中國版太空梭要來了?美國的前車之鑑,中國吸取了哪些經驗?

科技     2021年09月28日

說到太空梭,大家首先想到的就是美國的「哥倫比亞號」「亞特蘭蒂斯號」「挑戰者號」和「奮進號」這4架太空梭。太空梭,一度成為美國航天的象徵。

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然而,美國的太空梭,在將美國航天事業推向頂峰的時候,也把美國的航天災難推到了頂峰。1986年1月,「挑戰者號」太空梭,在進行第十次太空任務時,發射後73秒爆炸,七名太空人罹難。2003年2月,「哥倫比亞號」太空梭,在進行第28次太空任務,返回地面過程中,在德克薩斯州上空解體爆炸,7名太空人也全部罹難。

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挑戰者號太空梭爆炸

美國方面的調查結論是,太空梭隔熱瓦O形環等零件損壞,分別釀成了這兩次慘劇。但隨後美國太空梭的全部退役,後續太空梭計劃的全面擱置,不得不令我們懷疑,美國太空梭的設計,是否本身就有系統上的問題,而不僅僅是「零件損壞」那麼簡單。

2011年7月8日,美國的「亞特蘭蒂斯」號太空梭進行了最後一次飛行,隨後所有的太空梭完全退役。十年後的今天,中國爆出了屬於自己的太空梭設計方案,「太空梭」的接力棒,可能很快就要交到中國手中。

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中國版空天母機和背負的太空梭方案

騰雲工程和空天母機

2017年的時候,中國航天科工集團就展示了「騰雲工程」的計劃。騰雲工程的意思,是研發一種水平起飛、水平降落,並且可以重複利用的航天飛行器,也就是能「飛上太空」的超級飛機。

為什麼要研發這種「水平起降」的「太空梭」呢?原因很簡單,就是美國那種「用巨型火箭發射太空梭」的方式,危險性太高了。

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為了將龐大的太空梭送上太空,美國人只好弄了一個巨大的燃料箱,在燃料箱的兩側捆綁上兩個助推火箭,然後把太空梭固定在燃料箱上,四個龐然大物一起垂直發射上去。

但是,無論是兩個正常的助推火箭,還是燃料箱和太空梭本身,都攜帶了大量的燃料。萬一有一個出現了問題,捆在一起的「四兄弟」很容易一起爆炸了。結果就是「機毀人亡」,一個都逃不掉。

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而我國的騰雲工程,從一開始就避免了這種垂直發射的危險。中國的方式是製造一架「空天母機」,相當於給普通的噴氣式大飛機,裝上火箭發動機。這種空天母機,可以先啟動噴氣式發動機,跟普通飛機一樣,在機場的跑道上滑行起飛。飛到空氣較為稀薄的數萬米高空後,再開啟火箭發動機,噴火推進,繼續飛到10萬米甚至更高的高度。

中國版的太空梭

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中國太空梭參考圖

而我們的太空梭,一開始是固定在空天母機的「背上」的,並不需要自己的力量去飛行。等到空天母機飛到了極高的高度,幾乎貼近衛星軌道的時候,太空梭才開始點火發射,從空天母機的背上分離出來,然後輕鬆地進入環繞地球的軌道。完成任務的空天母機,此時再降低高度,飛回地面,像普通飛機一樣在跑道上減速降落。

也就是說,中國版太空梭的方案,就像是一隻「大鳥」背負著「小鳥」飛,儘量讓太空梭這個「小鳥」更省力一些。這樣,太空梭本身就節省了燃料,可以「造得更大」,裝上更多東西。

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背負式太空梭示意圖,比例大小僅供參考

最關鍵是,太空梭這隻「小鳥」,和空天母機這隻「大鳥」,是可以隨時分離的。一旦空天母機出現了意外情況,無法再繼續升高,運送太空梭的時候,太空梭就可以提前分離出來,然後取消原定計劃,直接降落到地面的跑道上。

反過來也一樣。假如太空梭出現了問題,空天母機也可以取消發射計劃,提前降落,把有問題的太空梭再「完好無損」地背回來。這樣,至少地面人員還有「檢修恢復」的機會,修好了以後再次發射,而不是像一般的火箭那樣,一旦出事,很容易直接爆炸,啥都沒法挽救了。

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空天母機與太空梭太空分離

所以,中國版的太空梭,安全性可以大大提高。另外,中國也完全可以縮短太空梭的發射周期。

因為,無論是空天母機,還是太空梭本身,應該都是可以直接在飛機跑道上起降的。這樣,中國就可以在普通的民航機場上發射,而不用像美國那樣,費盡力氣把火箭和太空梭運到發射場才行。這樣一來,太空梭的發射周期就可以大大縮短。

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騰雲工程空天母機

如果空天母機性能比較穩定,我們完全可以在一架太空梭發射完成,空天母機剛降落回來的時候,馬上進行加油和簡單的檢修,然後再次背負著第二架太空梭起飛,再次發射上天。這種「幾乎不用等」的發射頻率,美國那種「用火箭和巨大燃料箱捆綁太空梭」的發射方式,是遠遠比不上的。

中國版太空梭要來了?美國的前車之鑑,中國吸取了哪些經驗?

美國太空梭結構複雜,耗費工時

而我們的空天母機和太空梭,只要進行簡單的一次吊裝和一次加油就可以了。發射前的檢查程序,也比美國的更加簡單和迅速。

天地往返的「太空航班」

美國的太空梭,雖然也是「可重複利用的」,但他的助推火箭等其他部分,卻不能進行簡單的重複利用。每一次發射太空梭,本質上來說還是一次發射運載火箭的過程,根本快不了多少。

幾十年來,美國的四架,太空梭一共發射了135次。這實際還是大國發射運載火箭的速度。

中國版太空梭要來了?美國的前車之鑑,中國吸取了哪些經驗?

美國的太空梭本質還是火箭發射

而中國版太空梭的「可重複利用」,已經是「質的變化」。因為我們的空天飛機,本質上是當一架特殊的「民航客機」來利用的。只要沒有特殊故障等干擾,空天母機完全可以像普通的航班一樣,每周一次甚至每天一次太空之旅。

如果能夠同時製造兩架以上的空天母機,四架以上的太空梭,我們就可以用一架專門供應天宮號空間站,用另一架供應「載人登月」工程。四架太空梭進行「常態化」太空飛行的話,其運輸能力是非常可觀的。

中國版太空梭要來了?美國的前車之鑑,中國吸取了哪些經驗?

中國太空梭航展模型

再者,太空梭一開始都是無人的,以貨運運輸為主。等到技術成熟之後,再進行載人航天的改造。那麼,在進行最初的技術驗證後,中國版的太空梭就可以開展持續性的「載人航天」的飛行活動。

中國版太空梭要來了?美國的前車之鑑,中國吸取了哪些經驗?

太空梭對接空間站

按照美國太空梭,每次運載7名太空人的標準,中國的四架太空梭多飛幾次,就可以運輸100人次以上的航天員。到時候,航天員技術的成熟,很有可能讓普通民眾經過相對簡單的培訓,就可以乘坐太空梭進入太空,實現「宇宙飛行」的夙願。

太空梭,是中國航天史上極其重要的轉折點。它不僅可以讓我們擁有「重複利用」的太空飛行器,還很有可能完成「從軍到民」的轉換,讓載人航天,成為普通人就可以完成的「簡單小目標」。

中國版太空梭要來了?美國的前車之鑑,中國吸取了哪些經驗?

平民太空梭自由上天才是最終目的

這才是中國航天辛勤耕耘幾十年,該有的碩果。