升力式火箭動力航班化航天運輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

蔡巧言，吳莉莉，孫 健

(中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

在政治多極化、經(jīng)濟全球化的大背景下，各國不斷拓展國家利益，太空領(lǐng)域開發(fā)利用的需求日益增長，對人類自由進出太空、開發(fā)和利用太空資源、尋求新的生存與發(fā)展空間[1]的航天運輸能力提出新的需求。包為民等[1]專家提出航班化航天運輸系統(tǒng)的發(fā)展設想，通過航天運載器自由進出空間、按需返回地面、多次重復使用，實現(xiàn)航班化航天運輸系統(tǒng)像飛機一樣的航班化運營，進而應用于大規(guī)模低成本進入空間、遠程投送與快速交通運輸?shù)龋纱蠓档桶l(fā)射成本,提高任務快速響應能力，更好地服務于人類未來的生存與發(fā)展。建設航班化航天運輸系統(tǒng)是建設航天強國的重要內(nèi)容，具有高可靠、低成本、多功能、重復使用、智能化、模塊化、標準化、產(chǎn)業(yè)規(guī)?；然咎卣鳎歉锩蕴嵘教爝\輸系統(tǒng)能力的重要途徑。目前，重復使用運載器技術(shù)尚無法支撐像飛機起落一樣重復使用的要求。

當前，重復使用運載器按照起降方式可分為垂直起飛垂直著陸、垂直起飛水平著陸、水平起飛水平著陸等3條技術(shù)途徑。升力式火箭動力重復使用運載器采用垂直起飛水平著陸飛行模式，飛行全程中，火箭發(fā)動機只需在上升飛行段點火一次，工作時間為100多秒，并只需在額定工況工作。返回飛行段為高升阻比無動力滑翔飛行，無需發(fā)動機多次啟動與深度推力調(diào)節(jié)，低溫閥門作動次數(shù)大為減少，在相同可靠性指標下，可大幅提高發(fā)動機重復使用飛行次數(shù)，降低發(fā)動機研制難度與發(fā)射成本。在運載器返回對運載效率影響方面，帶翼的升力式飛回方式導致的運載能力損失與垂直起降返回方式相當，垂直起飛水平著陸的升力式火箭動力重復使用技術(shù)途徑有利于盡快形成安全可靠、工程可實現(xiàn)的重復使用運載器，可快速打造形成一型便捷可靠的升力式火箭動力航班化航天運輸系統(tǒng)。

未來，為實現(xiàn)人類高可靠、高安全、高效率、低成本自由進出太空的夢想，升力式火箭動力航班化航天運輸系統(tǒng)需要達到快速運營、按需發(fā)射，小時級準備的目標水平，需要進一步探索和培育重復使用航天運輸技術(shù)成果，解決關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。本文在分析國內(nèi)外重復使用航天運輸系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢和技術(shù)方案特點的基礎(chǔ)之上，重點分析升力式火箭動力航班化航天運輸系統(tǒng)(如圖1所示)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，并提出了后續(xù)發(fā)展建議。

圖1 升力式火箭動力航班化航天運輸系統(tǒng)

1 發(fā)展態(tài)勢分析

世界各國高度重視重復使用航天運輸技術(shù)的發(fā)展，針對垂直起降重復使用運載器、垂直起飛水平著陸重復使用運載器、水平起降重復使用運載器等多種技術(shù)途徑開展了深入研究，形成了大量重復使用航天運輸系統(tǒng)技術(shù)成果。

1.1 美國探索多種重復使用航天運輸系統(tǒng)，垂直起降重復使用火箭進入商業(yè)應用階段

美國對航天運輸系統(tǒng)多種起降方式開展了技術(shù)探索，積累了一系列技術(shù)成果。水平起降方面，美空軍2016年提出了基于佩刀(SABRE)[2]發(fā)動機的可重復使用第一級；垂直起飛水平降落方面，DARPA2013年啟動了可重復使用助推器系統(tǒng)(XS-1)；垂直起降方面，藍源公司完成了新謝潑德火箭[3-5]飛行試驗，SpaceX公司完成了獵鷹9號運載火箭[6]的多次重復使用。

近期重大技術(shù)突破成果主要為新謝潑德火箭和SpaceX的獵鷹9號火箭。新謝潑德火箭完成多次載人亞軌道飛行任務，飛行高度約100 km、單次任務時間約11 min，掀起了亞軌道飛行的熱潮。2022年，獵鷹9號火箭共發(fā)射60次，超過全球火箭發(fā)射總數(shù)的1/3，共將2 009個載荷成功送入軌道。60次任務中56次采用了重復使用的一子級執(zhí)行發(fā)射任務，一子級復用的平均間隔時間為95 d，最短復用間隔時間為21 d，最大復用次數(shù)達15次，創(chuàng)下子級復用記錄[6]。

SpaceX公司近年來啟動研制了一型面向未來航班化運輸、兩級完全重復使用的航天運輸系統(tǒng)——超重--星艦[7]，據(jù)此提出一小時全球快速運輸?shù)膽梅较?，向著為人類提供遠程、洲際、地球表面“點到點”人員運輸服務方向努力，向著航班化航天運輸方向發(fā)展。

1.2 英國發(fā)展水平起降亞軌道飛行器，已接近商業(yè)運營

英國維珍銀河公司發(fā)展太空船二號[8]水平起降亞軌道飛行器，由NASA通過飛行機會計劃(Flight Opportunities Program)資助。2021年7月11日，維珍銀河公司創(chuàng)始人布蘭森等6人搭乘太空船二號飛行器率先完成了載人亞軌道飛行，飛行高度距離地面約80 km，引起了各界的高度關(guān)注，拉開了亞軌道商業(yè)太空旅游時代的序幕。

英國反應發(fā)動機公司(REL)持續(xù)推進云霄塔空天飛行器的研制，其關(guān)鍵部件佩刀預冷空氣渦輪火箭發(fā)動機于2022年7月完成集成氫預燃器系統(tǒng)地面試驗。

1.3 德國開展長期探索，垂直起飛水平降落和水平起降亞軌道飛行器均處于技術(shù)攻關(guān)階段

德國宇航中心自2007年提出研發(fā)航天班機垂直起飛、水平降落亞軌道飛行器，并得到了歐洲FAST計劃支持。2015年，德國宇航中心制定了詳細發(fā)展規(guī)劃，計劃2035年生產(chǎn)6架樣機進行試飛，2017年該項目進入初步概念評審階段。后來，因資金等原因該項目未得到歐盟后續(xù)資金支持，至今未見進一步報道。

德國宇航中心于2015—2018年進行了極光水平起降飛行器的概念研發(fā)，成立了北極星航天飛機公司，進一步深化研發(fā)并商業(yè)化。2020年4月，該公司成功進行了一次縮比飛行器試飛。

1.4 日本同時發(fā)展垂直起飛水平降落和水平起降飛行器，尚未取得實質(zhì)進展

日本PD航空航天公司曾在2007年嘗試開發(fā)水平起降的PDAS-X系列亞軌道飛行器，動力采用當時在國際上還未取得重大突破的脈沖爆震發(fā)動機，其技術(shù)方案先進、難度大，因而進展緩慢。2017年對發(fā)動機燃燒室進行了測試，后續(xù)未見實質(zhì)性進展。同年，日本天空漫步者公司成立，計劃分三步發(fā)展3型太空漫步者亞軌道飛行器：第一步，面向科學實驗任務，開發(fā)垂直起飛水平降落的飛行器，計劃2024年首飛；第二步，面向小衛(wèi)星發(fā)射任務，同樣開發(fā)垂直起飛水平降落的飛行器，該飛行器攜帶上面級到達亞軌道，并由上面級部署衛(wèi)星，預計2026年首飛；第三步，面向太空旅游，開發(fā)水平起降亞軌道飛行器，預計2029年首飛。

1.5我國同步開展3條技術(shù)發(fā)展途徑研究，梯次形成能力[9-15]

我國航天運輸系統(tǒng)經(jīng)過60多年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成績[1]。一次性運載火箭方面，構(gòu)建了較為完善的產(chǎn)品體系，新一代運載火箭已開始多型應用發(fā)射，正在持續(xù)推進重型運載火箭、新一代載人火箭等技術(shù)攻關(guān)。空間轉(zhuǎn)移運輸方面，形成了“遠征”系列上面級，正在持續(xù)推動低溫上面級關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)[9]。重復使用航天運輸系統(tǒng)方面，按照多途徑探索、梯次形成能力的思路，圍繞垂直起降、垂直起飛水平著陸、水平起降等開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和飛行演示驗證[1]，重復使用技術(shù)取得了一定進展，但目前均未進入應用發(fā)射階段。

在升力式火箭動力重復使用運載器方面，中國航天科技集團有限公司第一研究院自主研制了亞軌道重復使用運載器技術(shù)驗證飛行器，于2021年7月實現(xiàn)亞軌道重復使用運載器飛行演示驗證試驗的圓滿成功，有效驗證了垂直起飛水平著陸亞軌道重復使用運載器核心關(guān)鍵技術(shù)，并于2022年8月圓滿完成了重復使用飛行試驗，對重復使用技術(shù)進行了飛行驗證。這些進展為重復使用航天運輸系統(tǒng)奠定了一定的基礎(chǔ)，但我國航班化航天運輸系統(tǒng)的建設仍處于起步階段[1]，當前發(fā)展進度與航班化航天運輸系統(tǒng)的預期目標要求還存在差距。

2 技術(shù)方案分析

重復使用航天運輸系統(tǒng)技術(shù)方案主要包括氣動構(gòu)型、動力型式、返回減速控制方式、起降方式等方面內(nèi)容，下面重點從這幾方面入手分析各自技術(shù)特點。

2.1 氣動構(gòu)型

重復使用的航天運輸系統(tǒng)主要采用面對稱氣動外形和軸對稱氣動外形兩種氣動構(gòu)型。

升力式火箭動力航班化航天運輸系統(tǒng)采用面對稱氣動外形，如圖2所示，通過設計翼舵等氣動部件，提高氣動升阻特性，在飛行返回時充分利用氣動部件實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定控制、無動力滑行減速，確保全運載器安全返回。

圖2 升力式面對稱氣動構(gòu)型

采用軸對稱外形的重復使用運載器與一次性運載火箭構(gòu)型基本相同，上升段飛行方式和氣動特性與傳統(tǒng)運載火箭基本相同，在返回時一般以垂直著陸方式返回。為了輔助姿態(tài)控制可增加柵格舵、著陸支腿等部件。目前美國新謝潑德、獵鷹9號和超重--星艦等火箭均采用此類構(gòu)型。

2.2 動力型式

重復使用航天運輸系統(tǒng)采用的主流動力形式包括火箭發(fā)動機和組合動力發(fā)動機。

火箭動力方面，采用液體火箭發(fā)動機的居多，如超重--星艦航天運輸系統(tǒng)；其次，采用固液混合火箭發(fā)動機，如英國太空船二號飛行器。液體火箭發(fā)動機技術(shù)成熟度高，安全性可靠性強，可長期應用于運載火箭發(fā)射任務。固液混合火箭發(fā)動機兼顧了固體燃料和液體氧化劑的優(yōu)點，但可靠性有待提高。

組合動力方面，美國開展了基于佩刀發(fā)動機為動力的兩級入軌飛行器方案研究，該發(fā)動機為渦輪發(fā)動機、火箭發(fā)動機和沖壓發(fā)動機組成的組合循環(huán)發(fā)動機，尚處于技術(shù)攻關(guān)階段。德國極光亞軌道飛行器采用了自研的噴氣發(fā)動機與火箭發(fā)動機組成的組合循環(huán)發(fā)動機，其發(fā)動機仍處于探索階段。組合動力技術(shù)未來前景較好，但技術(shù)難度很大，離實用化還有很長的一段距離。

2.3 返回減速控制方式

重復使用航天運輸系統(tǒng)返回地面時采用的減速控制一般包括氣動力減速、動力減速和傘降減速等。氣動力減速緩慢但可持續(xù)減速，動力減速可實現(xiàn)快速減速但需要燃燒額外的推進劑，氣動力減速等專門用于返回的功能部件質(zhì)量接近于動力減速在返回段燃燒的推進劑與其他返回專用的功能部件的質(zhì)量。傘降方式可適用的運載器質(zhì)量規(guī)模有限。

太空船二號飛行器充分利用了氣動力減速技術(shù)，其尾翼設計為可變型結(jié)構(gòu)，當尾翼為水平時進行正常飛行和爬升，當尾翼變型為豎直后實現(xiàn)阻力面積增加，提升減速效果；新謝潑德火箭的助推器使用可展開式減速板，在助推器發(fā)射和上升過程中處于收縮狀態(tài)，在返回時展開增加阻力面積，實現(xiàn)減速，乘員艙采用傘降方式減速和降落。獵鷹9號火箭動力減速段通過發(fā)動機反推工作實現(xiàn)減速和姿態(tài)控制，氣動減速段利用柵格舵氣動力矩進行姿態(tài)控制。

2.4 起降方式

垂直起降方面，運載器與傳統(tǒng)火箭構(gòu)型相似，在發(fā)射架上垂直發(fā)射，在返回時依靠動力減速，垂直著陸，可充分借鑒一次性運載火箭和飛船的技術(shù)基礎(chǔ)，技術(shù)繼承性較好。但這種類型運載器主要通過發(fā)動機制動著陸，發(fā)動機需多次點火且變推力工作，對發(fā)動機要求較高。

垂直起飛水平降落方面，典型剖面如圖3所示，升力式運載器返回時充分利用無動力的氣動飛行技術(shù)，在預定跑道水平著陸，飛行平緩，水平著陸沖擊較小，力學環(huán)境較緩和。運載器兼具航天快速進入空間、升力式高速返回、航空低空滑行等技術(shù)特點，實現(xiàn)火箭動力垂直進入—大攻角可控返回—無動力水平著陸的剖面飛行，可實現(xiàn)整器多次完全重復使用的航班化運輸目標。這種起降方式在一次飛行剖面中對發(fā)動機點火次數(shù)、發(fā)動機性能需求與一次性火箭基本一致，技術(shù)成熟度高，動力重復使用次數(shù)高，可更可靠地應用于地面點對點運輸和發(fā)射衛(wèi)星入軌。

圖3 垂直起飛水平降落典型飛行剖面

水平起降方面，運載器可從地面滑行起飛、爬升及水平著陸，包括美國基于佩刀發(fā)動機的可重復使用第一級、德國極光飛行器、日本太空漫步者飛行器等。直接從地面起飛的方式無需載機配置、無載機分離操作，系統(tǒng)復雜度低，未來應用前景廣闊，但這種飛行方式對動力要求高，執(zhí)行入軌運輸任務時會產(chǎn)生較多的攻角損失和阻力損失，降低運載效率。太空船二號飛行器則采用載機發(fā)射方式，這類方式可為飛行器提供初始速度和高度，降低飛行器動力要求，但系統(tǒng)復雜度高，空中發(fā)射規(guī)模受限，技術(shù)難度也較高。

2.5 小結(jié)

升力式航班化航天運輸系統(tǒng)基于液體火箭動力與升力式構(gòu)型實現(xiàn)垂直起飛水平著陸，該方案高度交叉融合航天航空先進技術(shù)，既發(fā)揮了航天火箭動力快速進入空間的優(yōu)勢，又利用了高升阻比氣動特性航空模式水平返回特征，尤其是在飛行過程中只需要主發(fā)動機工作一次，無須進行推力調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)主發(fā)動機使用壽命內(nèi)更多次的重復飛行，可提高航天運輸系統(tǒng)的重復使用能力，從而大幅降低發(fā)射成本。

3 升力式航班化航天運輸系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

通過前期技術(shù)攻關(guān)，對升力式火箭動力航班化航天運輸系統(tǒng)的研究，積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但距離實現(xiàn)航班化航天運輸應用還有較大差距，亟須創(chuàng)新設計理念，應用新技術(shù)和新方法，解決相關(guān)基礎(chǔ)問題和瓶頸技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)性技術(shù)指標的大幅提升。

3.1 氣動布局技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

升力式重復使用運載器面臨寬速域、大空域的飛行環(huán)境，面臨復雜的氣動力熱環(huán)境剖面，見圖4。經(jīng)歷垂直起飛、大攻角高速再入飛行、中小攻角能量管理飛行、低速水平著陸過程，不同飛行階段產(chǎn)生復雜的流場結(jié)構(gòu)變化，在高速飛行時還會產(chǎn)生高速流動壓縮、膨脹效應及復雜波系干擾導致的橫航向氣動特性耦合現(xiàn)象，如圖5所示。氣動布局難點主要體現(xiàn)在兩個方面。

圖4 復雜的氣動力熱環(huán)境剖面

圖5 舵面控制中的流動二次壓縮、激波/膨脹波干擾

3.1.1 操穩(wěn)特性匹配難

在超聲速大攻角再入飛行和低速起降階段對運載器的氣動布局提出不同需求，布局設計需兼顧高、中、低馬赫數(shù)下焦點移動劇烈導致的飛行穩(wěn)定性大幅度變化，對操穩(wěn)特性設計帶來嚴峻挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的后掠翼、乘波體、邊條翼等常規(guī)氣動布局設計不能有效地解決這種矛盾。運載器主發(fā)動機安裝在尾部，使得質(zhì)心靠后，增加了縱向操穩(wěn)設計難度；隨著飛行馬赫數(shù)的增大，航向穩(wěn)定性急劇惡化，如圖6所示。運載器質(zhì)心偏后進一步增大了航向操穩(wěn)設計難度；同時面對稱外形具有強烈橫航向特性交聯(lián)耦合特點，縱向/航向/橫向三通道操穩(wěn)匹配面臨極大挑戰(zhàn)。

圖6 偏航力矩系數(shù)隨馬赫數(shù)和攻角變化規(guī)律

3.1.2 升阻匹配難

氣動布局需全面兼顧垂直起飛、大攻角大阻力減速、中小攻角高升阻比縱橫向機動和低速進場著陸高升力等升阻特性需求，這些均對氣動布局增升減阻設計提出了較高要求。

因此，如何保證飛行全剖面內(nèi)運載器具有良好的操穩(wěn)特性及升阻特性，對升力式重復使用運載器氣動布局設計提出了新需求和新挑戰(zhàn)。

3.2 多耦合強約束的智能在線軌跡規(guī)劃與制導技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

為提高航班化運輸?shù)陌踩?、可靠性，以應對飛行過程中可能出現(xiàn)的各種故障，需突破具有自適應及重構(gòu)功能的先進制導控制技術(shù)。發(fā)展在線重構(gòu)能力，增強應對控制舵面故障、氣動不確定性以及各種擾動(比如強風)的能力，滿足高安全性、高可靠性要求。可重構(gòu)制導控制系統(tǒng)包含控制重構(gòu)、制導重構(gòu)和軌道重構(gòu)3個方面，利用控制重構(gòu)、制導重構(gòu)、軌道重構(gòu)以及在線任務/中止規(guī)劃等技術(shù)，在出現(xiàn)故障致使飛行器性能受到嚴重影響的情況下，最大限度完成任務并實現(xiàn)安全返回。

航班化運輸系統(tǒng)飛行剖面極其復雜，需要解決兩端固定(起飛和著陸機場)的多階段、多控制變量和多約束的最優(yōu)控制難題，需要突破適應大范圍機動的能量管理與制導技術(shù)。約束條件包括總體指標、過程約束(動壓、過載、熱流)、航區(qū)安全、進場方式等，還需兼顧安控、故障重構(gòu)、備降返回等故障工況，需對全程飛行軌跡進行合理規(guī)劃和設計，對能量(高度和速度)進行合理分配，保證在較大位置偏差、能量偏差、大氣偏差、氣動偏差、風干擾等因素影響下，運載器均可安全到達進場著陸窗口，之后根據(jù)實時能量情況，在線軌跡規(guī)劃并選擇進場方向，如圖7所示。無動力水平進場著陸時，為提高運載效率采用機翼最小化設計，運載器升力、舵效受限，對接地時刻速度、位置、姿態(tài)、角速度等參數(shù)的控制精度均提出了苛刻的著陸約束。

圖7 返回能量走廊

3.3 復雜異構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)的高精度控制技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

航班化航天運輸經(jīng)歷發(fā)射、分離、返回等多個階段，飛行全程面臨復雜力學環(huán)境、寬域操穩(wěn)特性、大范圍不確定性散布等多約束問題，面臨的主要問題包括主動力、輔助動力、多氣動舵面以及起落架等復雜異構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)的分配和融合使用問題，如圖8所示。主要包括：發(fā)射上升過程復雜的剛彈晃動力學響應、大動壓區(qū)減載控制、大功率伺服非線性及伺服彈性耦合效應問題，返回過程中熱流/過載/動壓等約束、部分功能性能下降后多執(zhí)行機構(gòu)異構(gòu)自主在線分配控制問題，高速高動態(tài)環(huán)境下的高精度導航、高速水平著陸的精準控制和可靠減速問題等。以上技術(shù)難題對控制技術(shù)均提出了新的功能、性能要求。因此，如何實現(xiàn)復雜異構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)的高精度控制是運載器面臨的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖8 異構(gòu)分配控制策略

同時，升力式重復使用運載器返回以氣動力為主實現(xiàn)軌跡與姿態(tài)控制，面對稱構(gòu)型運載器大跨度空域速域飛行過程中發(fā)生嚴重的氣動耦合、運動學耦合和慣性耦合，極易導致飛行失穩(wěn)和失控，特別是大攻角飛行使飛行器的氣動舵面操縱交聯(lián)嚴重，且運動引起的通道耦合使得飛行可控性要求更加難以滿足，穩(wěn)定性和可控性是升力式運載器面臨的關(guān)鍵問題。

因此，針對升力式運載器飛行特點，需要基于空氣動力學、飛行動力學等多學科理論，研究多種耦合效應作用機理與運動特征，探尋耦合與穩(wěn)定性的內(nèi)在關(guān)系，從物理特性建模入手，揭示多源耦合內(nèi)在規(guī)律，形成耦合失穩(wěn)判據(jù)，在此基礎(chǔ)上將耦合失穩(wěn)判據(jù)和耦合控制策略融入總體設計，形成新的總體設計流程，建立引入利用耦合理念的總體指標參數(shù)分配方法，驅(qū)動總體方案不斷優(yōu)化改進，實現(xiàn)運載器高可靠的穩(wěn)定可控飛行。

3.4 升力式水平著陸回收技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

水平著陸回收是升力式航班化航天運輸系統(tǒng)重要技術(shù)特征，升力式運載器借助氣動力或自身動力等方式實現(xiàn)返回段能量耗散，通過著陸回收裝置，運載器像飛機一樣完整水平著陸，有效緩沖降低著陸沖擊，實現(xiàn)無損回收，支撐運載器的航班化周轉(zhuǎn)運行。著陸回收裝置主要用于著陸飛行段，其結(jié)構(gòu)干重卻會影響運載效率，如何綜合利用地面緩沖和減速裝置，減小運載器上著陸回收裝置的質(zhì)量，通過設計輕量化的器上高能量密度吸收裝置及新型地面著陸輔助裝置等，實現(xiàn)水平著陸減速與垂直下沉率的緩沖，是未來升力式水平著陸回收技術(shù)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn),器地聯(lián)合著陸回收系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 器地聯(lián)合著陸回收系統(tǒng)

3.5 大空域?qū)捤儆蝻w行剖面氣動彈性設計面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

升力式構(gòu)型在某些飛行剖面會出現(xiàn)復雜流動分離和由分離引起的抖振、顫振等氣動彈性響應，在跨聲速最大動壓階段和大攻角再入飛行階段，此類問題尤其突出。

傳統(tǒng)的基于工程方法的氣動彈性分析技術(shù)基于線性假設，以遠場來流狀態(tài)作為基準分析狀態(tài)，無法準確預示非線性流動誘導的氣動彈性現(xiàn)象。在大攻角再入段，背風區(qū)內(nèi)的控制面處于分離流場干擾區(qū)內(nèi)，相對保守的工程分析方法可能會誤判顫振模式和參與模態(tài)，誤導總體設計；在跨聲速飛行段，厚翼型引起的沿展向和弦向的激波振蕩產(chǎn)生非對稱干擾力矩，易與控制系統(tǒng)耦合，激勵起全運載器的抖動。

如何辨識大空域?qū)捤儆蛉w行剖面氣動彈性問題的易發(fā)點，并借助以高精度CFD方法為代表的流場分析技術(shù)，實現(xiàn)氣動彈性問題的準確預示，是氣動彈性設計面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn),典型CFD 的耦合時域仿真如圖10所示。

圖10 基于CFD的耦合時域仿真

3.6 基于低溫燃料為熱沉的主動熱防護技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

以航天飛機為代表的升力式重復使用運載器的防熱設計一般采用“阻隔”的被動熱防護思想，這種厚重的被動防熱方案為運載效率提升帶來了極大負擔，成為制約升力式重復使用航天運輸系統(tǒng)發(fā)展的重要瓶頸。升力式火箭動力運載器的低溫推進劑占據(jù)85%以上的質(zhì)量，是運載器的重要冷源。通過能源/結(jié)構(gòu)/防熱/熱控一體化輕量化設計，對低溫推進劑進行深度過冷，顯著提升推進劑密度和蓄冷量，進而將低溫燃料及貯箱結(jié)構(gòu)直接作為熱沉，降低氣動加熱影響，實現(xiàn)運載器降熱減載。利用剩余低溫燃料對機身冷結(jié)構(gòu)/熱防護層進行對流及蒸發(fā)冷卻或直接將剩余低溫燃料引流至艙外進行氣膜冷卻，也能夠大幅降低防熱代價。基于低溫燃料為熱沉的主動熱防護技術(shù)(見圖11)既可提高運載器的過冷性能，又能減小防熱結(jié)構(gòu)質(zhì)量。如何進一步減小基于中間介質(zhì)進行間接冷卻帶來的額外代價，實現(xiàn)面向直接冷卻的內(nèi)嵌通道的大面積輕質(zhì)防熱承載結(jié)構(gòu)，提升適應復雜飛行過載的能力，保障低溫燃料作為直接熱沉的安全性等成為該項關(guān)鍵技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)。

圖11 基于低溫燃料為熱沉的主動熱防護方案

3.7 健康管理與檢測維護技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

航班化航天運輸系統(tǒng)可實現(xiàn)小時級全球到達和往返。如何達到小時級周轉(zhuǎn)，對運載器免維護、快檢測、耗材更換、器上健康狀態(tài)監(jiān)測提出了較高的要求，需要攻克智能檢測、快速維護、高效加注、健康管理等多項技術(shù)難題。

航班化航天運輸系統(tǒng)健康管理與檢測維護系統(tǒng)的構(gòu)建，需要實現(xiàn)器地一體化智能診斷與維修保障體系架構(gòu)，提升航天運輸系統(tǒng)的安全性、可靠性以及自主保障能力，如圖12所示。

圖12 健康管理架構(gòu)

航天運輸系統(tǒng)交聯(lián)耦合故障演變機理復雜、耦合性強，并且器上計算資源受限,地面故障難模擬驗證。要實現(xiàn)智能檢測與快速周轉(zhuǎn)，需要突破基于深度感知的故障智能診斷與重構(gòu)、基于模型與數(shù)據(jù)雙驅(qū)動智能快速評估以及故障模擬與仿真評估等核心技術(shù)。同時，航天運輸系統(tǒng)包括了動力、航電、機電、熱防護與熱控等多種產(chǎn)品，產(chǎn)品種類、功能、性能以及維修保障需求各不相同，實現(xiàn)重復使用的維修保障規(guī)模大、周期長、費用高，需要突破全壽命周期信息配置管理、維修輔助決策以及便攜化快速檢測與維修保障等核心技術(shù)。

3.8 重復使用設計和評估面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

航班化是重復使用的高級形式，航班化需要重復使用常態(tài)化、時效化、自由化。升力式航班化重復使用復雜力熱環(huán)境剖面相對傳統(tǒng)航空器更加嚴酷，更不同于傳統(tǒng)火箭及飛機等飛行器，尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和評價驗證體系。針對未來升力式航班化運輸系統(tǒng)大規(guī)模、低成本、高可靠重復使用需求，亟須在現(xiàn)有航空航天相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上系統(tǒng)開展重復使用全壽命周期設計與驗證技術(shù)研究，從頂層開展面向壽命的重復使用運載器設計技術(shù)體系研究，為可重復使用敏捷設計、關(guān)鍵性能分析評價、試驗驗證等技術(shù)提供理論指導，支撐形成工程可用的可重復使用設計能力。

升力式航班化運輸系統(tǒng)對運載器提出了高載荷、高周數(shù)抗疲勞、數(shù)萬次百噸級疲勞載荷的要求，需要發(fā)展升力式航班化運輸系統(tǒng)重復使用壽命評估的方法，針對不同結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建可無縫集成的多元素智能傳感單元，實現(xiàn)特定區(qū)域特定物理量/損傷量的模塊化分區(qū)傳感；建立主/被動監(jiān)測方法協(xié)同的損傷識別方法與面向大規(guī)模損傷參數(shù)的高效高精度辨識方法，實現(xiàn)實時損傷的時空尺度量化表征，建立起多學科載荷--損傷特征--性能退化規(guī)律--壽命模型的映射關(guān)系。建設基于時變可靠性的覆蓋航班化航天運輸系統(tǒng)的壽命預測系統(tǒng)，構(gòu)建動態(tài)監(jiān)測與實時壽命評估模型，成為支撐航班化航天運輸系統(tǒng)快速周轉(zhuǎn)與航班運營的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

4 發(fā)展建議

目前，多個航天大國均在開展航班化航天運輸系統(tǒng)研究，航班化航天運輸已成為發(fā)展的熱點之一，航天運輸系統(tǒng)的發(fā)展正迎來航班化新時代。

面向一小時全球到達、太空旅游等航班化任務目標，針對升力式航天運輸模式技術(shù)發(fā)展提出以下建議：

1)推進總體、氣動、載荷環(huán)境、控制、動力等核心專業(yè)技術(shù)向一體化、精細化發(fā)展，基于飛行環(huán)境及系統(tǒng)特征，從總體設計源頭開展以提升運載效率為核心的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，從升力式航班化航天運輸系統(tǒng)總體設計、力熱載荷精細化設計、載荷譜優(yōu)化、重復使用輕質(zhì)冷熱結(jié)構(gòu)設計等關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，建立面向壽命的升力式航班化航天運輸系統(tǒng)總體設計體系，進一步提升重復使用航天運輸系統(tǒng)基礎(chǔ)性能。

2)通過創(chuàng)新設計理念，研究有限次數(shù)重復使用壽命、損傷容限設計方法，建立重復使用設計方法準則，性能指標評價與動態(tài)壽命評估體系，提升關(guān)鍵部組件重復使用、長壽命工作能力，實現(xiàn)由基于性能設計到基于可靠性設計的轉(zhuǎn)變。

3)積極應用大數(shù)據(jù)、人工智能、超材料等新技術(shù)，形成智能化、低成本、高可靠的新型研制和維護手段，建立航班化航天運輸系統(tǒng)檢測維護技術(shù)體系，提升安全性、可靠性、檢測維護便捷性等，開展智能診斷、易維護設計，提高使用維護快速性、便捷性，縮短測試發(fā)射周期，提升航班化任務快速周轉(zhuǎn)的適應能力。

發(fā)展航班化航天運輸系統(tǒng)，可實現(xiàn)安全、快速、機動、環(huán)保地進出空間，支撐我國航天高密度發(fā)射任務，有效服務國民經(jīng)濟建設，推進航天強國建設，滿足人民對快速全球抵達和太空旅游等美好生活向往的需求。