北京日報客戶端 | 記者 汪丹
5月8日，我國發射的可重複使用試驗航天器在軌飛行276天後，成功返回預定着陸場。此次試驗的圓滿成功，標誌着我國可重複使用航天器技術研究取得重要突破，後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。
航天器可重複使用技術是航天領域的創新高地，也是建設航天強國的重要一步。雖然官方並未對外披露試驗細節，但此次成果無疑是我國航天事業的又一重大進展。今天我們請知名科普作者張田勘來為大家介紹一下什麼是可重複使用航天器，及其發展現狀和深遠意義。
（1）為何首先探索可回收火箭
可重複使用航天器指可以重複使用的、能夠迅速穿越大氣層，自由往返於地球表面與太空之間，運送乘員和有效載荷的航天器。它們可以是載人飛船、貨運飛船，可以是推進飛行器、行星着陸器，也可以是航天（空天）飛機、空間運載器等。
大家知道，任何航天器都需要運載火箭幫助其升空，或在返回時需要火箭的幫助。目前普遍採用的一次性火箭攜帶衛星或飛船升空時，會在飛行過程中拋下一些部件，如助推火箭、第一級火箭（箭體）、逃逸塔、整流罩、第二級火箭（箭體）、第三級火箭（箭體），這些部件統稱為殘骸，不能再使用。而如果能回收第一級火箭，甚至是第二級火箭，就可能實現重複使用。
火箭能順利返回地球軟着陸，並重複使用，對太空探索會產生重大影響，至少將大幅縮減太空探索、太空旅行的成本。其實，讓可回收火箭在陸地或海面平台上着陸的想法幾十年前就已有科學家提出，但在2014年前從未有過嘗試。美國的太空探索技術公司（SpaceX）是第一個進行這種試驗的探索者，曾兩次對「獵鷹9號」第一級火箭開展回收試驗。2014年4月19日3時25分，太空探索技術公司發射「獵鷹9號」運載火箭，幾分鐘後利用火箭助推將第一級火箭降落在大西洋里；另一次試驗也讓第一級火箭成功在海面垂直平穩落水。
太空探索技術公司第一級火箭回收的原理是，運載火箭發射升空不到3分鐘內，等第一級火箭關機並與上一級火箭分離後不久，直徑12英尺（約3.66米）的第一級火箭會重新點燃若干火箭發動機，用於減速制動；幾分鐘後，第一級火箭在距離水面不高的地方再次點燃一台發動機，使火箭以較慢的速度降落到大西洋中。
在火箭可以實現落入海中的回收方式後，太空探索技術公司設計了第一級火箭在陸地上回收的裝置，即第一級火箭配備4條由碳纖維和鋁蜂窩板製成的着陸支架。在第一級火箭下落的過程中，這個高25英尺（約7.62米）的支架向外伸出，以便保證其軟着陸。經過多次試驗，2015年12月，「獵鷹9號」的第一級火箭首次成功降落在陸地回收場上，實現了歷史突破。後在2016年4月，「獵鷹9-FT」又完成了在海上平台的火箭回收。
2017年3月，太空探索技術公司將一枚回收的一級火箭用於再次發射，這意味着，人類真正實現了火箭的回收和重複使用。而在此之前，全世界的運載火箭都是一次性航天工具。
（2）重複使用不僅節約還更安全
無論是研發和使用可回收火箭，還是航天器，其意義不只是降低成本，還有利於保障地面人員及財產的安全。火箭發射時被拋下的部件中，除了第三級火箭之外，其他部件會因為高度不足、無法完全燃燒而成為殘骸降落到地面或水面。
為此，火箭發射既需要精確的火箭彈道（彈道是根據衛星軌道理論、發射場坐標、火箭運載能力等進行精密設計的，以便把衛星送上適宜的軌道），也需要設計好箭下點（火箭飛行時在地面的投影點），箭下點經過的區域即殘骸墜落區，要盡量保證地面安全。過往經驗表明，儘管有精密的設計，且殘骸墜落區相對固定，仍然不能完全避免會有火箭殘骸落入民居損壞財物，甚至還會有傷人事件發生。例如在1997年1月，美國德爾塔2火箭的第一級火箭在空中解體後的殘骸墜落在俄克拉荷馬州，險些擊中有人居住的農舍。
可回收火箭還具有環保的意義。早在2004年6月22日，美國環保組織發佈的一項研究報告指出，由於美國不斷發射火箭，環境受到火箭燃料、導彈助推器燃料等物質的長期污染，大量有毒的高氯酸鹽殘存在土壤和水流中（高氯酸鹽常被用作火箭發射的燃料）。在美國環保組織抽查的32份加州牛奶樣品中，有31份都含有高氯酸鹽，且超過了安全標準。
為了避免這種風險，一方面可以通過使用不含高氯酸鹽的新燃料來解決，另一方面，如果能回收第一級甚至第二級火箭，就能盡量減輕對環境的影響。
當然，可回收火箭的成功最直接的益處就是，能大大降低太空探索的成本，讓人類更容易進入太空。英國金斯頓大學火箭實驗室主管亞當·貝克博士表示，在當前情況下，太空探索極其昂貴。如果能夠把火箭發射費用成功降低50%以上，更多的太空應用將會變得可能，更多的衛星和飛船可以進入太空，人們也可以利用太空資源向地面提供更多的服務，比如利用空間太陽能技術。另外，全世界會有更多宇航員有機會進入太空，可以飛往月球、火星等其他星球，或許在未來還能實現人類移民火星的夢想。
現在，太空探索技術公司給出了一個信號。今年4月20日，該公司的星艦（星際飛船）發射失敗，但這次失敗的發射完成了第100次一級火箭的回收。根據設計方案，星艦的一級和二級結構（第一級是火箭助推器Super Heavy，第二級是火箭上的星艦Starship）都可以回收重複使用，星艦的超重推進器可重複使用1000次、星艦可重複使用100次，同時一艘星艦單日最多發射3次，發射成本可以降低到200萬甚至100萬美元。如果這個目標能夠全部實現，相當於把每千克物品送上太空只需幾十美元，把每個人送上太空只要數千美元。
（3）有望實現普通人遨遊太空
可重複使用航天器如果研製成功並商用，就有可能讓普通人的太空旅行之夢變為現實。首先，可重複使用航天器的價格有望變得像民航班機那樣便宜，令多數人負擔得起；其次，離開地球去太空十分吸引人，哪怕只是短暫的幾個小時或者幾天時間。至於使用可重複使用航天器進行太空探索和研究，則具有更大的科學、經濟和社會價值。
當然，太空旅行需要良好的身體素質，現在已經有人做出榜樣，成為太空旅遊的先驅。2021年7月20日，維珍集團創始人理乍得·布蘭森，與另外5名人員（包括2名駕駛員和3名乘客）首次乘坐自家公司（維珍銀河）的太空船飛到太空邊緣（距地球表面83.6千米，即美國NASA等機構認定的地球與太空分界線），於北京時間23點44分左右安全返回地面，成為第一批太空游的旅客。這種形式的太空游似乎更容易實現人們遨遊太空的夢想。
前面提到，可重複使用航天器可由火箭或其他飛行器搭載升空到一定高度，再由航天器通過自身動力在太空飛行。按飛行高度來分，包括亞軌道飛行器（在高度上抵達臨近空間頂層，但速度尚不足以完成繞地球軌道運轉的飛行器）和軌道飛行器（比如穿梭機，由火箭助力升空後，再飛到太空，然後返回地面）。
維珍銀河公司研製的「太空船二號」屬於亞軌道飛行器，是由母機「白騎士二號」帶至1.4千米高空投放，隨後「太空船二號」啟動自身火箭發動機，飛升到距地面約86千米的高空。20世紀著名航天工程學家馮·卡門根據空氣動力學原理計算出離地面83.6千米以上才算是太空，但為了方便記憶和計算，建議把這一高度定為100千米，即卡門線。按此標準計算的話，布蘭森等人的太空游並非真正意義上的太空游。不過，美國宇航局的標準是只要超過83.6千米就算是進入太空，布蘭森的太空游被視為亞軌道太空旅遊，或太空邊緣游。
還有一種方式可以重複使用航天器：將運載器動力系統按火箭發動機來設計運作，起飛階段就像火箭發射一樣，但因初速度沒有達到第一宇宙速度，所以不能環繞地球飛行。運載器可爬升到距地球約100多千米的亞軌道上，停留約10分鐘後，再依靠慣性像飛機一樣返回地球，水平着陸。整個過程大約30分鐘，全程都按照預定程序，全自動飛行。目前，這種航天器也尚在試驗階段。
（4）探索和平利用太空的往返方式
最早的可重複使用航天器是穿梭機，技術相對成熟。它集火箭、衛星和飛機的技術特點於一身，能像火箭那樣垂直發射進入空間軌道，又能像衛星那樣在太空軌道飛行，還能像飛機那樣再入大氣層滑翔着陸，且其主要機械在返回地面後經過整修還可以繼續使用。
美國是最早研發可重複使用穿梭機的國家。1981年4月12日，美國的哥倫比亞號穿梭機成功首飛和返回。此後，美國航天局製造了挑戰者號、發現號、亞特蘭蒂斯號和奮進號4架穿梭機，加上哥倫比亞號共5架。不幸的是，挑戰者號和哥倫比亞號分別在1986年1月28日和2003年2月1日執行太空探索任務時發生爆炸，有14名宇航員喪生。
蘇聯在1986年研發了第一架暴風雪號穿梭機，並於1988年進行了無人自動首航試驗，取得成功。原本這款穿梭機決定在1993年進行第二次試飛，但最終未能成行。
隨着近年來太空探索的深入，安全係數低、發射成本高，且主要服務於近地軌道的穿梭機也暫告一段落。2011年7月21日，美國在亞特蘭蒂斯號執行最後一次任務後決定永久停止使用穿梭機。
如今，隨着美國X-37B軌道試驗飛行器的連續飛行試驗成功，其先進性能引起了世界各國的極大關注，甚至被視為新型穿梭機，即現在稱呼的「空天飛機」。空天飛機是航空穿梭機的簡稱，是既能航空又能航天的新型飛行器，有望把空間開發推向新的階段。現在世界上很多國家都在研究這種集飛行器、太空運載工具及航天器於一身的航天運輸系統，最重要的是它可以作為載人航天器重複使用。按照理念，空天飛機同時具有飛機發動機和火箭發動機，可以像飛機一樣從機場跑道起飛，以高超音速直接進入太空，返回地球時也可以像飛機一樣在機場跑道降落，成為自由地往返天地之間可重複使用的航天飛行器。
回顧整個航天史，高昂的航天發射成本是限制航天事業發展的主要因素之一，因此，科學家一直在向可重複使用航天器的目標邁進。
2020年9月4日，我國在酒泉衛星發射中心由長征二號F運載火箭發射一個可重複使用試驗航天器，在軌運行一段時間後成功返回預定着陸場；2022年8月5日，再次由長征二號F運載火箭發射一個可重複使用試驗航天器，並成功返回。今年5月8日，我國又一個可重複使用試驗航天器成功着陸，與之前不同的是，該航天器在軌飛行了276天，取得了重大突破。
當前，世界上主要航天大國和地區已擁有不同程度的重複使用技術儲備，形成了多種重複使用運載器方案。我國推動的空天運輸航天器項目，如文章開頭所說，意在為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。未來，我們將可實現亞軌道和地球軌道的太空旅遊，以及人與貨物的太空高效運輸。
（供圖：視覺中國）
