美国猎户座飞船

美国载人龙飞船

美国星际线飞船

载人飞船要想做到可重复使用，需要讨论两个方面的问题。

首先是飞船各种分系统能不能经受得住起飞和再入时的严重冲击，特别是结构分系统会不会因为反复飞行而存在“暗伤”。哪怕一点小小的裂纹，也会在撞击空气的那一瞬间酿成大祸。

第二个方面是飞船的热防护系统的设计。到底是使用每次飞行都更换的烧蚀材料呢，还是使用可以反复用而无需更换的隔热瓦呢？

当年的航天飞机就选择了后一种技术路线，其外表面布设的碳基复合材料隔热瓦在100多次飞行中都保持了正常使用。虽然哥伦比亚号航天飞机正是因为隔热瓦被砸出一个裂纹而失事，但这很大程度上不是隔热瓦的错，而是总体设计的问题——美国宇航局不该把航天飞机和外置燃料罐设计成平齐的构型，以至于顶部脱落的防热泡沫砖可以砸到机翼。如果航天飞机是顶在燃料罐上方，并且被整流罩保护起来的话，应该就不会出现这种问题。

航天飞机表面的隔热瓦

因为这项技术在原理上是没毛病的，所以美国空军在目前正在使用的X37B空天飞机上，也采用了和航天飞机一样的多次使用隔热瓦和防热设计。不过由于X37B空天飞机是一种无人飞行器，而且只需要从低轨道返回地球，所以运用这种防热设计的一大缺点是它每次返回都需要进行繁琐的检查、维护，并且还要更换损坏的隔热瓦。

既然这么麻烦，研究人员就开始考虑放弃可重复使用的隔热瓦。这就是猎户座飞船、鹰飞船和中国新一代飞船的热防护方案，而且这3种星际飞船返回大气层的速度更快、摩擦生热更剧烈，用碳基隔热瓦未必能承受住这么高的热冲击。就算人们能设计一种可重复使用的隔热瓦，制造、使用和维护成本恐怕也非常高，可靠性也没有经过验证。因此，这3种飞船都采用了一次性使用的烧蚀材料热防护罩。

不过大家也发现了，猎户座飞船多少还是继承了航天飞机的一些思想。比如它用970块瓦状的烧蚀材料构成了一个覆盖飞船外表面的热防护罩。这样的设计对制造有利（如果在发射准备过程中发现有部分破损，只要更换坏瓦即可，无需更换整个防热罩），但也带来了安装/拆卸过程繁琐、耗时长等问题。

鹰飞船的热防护系统细节尚未披露。中国新一代飞船则采用了新型材料。哈尔滨工业大学在官网上说：“新一代载人飞船试验船热防护系统首次采用我校与北京卫星制造厂有限公司联合研发的新型超轻质低烧蚀防隔热一体化复合材料技术方案，与传统AVCOAT材料相比，整体减重30%以上，防热效率大幅提升，有效载荷明显提高。热防护系统承受住了再入返回过程中最高2000摄氏度以上的高温烧蚀……”

新一代载人飞船返回舱的金属结构与防热结构分开

载人龙飞船的热防护系统就有点意思了。该飞船的热防护系统并不是SpaceX公司自己研制出来的，而是早年间，一家叫马丁·玛丽埃塔的公司研制的碳/酚醛烧蚀材料，曾用在星尘号小行星探测器上。美国宇航局阿姆斯中心倒贴了不少研制费，把这种技术送给了SpaceX公司。货运龙飞船的实际飞行证明，这种材料和整个防热方案的表现不错。

波音公司几乎很少讨论星际线飞船的防热设计问题，实际上对此感兴趣的人也不是很多。其中的理由很简单，星际线飞船几乎就是照着阿波罗飞船的外形研制的。而且阿波罗是星际飞船，作为低轨道飞船的星际线飞船的热防护需求肯定还是要比阿波罗飞船低得多，那么直接沿用阿波罗方案就足够了。

从上述5种飞船的情况来看，我们可以把它们分成星际飞船与低轨道飞船；也可以把它们分成“国家队”飞船和商业飞船。

先按上面所说的星际飞船与低轨道飞船来分类。

在这个门类当中，猎户座飞船、鹰飞船和中国新一代飞船要被归入星际飞船之列，而载人龙飞船和星际线飞船则无缘进入。那么，这两类飞船有什么区别呢？

美国猎户座载人飞船返回舱

大家都知道，宇宙飞行有第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。只要能够满足第一宇宙速度，飞船就可以把人类送进地球的低轨道，但是要想把航天员送到更高的轨道上，甚至是送到其他的星球，哪怕是仅仅送到月球而已，也要达到第二宇宙速度。

这就带来了两个问题。首先，离开地球引力场和地球电离层的保护之后，航天员所面临的宇宙辐射风险就更严重了。所以星际飞船必须为航天员提供更好的辐射防护，要比我们所熟悉的联盟飞船和神舟飞船更强。

另外，从外星球返回地球的时候，根据能量守恒原则，它还是会以第二宇宙速度接触地球大气层，这就意味着其要面临更剧烈的气动加热。虽然第二宇宙速度在数值上只比第一宇宙速度多了3.3公里/秒，但是能量和速度的平方成正比，这也就意味着，如果考虑各质量相同的物体，当它以第二宇宙速度再入时，能量要比以第一宇宙速度再入多了1倍。这就要求星际飞船的热防护能力要比低轨道飞船强得多。

上面提到对于星际飞船的要求带来了很高的研制难度，这也就决定了第二种分类的情况和第一种分类完全一样。导致两种分类完全重合的情况也很容易理解，星际飞船的研制难度大、投资高、周期长，没有国家支持是不可能研制出来的。私营公司即使得到国家的有限资助，也不可能承担如此之高的综合成本。事实上，私营公司能够把低轨道飞船造出来就很不容易了。

目前，美国的猎户座飞船已经进行了实验飞行和逃逸救生实验。载人龙飞船不但进行了成功的飞行，而且还在全世界面前演练了一次成功的逃逸救生。波音公司的星际线飞船首次飞行虽然惨遭失败，但毕竟暴露出了问题，而且飞船的大系统经受住了考验。中国的新一代飞船刚刚实施了一次成功的无人飞行。据悉，该飞船的主要分系统表现出色，还进行了3D打印等空间科学实验，载人飞行的前景是非常乐观的。

载人龙飞船逃逸试验

值得一提的是，此前，俄罗斯的鹰飞船为人们展示了一个具有较高可行性的方案，对此大家给予了高度的关注。可由于种种原因，鹰飞船距离成功发射应该还要有很长的一段路要走。

来源：中国航天报