李志杰，果琳麗，張柏楠，戚發(fā)軔

（1.中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094；2.中國空間技術(shù)研究院，北京100094）

·工程技術(shù)·

可重復(fù)使用航天器任務(wù)應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)研究

李志杰1，果琳麗1，張柏楠1，戚發(fā)軔2

（1.中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094；2.中國空間技術(shù)研究院，北京100094）

針對作為降低航天任務(wù)成本重要手段的可重復(fù)使用航天器技術(shù)在未來的應(yīng)用需求，對可重復(fù)使用航天器概念進行了探討，給出了系統(tǒng)級可重復(fù)使用和部件級可重復(fù)使用航天器的定義。分析了可重復(fù)使用航天器在未來航天領(lǐng)域的應(yīng)用，包括近地軌道空間站任務(wù)和月球基地任務(wù)。對全壽命任務(wù)周期中航天器與可重復(fù)使用次數(shù)的關(guān)系進行了分析，結(jié)果表明可重復(fù)使用航天器在經(jīng)濟性上較一次性使用航天器有明顯優(yōu)勢，且可重復(fù)使用次數(shù)達到10次以上時，能夠?qū)⒊杀窘档阶畹?。最后對發(fā)展可重復(fù)使用航天器所需攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進行了梳理，為我國發(fā)展可重復(fù)使用航天器技術(shù)提供參考。

載人航天；可重復(fù)使用航天器；任務(wù)應(yīng)用；關(guān)鍵技術(shù)

1　引言

從加加林完成第一次載人航天飛行以來，經(jīng)過五十多年的發(fā)展，載人航天技術(shù)已經(jīng)取得了輝煌的成就［1］。目前可預(yù)見的載人航天任務(wù)主要包括近地軌道空間站任務(wù)和載人登月、月球基地以及火星基地等載人深空探測任務(wù)。隨著載人航天活動規(guī)模的擴大，人類在空間居住與生存的時間越來越長，承擔(dān)人員與貨物運輸?shù)暮教炱鞯陌l(fā)射頻次也越來越高。而高昂的成本是制約大規(guī)模載人航天任務(wù)發(fā)展的主要因素，尤其是隨著商業(yè)資本進入載人航天領(lǐng)域，航天器的低成本運營已成為未來載人航天可持續(xù)健康發(fā)展的必然要求［2］。從國內(nèi)外新一代可重復(fù)使用載人飛船技術(shù)的發(fā)展來看，發(fā)展可重復(fù)使用航天器技術(shù)是降低載人航天任務(wù)成本的主要手段之一［3-4］。

可重復(fù)使用航天器是指可以重復(fù)使用的、能夠迅速穿越大氣層，自由往返于地球表面與太空之間，運送乘員和有效載荷；也可以指較長時間在軌停留和機動、完成各種任務(wù)的航天器，包括載人飛船、貨運飛船、推進飛行器、行星著陸器、航天飛機等［5-6］。從可重復(fù)使用的程度進行劃分，又可以分為系統(tǒng)級可重復(fù)使用和部件級可重復(fù)使用航天器［2，7］。系統(tǒng)級可重復(fù)使用是指航天器的某一個或幾個系統(tǒng)或艙段在執(zhí)行完任務(wù)后，經(jīng)過檢測和簡易修復(fù)處理后可以完整地用于下一次任務(wù)［2］。國外新研制的載人飛船普遍采用系統(tǒng)級可重復(fù)使用設(shè)計，如SpaceX公司研制的“天龍座”載人飛船，由可重復(fù)使用的增壓返回艙和非密封貨物艙組成［8］。部件級可重復(fù)使用是指航天器上的部件或功能單元在執(zhí)行完任務(wù)后，經(jīng)可重復(fù)使用性評估，評估通過的部件可直接或通過簡易修復(fù)后在新的航天器上使用，在壽命期內(nèi)繼續(xù)承擔(dān)原有功能［2］。

本文研究可重復(fù)使用航天器的任務(wù)應(yīng)用，對可重復(fù)使用航天器應(yīng)用在近地軌道空間站和月球基地任務(wù)中的經(jīng)濟性進行分析，探討航天器全壽命周期內(nèi)的成本與可重復(fù)使用次數(shù)的關(guān)系，最后梳理發(fā)展可重復(fù)使用航天器所需攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，為我國可重復(fù)使用航天器的發(fā)展提供參考。

2　可重復(fù)使用航天器任務(wù)應(yīng)用分析

結(jié)合后續(xù)載人航天的主要任務(wù)領(lǐng)域，根據(jù)任務(wù)需求的不同，可重復(fù)使用航天器將主要應(yīng)用于近地軌道空間站任務(wù)和月球基地任務(wù)中。

2.1 近地軌道空間站任務(wù)

對于近地軌道空間站任務(wù)，載人航天活動規(guī)模將更大，需要頻繁地進行人員和物資的往返運輸。一次性使用的飛船無論從研制、發(fā)射和任務(wù)周期還是費用方面都無法滿足大規(guī)模載人航天活動的需求［9］。如圖1所示，通過載人飛船和貨運飛船的可重復(fù)使用，一次任務(wù)完成后，通過簡單的測試和維護，就可以快速投入下一次任務(wù)，如此不僅可以大幅縮短任務(wù)的準備時間，提高航天發(fā)射頻次，還可以大大降低單次任務(wù)的成本，從而適應(yīng)近地軌道空間站大規(guī)模載人航天任務(wù)的需求。

圖1　可重復(fù)使用飛船近地軌道空間站任務(wù)示意Fig.1 Diagram of LEO space station missions using reusable spacecraft

參考國際空間站的運營及補給任務(wù)規(guī)劃［10］，初步考慮在近地軌道空間站的運營及維護階段，貨運飛船每8個月補給一次，載人飛船每6個月補給一次。假設(shè)空間站的壽命周期為10年，那么載人飛船和貨運飛船共需要發(fā)射35次。

假設(shè)研制一種同時具備載人和貨運能力的飛船，有兩種技術(shù)途徑可供選擇：基于現(xiàn)有的傳統(tǒng)一次性使用飛船改進為部件級可重復(fù)使用飛船和新研制系統(tǒng)級可重復(fù)使用飛船。參考美國Space X公司“天龍座”飛船的研制成本和產(chǎn)品成本［11-12］，假設(shè)兩種情況下的飛船研制成本分別為60億元和80億元（單位均為人民幣，下同），產(chǎn)品成本分別為7億元和8億元，同時假設(shè)飛船每次回收后的重復(fù)使用成本為4億元和3億元。根據(jù)可重復(fù)使用航天器在全壽命周期內(nèi)的成本計算模型：全壽命周期成本=研制成本+產(chǎn)品成本×航天器數(shù)量+重復(fù)使用成本×（發(fā)射次數(shù)-航天器數(shù)量）［11］，計算空間站全壽命周期內(nèi)飛船成本與可重復(fù)使用次數(shù)的關(guān)系如圖2所示。其中，飛船數(shù)量為飛船發(fā)射次數(shù)除以飛船可重復(fù)使用次數(shù)。

圖2　空間站任務(wù)飛船成本與可重復(fù)使用次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between spacecraft cost and number use of reusable spacecraft in space station mission

從圖2中可以看出，與飛船的一次性使用相比（飛船可重復(fù)使用次數(shù)=1），飛船的可重復(fù)使用能夠很好地降低空間站任務(wù)周期內(nèi)飛船的成本，且重復(fù)使用次數(shù)越多，成本越低。當(dāng)飛船的可重復(fù)使用次數(shù)達10次以上時，能夠使成本趨于最低，這解釋了國外可重復(fù)使用飛船的重復(fù)使用次數(shù)指標均取10次的原因［4，13］。在可重復(fù)使用次數(shù)達到5次以上時，新研飛船的成本較改進飛船的成本較低，這是因為基于傳統(tǒng)一次性使用飛船改進的可重復(fù)使用飛船很難實現(xiàn)系統(tǒng)級可重復(fù)使用，因此每次回收后具有高昂的維修維護和部件更換的費用，這項費用將會隨著重復(fù)使用次數(shù)的增多而凸顯；而新研的可重復(fù)使用飛船定位在系統(tǒng)級重復(fù)使用，每次回收后只需檢測和簡易修復(fù)處理后即可用于下一次任務(wù)當(dāng)中。

2.2 月球基地任務(wù)

對于世界各航天大國，載人登月之后的下一個任務(wù)很可能就是在月球表面建立載人月球基地，利用載人月球基地開展載人深空探測相關(guān)技術(shù)驗證，并開發(fā)利用月球資源等任務(wù)，將月球基地建設(shè)成載人深空探測補給站、生產(chǎn)地和發(fā)射場［14］。實現(xiàn)這些目標需要一個長期的過程，在此過程中需要頻繁的、持續(xù)不斷地向月球提供人員和物資的往返運輸，如此高頻度、大數(shù)量的人員和物資運輸如果采用一次性使用的飛船，其對資源和資金的消耗將無法想象，因此必須發(fā)展低成本、高可靠、可重復(fù)使用的載人飛船以及月面著陸器用于載人月球基地的運營及維護任務(wù)，圖3所示為一種基于拉格朗日2點空間站平臺進行月球基地建設(shè)任務(wù)的設(shè)想，設(shè)想中采用了能夠重復(fù)使用的載人飛船和月面著陸器。

圖3　可重復(fù)使用航天器月球基地任務(wù)示意Fig.3 Diagram of Lunar base missions using reusable spacecraft

初步考慮月球基地的壽命周期為10年，貨運任務(wù)每4個月進行一次，載人任務(wù)每3個月進行一次［14］，假設(shè)著陸器同時具備載人和貨運的能力，那么一共需要執(zhí)行70次月面任務(wù)，飛船（參考前述近地軌道空間站可重復(fù)使用飛船）共需發(fā)射70次。參考美國“夢神號”可重復(fù)使用行星著陸器的發(fā)展［15］，假設(shè)可重復(fù)使用月面著陸器的研制成本為120億元，產(chǎn)品成本為20億元，同時假設(shè)月面著陸器每次執(zhí)行完月面任務(wù)返回L2點空間站進行維修維護的費用為5億元。根據(jù)可重復(fù)使用航天器在全壽命任務(wù)周期內(nèi)的成本計算模型，計算月球基地任務(wù)中可重復(fù)使用月面著陸器和飛船的成本與可重復(fù)使用次數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

圖4　月球基地任務(wù)航天器成本與可重復(fù)使用次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between spacecraft cost and number of use of reusable spacecraft in Lunar base mission

從圖4中可以看出，在月球基地任務(wù)中，將可重復(fù)使用航天器技術(shù)應(yīng)用于月面著陸器上同樣可以有效降低全壽命周期內(nèi)航天器的成本，在可重復(fù)使用次數(shù)達到10次以上時，成本能夠降到最低。

2.3 小結(jié)

從近地軌道空間站和月球基地任務(wù)中可重復(fù)使用航天器的成本分析中可以看出，與一次性使用航天器相比，可重復(fù)使用技術(shù)的應(yīng)用能夠大大降低航天器的成本。航天器的可重復(fù)使用次數(shù)指標達到10次以上時，航天器的成本基本維持不變，因此，未來應(yīng)當(dāng)重點發(fā)展可重復(fù)使用能力在10次以上的航天器，包括可重復(fù)使用的載人飛船、貨運飛船、載人月面著陸器、貨運月面著陸器及推進飛行器等。

3　可重復(fù)使用航天器關(guān)鍵技術(shù)分析

從美國、俄羅斯及歐洲各國重復(fù)使用航天器的發(fā)展和研制歷程中可以看出［2，4，7，13］，發(fā)展可重復(fù)使用航天器應(yīng)重點攻克總體設(shè)計與驗證技術(shù)，而可重復(fù)使用航天器的動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)及材料和著陸回收系統(tǒng)等共性關(guān)鍵技術(shù)直接決定著航天器可重復(fù)使用的性能，在借鑒現(xiàn)有航天器已有成熟技術(shù)的同時也應(yīng)當(dāng)進行重點攻關(guān)。

3.1 總體設(shè)計與驗證技術(shù)

可重復(fù)使用航天器的總體設(shè)計技術(shù)決定了航天器的先進性、研制難度和研發(fā)成本［2］。過高的指標要求和復(fù)雜的方案會增加技術(shù)難度及研發(fā)成本，造成方案更改大、繼承性差，從而帶來更多技術(shù)風(fēng)險。因此，需要建立可重復(fù)使用航天器的技術(shù)理論體系，從技術(shù)風(fēng)險、可靠性安全性、效益等方面對可重復(fù)使用航天器總體方案進行優(yōu)化和論證。通過對敏感因素產(chǎn)品進行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計以及典型代表設(shè)備（結(jié)構(gòu)、電氣、動力等）的試驗對技術(shù)指標進行驗證，提出整器的可重復(fù)使用次數(shù)等技術(shù)指標。主要研究內(nèi)容包括：

1）任務(wù)分析及任務(wù)規(guī)劃技術(shù)。通過用戶使用需求完成任務(wù)目標分析并對影響可重復(fù)使用航天器任務(wù)規(guī)劃的約束因素進行分析、識別。

2）氣動外形及總體布局設(shè)計技術(shù)。通過任務(wù)分析確定航天器的氣動性能指標，包括升阻比、阻力系數(shù)、最大需用容積等。通過對設(shè)備統(tǒng)一的安裝工藝、接口設(shè)計、地面維護的人機功效設(shè)計等方案的研究對艙內(nèi)設(shè)備布局進行設(shè)計。

3）健康監(jiān)測及故障診斷技術(shù)。通過可重復(fù)使用航天器綜合健康管理系統(tǒng)，在軌期間利用傳感器測量技術(shù)了解航天器各個分系統(tǒng)的健康狀態(tài)，包括故障檢測、故障診斷和故障控制等方面。

4）可重復(fù)使用試驗技術(shù)。通過環(huán)境試驗對敏感因素產(chǎn)品進行驗證，確保其滿足全壽命周期內(nèi)環(huán)境適應(yīng)性要求。

3.2 可重復(fù)使用動力技術(shù)

可重復(fù)使用航天器的發(fā)動機應(yīng)當(dāng)在滿足性能指標要求的同時，按照發(fā)動機的使用壽命、性能、可維護能力和返場準備時間等要求來進行設(shè)計，還要采用健康監(jiān)控技術(shù)對發(fā)動機進行在線或者離線的故障診斷。多年來，美國通過開展航天飛機的研制工作積累了大量的研制經(jīng)驗，也總結(jié)了許多可重復(fù)使用發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)方面的經(jīng)驗和教訓(xùn)，研制可重復(fù)使用發(fā)動機還應(yīng)當(dāng)重點突破減損與延壽控制等關(guān)鍵技術(shù)［16-17］，主要研究內(nèi)容包括：

1）減損與延壽控制技術(shù)。通過減少發(fā)動機系統(tǒng)中關(guān)鍵部件上的損傷來延長系統(tǒng)的工作壽命。

2）長壽命高效熱防護推力室技術(shù)。重點對發(fā)動機推力室的冷卻結(jié)構(gòu)和材料及傳熱試驗等方面開展研究。

3）高壓長壽命大范圍流量調(diào)節(jié)器技術(shù)。開展多方案仿真分析、靜態(tài)與動態(tài)試驗驗證，突破低溫高壓大范圍流量無級調(diào)節(jié)閥技術(shù)。

3.3 快速智能測試技術(shù)

快速智能測試技術(shù)決定了航天器的重復(fù)使用周期和測試質(zhì)量，是航天器實現(xiàn)可重復(fù)使用性能的關(guān)鍵?？芍貜?fù)使用航天器相對于已有的一次性使用航天器，其最大的優(yōu)勢在于重復(fù)使用過程中所節(jié)省的投入［18］，因此能否在目前航天器測試時間、人員成本大力投入的前提下實現(xiàn)測試快速化與智能化的突破，直接決定了可重復(fù)使用航天器的設(shè)計意義?？焖僦悄軠y試技術(shù)的突破，主要開展虛擬樣機測試評估與自動化測試，其中虛擬樣機測試評估主要針對可重復(fù)使用航天器研制測試的應(yīng)用，支持產(chǎn)品從需求分析、詳細設(shè)計、加工制造各環(huán)節(jié)的測試評估；自動化測試則針對研制測試、重復(fù)檢查測試的應(yīng)用，實現(xiàn)全過程測試的自動化。另外，可重復(fù)使用航天器的快速發(fā)射與智能測試技術(shù)還應(yīng)包括電氣設(shè)備的即插即用技術(shù)，從而實現(xiàn)可重復(fù)使用航天器的快速響應(yīng)和發(fā)射。

3.4 結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)

為提高航天器的可重復(fù)使用次數(shù)，需重點提高航天器結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力及返回部分的熱防護能力。目前飛船返回艙主結(jié)構(gòu)形式包括傳統(tǒng)的蒙皮加筋式結(jié)構(gòu)和整體壁板式結(jié)構(gòu)［19］。蒙皮加筋結(jié)構(gòu)由薄壁和加強筋組合而成，整體壁板式結(jié)構(gòu)也具有薄壁和加強筋特征，不同的是薄壁和加強筋由整塊材料經(jīng)銑削后成形。整體壁板式結(jié)構(gòu)承載效率高，抗超壓能力強，同時能夠大幅提高結(jié)構(gòu)整體性、密封性和可靠性。非燒蝕防熱材料主要包括防熱陶瓷瓦和合金瓦等，由于其防熱能力不足，主要在過載較小的升力體式返回艙上才進行使用［20］。另一方面，非燒蝕防熱材料的密度過大，使得熱防護系統(tǒng)質(zhì)量過重，且基本不具備可重復(fù)使用能力，因此在可重復(fù)使用新型飛船的防熱材料選擇上應(yīng)以輕質(zhì)微燒蝕材料為主。

3.5 無損著陸回收技術(shù)

回收著陸系統(tǒng)對航天器的可重復(fù)使用性能有重要影響。航天器在執(zhí)行地球返回任務(wù)時，回收著陸系統(tǒng)中的減速方式包括傳統(tǒng)的降落傘減速（單傘、群傘）和大推力火箭發(fā)動機反推減速，著陸緩沖方式包括緩沖氣囊和著陸腿等［21］。美國的“天龍座”和俄羅斯的“PPTS”可重復(fù)使用載人飛船目前均考慮使用大推力火箭發(fā)動機反推著陸的回收方式［22］。為實現(xiàn)載人航天器返回艙的可重復(fù)使用，無損著陸回收技術(shù)的主要研究內(nèi)容包括：

1）反推發(fā)動機減速技術(shù)。將固體發(fā)動機運用于回收減速，須重點考慮多臺發(fā)動機點火同步、推力一致性、推力矢量控制、環(huán)境適應(yīng)性等問題。

2）氣囊緩沖技術(shù)。緩沖氣囊著陸時，與地面有相當(dāng)大的反作用力和接觸面積，防反彈和防傾倒技術(shù)是緩沖氣囊設(shè)計過程中應(yīng)重點考慮的問題。

3）著陸腿緩沖技術(shù)。緩沖著陸腿具有承載質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點，特別適用于航天器軟著陸的緩沖系統(tǒng)。重點研究可重復(fù)使用緩沖器和抗疲勞及耐久性設(shè)計技術(shù)。

4　結(jié)語

通過可重復(fù)使用航天器在未來航天任務(wù)中的應(yīng)用分析可以看出，發(fā)展可重復(fù)使用航天器能夠有效降低航天任務(wù)成本，提高工程效益，是未來對空間深度開發(fā)和利用的必然發(fā)展趨勢。對航天器的成本與可重復(fù)使用次數(shù)關(guān)系的分析結(jié)果表明，航天器可重復(fù)使用次數(shù)達到10次以上時，能將成本降到最低。發(fā)展可重復(fù)使用航天器還應(yīng)當(dāng)重點突破一批共性關(guān)鍵技術(shù)，其中，總體設(shè)計與驗證技術(shù)以及動力技術(shù)的研究對可重復(fù)使用航天器總體方案及后續(xù)其它技術(shù)方案的確定有著很大的影響，應(yīng)盡早開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。快速智能測試技術(shù)、結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)及無損著陸回收技術(shù)也應(yīng)當(dāng)制定合理的研究計劃，以進一步針對可重復(fù)使用航天器深入開展研究。

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Study on Mission Application and Key Technologies of Reusable Spacecraft

LI Zhijie1，GUO Linli1，ZHANG Bainan1，QI Faren2
（1.Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Developing reusable spacecraft technologies is an important way to decrease the cost of manned space missions.This paper studied the concept of reusable manned spacecraft and defined the meaning of reuse in the system level and component level.The application of reusable manned spacecraft in the future manned space missions was analyzed including the LEO space station and manned lunar base.The cost-effectiveness ratio of reusable manned spacecraft and the cost of International Space Station by using reusable manned spacecraft were also discussed and the results showed that the reusable manned spacecraft had significant economic advantage over the one-time use manned spacecraft.The cost will decrease the most when the number of reuse is over 10 times.In the end，the key technologies for the development of reusable spacecraft was studied which may serve as a reference for the development of reusable spacecraft technologies in China.

manned space；reusable spacecraft；mission applications；key technology

V448.2

A

1674-5825（2016）05-0570-06

2015-06-30；

2016-08-29

載人航天預(yù)先研究項目（030101）

李志杰（1986-），男，博士，工程師，研究方向為載人航天器總體設(shè)計。E-mail：jesselzj@126.com