航天器|国产空天飞行器在轨仅两天就落地，是落后吗？后来居上势不可挡
本月4日 ， 我国利用长征二号F运载火箭成功发射一型可重复使用的试验航天器 ， 在经过两天在轨飞行后可重复使用航天器成功返回预定着陆场 ， 此次试验的圆满成功标志着我国可重复使用航天器技术取得重要突破 ， 后续可为和平利用太空提供更加便捷、廉价的往返方式 。
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发射天宫二号的长征二号F型火箭
官方表述的一系列关键词句告诉我们此次发射的可重复使用试验航天器不同于以往我国发射的任何一款航天器 ， 因为它有着截然不同的飞行特性。
关键词“太空往返” ， 截至此次任务发射前我国能够胜任太空往返任务的航天器有且仅有两款 ， 一款是众人皆知的神舟载人飞船 ， 另一款就是今年5月5日文昌航天发射场利用长征五号B遥一火箭发射的服务载人登月任务的新一代载人飞船试验船 ， 显然此次发射与上述两款天地往返航天器毫无关系 。
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神舟飞船与新一代载人飞船
再就是“可重复使用” ， 神舟飞船是完全不具备重复使用功能 ， 新一代载人飞船也只能“部分重复使用” ， 此次发射的航天器显然是具备“完全重复使用”的功能形态 。
纵观人类天地往返航天装备发展史 ， 并辅以排除法可知 ， 唯有带翼航天器才具备完全重复使用的条件 ， 因为只有带翼航天器可以实现无损着陆 。 （为便于行文方便后文皆以“国产空天飞行器”指代“可重复使用试验航天器” 。 ）
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新一代载人飞船可实现返回舱重复使用
在欢庆国产空天飞行器成功发射与返回的同时人们又产生了新的疑问 ， 大洋彼岸波音公司研制的X-37B与国产空天飞行器功能定位趋于一致 ， 为什么前者可以在轨飞行长达两年甚至更长时间 ， 而我们的却只有两天？难道又落后了？
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X-37B空天飞行器
答案当然是否定的 ， 先抛出一个结论 ， 国产空天飞行器两天在轨返回标志着我国带翼航天器技术一举跨过大洋彼岸近半世纪发展历程 。
为什么要如此“高傲”地提出这一结论？
首先来看看发展形势 ， 纵观近年来我国各领域发展成果可知 ， 一举跨过半世纪发展历程的案例正在接二连三地出现：
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歼-20隐形战斗机
2017年第四代隐形战斗机歼-20正式进入现役战斗序列 ， 标志着我空军结束了长达半个多世纪战斗机技术落后的局面 ， 该机综合战技术水平与F-35系列联合攻击机相比也是伯仲之间；
2020年1月12日055型万吨大驱进入战斗序列 ， 标志着海军主战舰艇结束长达半个多世纪的落后局面 ， 一举反超阿利伯克系列驱逐舰 ， 并在信息感知、舰队防空、对海打击等多个战技术领域优于大洋彼岸引以为傲的DDG-1000朱姆沃尔特级驱逐舰；
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055型万吨大驱首舰101南昌舰
2020年7月23日旨在一次完成绕落巡火星任务的天问一号飞船升空 ， 标志着我们即将一步跨过大洋彼岸近半世纪探火历程（以勇气号、机遇号两辆火星车的部署时间为基准计算） 。
言归正传 ， 国产空天飞行器首次飞行任务在轨时间只有两天 ， 与大洋彼岸X-37B长达两年多的在轨时间相比显然是有差异的 ， 但是要知道此次飞行的核心任务是为了突破空天飞行器由轨道空间再入地球大气层的精准返回技术 ， 而这一技术的突破就预示着后来居上的势不可挡 。
至于在轨时间为什么不延长的问题也很简单 ， 因为没有加装更多的探测载荷 ， 任务不需要延长在轨时间 。
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多年前披露的国产空天飞行器投放试验
航天领域常说“火箭运力有多大 ， 航天舞台就有多大” ， 这讲的是人类如何“登天”的问题 ， 然而比登天更难的问题是如何从天上下来返回地面 。
地球基于重力关系外表包裹着一层厚厚的大气 ， 航天器再入大气层时会产生剧烈的热流烧蚀 ， 传统航天器进入大气层后通常会化作转瞬即逝的流星 ， 只有加装防热烧蚀材料并辅以特殊设计的气动外形 ， 航天器才能实现再入返回 。
放眼全球掌握航天器再入返回技术的国家并不在少数 ， 但掌握带翼航天器再入返回技术的国家截至国产空天飞行器发射前仅有大洋彼岸一家 。 暴风雪号航天飞机已经沉入历史的悠悠长河 ， 曾经拥有它的国家也已经退出历史舞台 ， 欧空局2015年时曾经发射IXV航天飞机 ， 但最终返回时不是滑跑着陆而是直接溅落大西洋 。
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欧空局从海中打捞的IXV航天飞机
因此可以得出结论 ， 掌握带翼航天器再入返回技术的国家有且仅有两个 ， 一个是大洋彼岸 ， 另一个就是我们 ， 仅此一点就足以确立世界先进地位 。
那么 ， 为什么说国产空天飞行器如同天问一号、歼-20一样跨过了大洋彼岸近半世纪发展历程呢？
自上世纪人类开始研究航天器再入大气层技术以来就一直存在着两种截然不同的技术方向 ， 一种是弹道式再入 ， 这种航天器只需一次性防热烧蚀材料保护即可直接再入大气返回地球 ， 例如联盟系列飞船、神舟载人飞船、载人龙飞船、我国新一代载人飞船等都属于此类再入方式 ， 只是后来者的弹道设计有所不同 。
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再入大气层的神舟飞船返回舱（效果图）
另一种技术方向就是升力体式再入 ， 此种航天器结合了航天与航空两种飞行特性 ， 能以较慢的速度实现受控再入大气层 ， 着陆精度更高 ， 能够直接着陆于机场跑道 ， 航天飞机就是升力体式再入的经典案例 。
大洋彼岸早在上世纪五十年代末就立项发展了X-20试验机 ， 该机旨在配备飞行员进行高超声速及在轨飞行试验 ， 并且具备一定的机动能力 ， 能够抵御再入大气的热流烧蚀 ， 进而在机场跑道滑跑着陆 。
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X-20试验机没有实现飞行测试
由于当时双子星座载人飞船的研制更加优先加上成本飙升 ， X-20在立项研发7年后下马 ， 在此期间仅完成了一架实物样机的研制 ， 该项目从始至终没有进入飞行试验状态 。
与X-20存在接续发展关系的还有X-24A和X-24B两款试验机 ， 旨在验证升力体气动布局的低速飞行特性 。
升力体式空天飞行器从太空空间再入大气层直至着陆整个过程要历经四大阶段 ， 分别是空间在轨飞行、跨大气层高超声速飞行、高空跨声速飞行、中低空亚声速飞行 ， 因此升力体飞行器要想完成四大阶段的再入就必须同时兼顾不同的飞行环境 。
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X-24A
X-24A与X-24B就是旨在获得高空与中低空的升力体飞行数据 ， 因为在传统航空空域飞行弱化机翼功能的升力体飞行器并没有优势 ， 甚至存在某种劣势 ， 所以必须有精准的飞控数据保障安全飞行 。
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X-24B
X-24A是钝头体构型 ， 最大马赫数1.55 ， X-24B则是尖头体构型 ， 最大马赫数1.74 ， 两款机型总计完成了64架次飞行试验任务 ， 在此基础上又完成了X-24C验证机的研制 ， 该机可实现6.65马赫数的飞行 ， 所获得的数据有效支撑了升力体再入理论 ， 为航天飞机的研制奠定了基础 。
升力体再入技术的高潮自然是航天飞机计划 ， 航天飞机轨道器是整个计划研制的重中之重 ， 它长37.24米、翼展23.79米、高17.25米 ， 采用大弧形曲面三角翼加垂直尾翼的气动布局 ， 空重68.5吨 ， 该机定位为人货两用 ， 在搭载7名航天员的同时机身中部货仓还可以携带15吨的航天器 ， 国际空间站的诸多重要舱段都由航天飞机发射 。
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哥伦比亚号航天飞机
航天飞机纵然先进 ， 但限于研制年代久远其诸多技术已经远远不能胜任21世纪的需求 ， 比如人尽皆知的挑战者号与哥伦比亚号两起空难 ， 整个机队5架轨道器其中有两架都殒命蓝天 ， 可靠性低是加速航天飞机退出历史舞台的直接原因 。
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殒命蓝天的挑战者号航天飞机
航天飞机计划历时三十余年 ， 总计执行了135架次任务 ， 然而终其一生它也没能突破自主降落技术 。
航天飞机一般会在120公里高度以机头朝前呈40度仰角姿态开始进入再入大气程序 ， 这一过程由计算机控制 ， 预设的仰角姿态是为了尽最大可能降低热流烧蚀 ， 在再入大气过程中轨道器的动力系统呈禁用状态 。
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航天飞机呈40度仰角再入大气层
由于航天飞机没有弹道式返回舱的减速伞 ， 因此需要利用自身气动条件并辅以S弯机动实现减速 ， 在海拔4.6万米高空时轨道器尾部的空气制动器打开 ， 增大空气阻力进一步减速 ， 随后机组人员会将轨道器仰角由40度调低至36度 ， 当轨道器进入亚音速飞行时自动控制改为手动控制 ， 进而完成滑跑着陆 。
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航天飞机着陆是手动控制模式
与之对比 ， 国产空天飞行器的先进之处就体现在这里 ， 因为它的非载人属性注定该机是自动控制返场着陆于机场跑道 。
我们可以看到航天飞机的人为介入操控环节有很多 ， 导致这一情况的根本原因在于航天飞机的飞控计算机运算能力差 ， 其运算容量仅有1MB ， 这样的运算速率别说是支持自动返场降落 ， 就连仰角调整都需要人力干预 。
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航天飞机轨道器运算容量仅1MB的计算机
国产空天飞行器与X-37B都拥有自主返场着陆的核心优势 ， 后者表明大洋彼岸历经半个世纪发展才掌握这一核心能力 。
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X-37B自主返场着陆
诸多X系列空天验证飞行器与航天飞机计划的实施奠定了大洋彼岸扎实的升力体再入飞行控制技术 ， 但长江后浪推前浪一代更比一代强的法则是放之四海而皆准的 ， 我们没有型号繁多的X系列空天验证飞行器 ， 也没有航天飞机计划的悠久历史 ， 究竟是什么因素让我们如此迅速的掌握这一顶级技术？
这还得从空天飞行器的应用场景说起 ， 此类飞行器可以通吃航天运载、国防应用两大领域 ， 大洋彼岸型号众多的X系列验证机放在我们这里主要由系列东风快递加以验证 ， 突出成果就是DF-17乘波体导弹 。
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DF-17乘波体战斗部
DF-17在乘波体构型基础上在战斗部尾部增设了四片弹翼 ， 用方队长吕尔参的话说 ， 这样的设计可以使它的突防能力大大增强 ， 这个弹头设计像个小飞机 ， 它的设计可以使弹头的飞行轨迹更加灵活多变 ， 整个突防下来敌人很难拦截它 。
灵活多变的飞行轨迹显然要比航天飞机用于减速的S弯轨迹高明得多 ， 而且DF-17全程自主能力比航天飞机领先了整整一个时代 ， 它有着更加宽域的灵活机动空间 。
在经过变轨飞行后DF-17依然能实现巡航导弹级别的打击精度就更令人想入非非 ， 这种技术完全可以移植到国产空天飞行器用于对准机场跑道的导航系统里 。
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激波风洞测试某型乘波体布局
仅仅依靠东风快递发展带翼航天器显然有点不务正业的感觉 ， 实际上早在大洋彼岸X-37验证机立项研制的年代我国带翼航天器也早已进入项目立项研制阶段 。 比如 ， 神龙跨大气层验证飞行器早在21世纪的第一个十年就基于轰-6轰炸机挂飞完成了飞行测试 。
近二十年的发展过程中也时常有相关消息披露 ， 比如 ， 2015年 ， 我国航天某重点型号圆满完成高速自主进场着陆飞行试验 。 同一时期西北工业大学官网披露高速自主全电刹车系统圆满完成着陆飞行试验 ， 创造了国际空天领域的多项世界第一 。
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空天装备加速“白菜化”
如果说形似飞机的DF-17单单一款空天装备还不具备说服力 ， 那么空天飞行技术的另一个衍生品无侦-8高超音速火箭动力无人机就更进一步实锤确认我们已经将高速自主返场技术彻底“白菜化” 。
国产空天飞行器首次轨道飞行就拿下大洋彼岸穷半世纪之功才攻克的带翼航天器再入返回技术 ， 起点已经很高那么接下来会怎样？相信大家都有自己的判断 。
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某型洲际乘波体
【航天器|国产空天飞行器在轨仅两天就落地，是落后吗？后来居上势不可挡】东风快递与带翼航天器其实是一个先有鸡还是先有蛋的逻辑问题 ， 它俩谁先谁后无从考证 ， 但有一点可以确认 ， 那就是植根于第四次工业革命建立起的全球最齐全工业产业链必将持续创造更多奇迹 ， 而随着时间推移“奇迹”也将逐渐成为一种“新常态” ， 包括14亿国人在内的整个蓝星也必须适应这种新常态 。
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