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科技公司距离太空梦还有多远

2023-06-01 15:12:27
来源：互联网那些事

“人类的征途是星辰大海，而不是龟缩在元宇宙里。”但当下的太空探索距离真正意义上的征途还存在一个前提，

“人类的征途是星辰大海，而不是龟缩在元宇宙里。”

但当下的太空探索距离真正意义上的征途还存在一个前提，那就是火箭高效的运载效率和可重复使用技术的发展。

(相关资料图)

当然，人们在可重复使用技术领域并非一无所成，其中“猎鹰”9就是目前可重复使用技术的典型案例。

众所周知，“猎鹰”9是SpaceX公司的主力型运载火箭，其颠覆式的一子级和整流罩回收在全球引领了运载火箭研制模式的改变。截止到目前，“猎鹰”9已完成180多次发射，复用火箭发射也已超过10次。

‍事实上，可重复使用运载器的回收目标以及形式也存在着一定的区别。

目前航天运载技术回收目标有两种：一种是整个舱段的回收，如太空探索技术(SpaceX)公司火箭助推级回收；另一种是关键部件的回收，如联合发射联盟公司回收一级发动机的方案。

其中回收方式包括垂直返回、带翼飞回、空中捕获、伞降回收等。

如果就回收运载器而言，可重复使用运载器在降低发射成本方面具有一定积极作用，而运载器的核心部分则是在发动机上。

目前，以液氧甲烷为推进剂的火箭发动机，具有高比冲、低成本、低积碳、冷却不结焦、可重复使用等特点。也是当下SpaceX“星舰”所使用的甲烷发动机。

不过，当下所追求的重复使用不仅仅是运载器，还包括送入轨道的航天器。

距离完全复用还有多久？

随着科技的发展，太空探索从收集科学数据发展到人类迫切需要调查和发现新的太空资源。

同样的，随着众多经典科幻作品的出现，以及太空探索的商业化，将会进一步激发人们对于太空探索的幻想和热情，甚至越来越多的人也产生了进入太空探索的想法。

总部位于德克萨斯州休斯顿的私人太空基础设施开发商Axiom Space公司，目标是在2024年之前建造并运营世界上*个商业空间站。

时间再往前一些，2015年世界上*个发射商用微型卫星的公司Spire，他们涉及的的业务同样刚好属于私人太空公司。

所谓的微型卫星，质量往往不超过几千克。他们的制造成本可以降低好几万美元，这使得他们比目前的大卫星便宜成千上万倍，但相对于商业空间站而言，也仅仅是个较小的起点。

更大的进步是2022年，埃隆·马斯克的SpaceX用“猎鹰9 号”可复用火箭发射“龙2”载人飞船，代表公理太空（Axiom Space, Inc）运营的国际空间站人员运输任务，成功运送伊尔坦·施蒂比、拉里·康纳、马克·帕西、迈克尔·洛佩斯·阿莱格里亚四人到国际空间站。

以此来看，太空飞船技术的发展历程可谓是十分辉煌，但距离真正意义上的太空探索还一大段路要走。

众所周知的是，太空探索的基本需求是运载器和航空器的可复用性，虽然目前已经有一部分私人太空探索技术公司已经实现运载器可复用，但该技术目前在太空探索领域尚未达到完全普及的程度。

其主要原因在于航天运载器最复杂的发动器上。根据燃料的不同，发动机通常分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和吸气式火箭发动机。

排除不便于多次启动和重复使用的固体火箭发动机外，私人太空探索技术公司只为围绕着液体火箭发动机和吸气式火箭发动机做研发。

虽然相对于液体发动机，吸气式发动机可以提高在大气层内的飞行效率，大大减少氧化剂的消耗（普通火箭携带氧化剂的重量可以占到整体重量的三分之二），因为吸气式发动机仅自带燃料，以空气作为氧化剂，可以做到极低的成本，也更符合环保的理念。

但介于吸气式组合发动机需要用涡轮发动机、冲压发动机与火箭形成组合动力，这项技术难度极大。目前使用最多的主要动力装置就是液体发动机中的液氧煤油发动机，极小部分则是液氧甲烷发动机。

原因在于，虽然液体发动机研制周期长，但其具有功能全、性能高、任务适应强等特点。

更关键的是，即便在液体发动机中液氧甲烷发动机更胜一筹，同时成本相对液氧煤油发动机更低，但这仍然是大多私人太空探索技术公司尚未突破的关键技术之一。

就连SpaceX在“猎鹰9号”上使用的也仅仅是液氧煤油发动机。而目前尚未发射成功的“星舰”使用的则是更低价、提纯度高、可重复实用性高的大推力液氧甲烷发动机。

也可以进一步理解，SpaceX能否能够完全从液氧煤油发动机到液氧甲烷发动机的转变，还需要静待“星舰”的成功与否。

但有一说一，在运载器回收形式上，仅仅实现一级回收的“猎鹰9号”已经实现通过垂直降落于海上平台或陆地回收区域。

因为同样基于成本，回收形式的不断升级迭代也能够从一定程度上节省发射场成本。

换个角度，这同样也就意味着可重复使用航天器的*目标，不仅能水平降落，还能像飞机一样水平起飞，并可单级入轨，可以省去投资不菲的固定发射场。

在某种程度上，也因为独立性强（对地面依赖少）、灵活性大，是最接近航空运输的方式。

从目前“龙-2飞船”所采用的经典降落伞和大洋溅落并打捞的着陆方案来看，这也是目前除了需要完全实现运载器整体可重复使用之外，还要需要考虑到航空器降落突破极其安全性问题。

航空器复用的技术难题

目前市场上很现实的问题是，人们在关注讨论载人太空探索的大型航舰的成本问题之时，众多私人太空探索技术公司不仅在思考如何解决航天器“可重复使用”的问题，也一再证明航天器的安全性。

举个例子，“龙-2飞船”实际上早已在2015年就进行了成功的逃逸测试，但为了安全起见不断在进行测试，在连续7次发射不得出任何问题后，还进行了发射前的静态点火试验，最后完成了空间站人员运送任务。

这是人类历史首次私营载人航天发射，某种程度上可以说，这是人类征服太空进程中意义非凡的一大步。

不过这也远不能宣告人们已经完全实现“太空探索”，因为目前真正实现航天器可重复使用的私人太空探索技术公司仍然处于少数。更何况，哪怕是“猎鹰9”在经过大修保养下也仅仅是做到连续10次左右的回收，所以新一代航天器在可复用技术迭代上仍然存在要求。

也可以说是，目前还需要对当下“太空探索”航天器的重复使用技术性做考量。

从整个回收过程看，运载器与航空器在返回过程涉及到总体、弹道、气动、控制、载荷、防热、结构等多个专业，各专业之间耦合强、相互约束，设计约束更严格。

但由于整个回收过程涉及问题太多，下文仅罗列大多数私人太空探索技术公司现存的，关于整流罩回收以及发动机回收层面的技术难题。

首先，对于回收过程中的防热，和航天器共同位于火箭顶部的整流罩，因要求质量低、强度大、信号通透性强等要求而价格不菲。

但基于质量低的问题，要实现回收是很难达到的。

其次，在发动机回收层面，据了解发动机返回时多次起动需克服失重、超重、高动压等复杂飞行环境带来的各种内、外部干扰，发动机多次起动及推力精确调节技术研究是实现火箭回收的基础。

运载能力由发动机*推力保证，为确保火箭平稳返回及着陆，需降低发动机推力。解决措施是采用发动机多机并联技术，起飞时全部发动机额定工况工作，返回时关闭部分发动机。

在有限的箭体空间内进行多机并联，涉及箭体、结构、机构运动、热防护等多个专业协同设计，还需全面考虑着陆冲击、防火、返回后维护、检修等全寿命周期涉及的技术问题。

多机并联总体布局优化可提高发动机推质比，有利于重复使用运载能力提高，降低维护、检修时间和费用。

而目前只有极少数私人太空探索技术公司实现可靠回收，例如采用了面关机针栓式喷注器技术的“猎鹰”9。

虽然回过头来看，回收复用只是开了个头，但自20世纪60年代以来，太空飞船技术的发展历程都是实实在在的，更何况太空飞船已经成为人类探索和开展太空科学实验不可或缺的一部分。

至于太空探索计划是否具有可持续性的问题，一定是需要众多关键技术集体进步的。

我们需要做的就是时刻坚信太空探索必然会进步。毕竟，革新性的技术进步也可能在诞生之初毫不起眼，但真正的潜力与影响，则会在未来一个时段之内逐步兑现成真。

参考：

太空与网络：商业可重复使用火箭关键技术与创新

界面新闻：暂未拿下全球*，蓝箭航天液氧甲烷运载火箭发射失利

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[责任编辑：{haixiayule]

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