型为一次性使用。

　　2.4 运载成本分析

　　尽管空天飞行器单架次制造成本较高，随着重复使用次数的增加，空天飞行器运载成本逐渐降低。当重复使用 10 次后，空天飞行器运载成本与一次性使用运载火箭相当;当重复使用 40 次后，约为一次性使用运载火箭成本的 30%;当重复使用 100 次后，约为一次性使用运载火箭成本的 16%。

　　3 空天飞行器面临的技术问题

　　空天飞行器具有低成本、高可靠性的技术特征，能够满足未来廉价、自由进出空间的发展需求，发展潜力巨大，但其研制也面临巨大的技术挑战。空天飞行器大空域(稠密大气层、稀薄大气空间和外层空间)、宽速域(马赫数 0～25)的飞行环境，使其飞行任务剖面(水平起飞、高超声速飞行、加速入轨、离轨再入、返场着陆)十分复杂，具有宽域高速、高气动加热的特征，严酷复杂的应用环境也使空天飞行器面临诸多基础科学问题。

　　3.1 宽域高超声速流动与燃烧问题

　　随着飞行速度的增加，粘性系数增加(例如马赫数 12 时的粘性系数可达马赫数 6 的 2 倍)，导致附面层增厚。在高超声速飞行时粘性效应将增强到足以支配整个内流场，传统的边界层分析方法和控制理论已不在适用;高超声速飞行时气流总温约达到 5 000℃(马赫数 6 为 1 380℃)，热化学非平衡效应使空气振动温度与平动温度偏离达 50%，传统的超燃冲压发动机化学反应速率计算模型也不再适用。在高超声速流动中分子平/转动温度与振动温度显著偏离、高温气流离解电离与燃烧反应动力学耦合现象均需要在流动机理和化学反应机理上的新突破，才能解决高温条件下边界层转转捩流动、化学非平衡流动、超声速高效稳定燃烧等问题。

　　3.2 真实气体效应问题

　　当飞行马赫数大于 8 时将出现高温气体效应，此时出现的气流离解电离、化学非平衡效应、表面催化现象使气动力/热性能与理想气体模型预测模型产生较大差异，高温气体效应及化学非平衡流动将影响气动力/热性能的精准预测;同时在稀薄大气空间，常规气动性能预测的连续流假设将不再适用，因此需要研究针对高温气体效应的反应机理和针对稀薄气体效应的流动机理。

　　3.3 多种热力循环模态转换与匹配问题空天飞行需要历经低、亚、跨、超和高超声速飞行阶段，而冲压发动机无法零速起动，需要与其他发动机组合才能实现空天飞行器的全域飞行。宽域工作的组合发动机性能高度耦合且相互干扰，单一几何不可调流道难以满足以冲压发动机为基础的组合发动机全域高性能需求，因此，需要对进气道和尾喷管进行流道调节。空天飞行器的飞行马赫数越宽，发动机流道调节范围越大，组合发动机设计难度也越大。同时为实现飞行器总体性能的提升和发动机的高效稳定燃烧，需要研究宽域工作组合发动机的应用优化策略、解决不同模态转换与匹配问题，上述问题又与宽域流道调节问题高度耦合，因此设计和实现的难度更大，为此有必要针对不同组合动力形式开展组合循环优化、模态转换失稳控制机理、多流道变构型设计的研究。

　　3.4 超高温作用下材料/结构热防护与失效问题

　　高超声速飞行时间长、机体结构温度最高达 3 000℃以上、噪声振动等交变载荷量级大，结构蠕变-热机械疲劳问题突出，严重影响热结构完整性及重复使用能力。现有的结构/热防护材料在如此高温条件下易被氧化，甚至出现烧蚀现象。因此需要开展针对材料超高温抗氧化机理、材料性能演化规律、结构失效模式、耐高温轻量化结构设计技术、高效主动与被动热防护技术、高效热疏导技术的研究。

　　3.5 宽域高动态强耦合飞行控制问题

　　高超声速飞行过程中有高温气体效应、稀薄气体效应、边界层流动转捩等特有过程，动力学耦合关系复杂;高超声速再入飞行走廊对重复使用升力体式空天飞行器气动外形设计、机体结构/热防护设计、轨迹/制导/姿态一体化设计影响较大;飞行末端的能量管理技术对飞行器的减速控制技术也提出了较高的要求。因此开展空天飞行器高动态强耦合机体/推进/结构/热/控制一体化建模理论研究，重塑飞行器飞行动力学与控制设计方法体系，支撑高超声速飞行器宽域、高效机动飞行具有十分重要的意义。

　　4 结束语

　　大幅度降低航天发射费用，实现廉价、快速、便捷、自由进出空间，是人类航天事业永恒的追求。当前高超声速技术及空天飞行器的竞争日趋白热化，强国均在不予余力争先恐后地开展关键技术攻关。针对未来航天运载“井喷式”发展需求，本文通过航天运载方式及其技术发展路线分析，可以得出以下结论：

　　(1)为降低航天运载发射成本，航天运载器正从一次性使用向部分重复使用、部分重复使用向着完全重复使用方向发展。

　　(2)水平起降空天飞行器可利用大气层中的氧气，大幅度降低起飞规模，可实现飞行器的完全重复使用，从而大幅降低航天运载发射成本，是未来廉价、自由进出空间的理想运载工具之一，具有极大的发展潜力。随着近年来吸气式高超声速技术的突破，重复使用空天飞行器的发展前景日益明朗。

　　(3)水平起降重复使用空天飞行器仍面临重大的技术挑战，需要加大投入，集智攻关，以推动人类自由进出太空时代的早日到来。