1月12日，我國“力鴻一號(hào)”沖上120公里高空，飛越卡門線，隨后載荷艙平穩(wěn)著陸，圓滿完成了首次亞軌道飛行試驗(yàn)。那么，亞軌道飛行器有哪些優(yōu)勢(shì)，能滿足哪些特殊需求？為了研發(fā)它，需要借助哪些技術(shù)？未來，亞軌道飛行器有可能具備怎樣的應(yīng)用前景呢？

獨(dú)特優(yōu)勢(shì)填補(bǔ)“空白”

相比在軌航天器，亞軌道飛行器的飛行高度更低，無法像衛(wèi)星那樣長期環(huán)繞地球。不過，亞軌道飛行器的“黃金空域”是距地面20～100公里高度的臨近空間，而這個(gè)介于航空與航天之間的特殊空域賦予了亞軌道飛行器不凡的本領(lǐng)——既能利用太空邊緣的微重力環(huán)境開展工作，又能發(fā)揮靈活機(jī)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，完成特殊任務(wù)。因此，亞軌道飛行器逐漸成為各國爭(zhēng)相布局的空天產(chǎn)業(yè)新熱點(diǎn)。

在科研領(lǐng)域，亞軌道飛行器堪稱“低成本空天實(shí)驗(yàn)室”，支持各種微重力環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。相比在軌航天器，它的綜合成本顯著降低。而相比落塔、飛機(jī)俯沖等獲取失重環(huán)境的方式，它又能將高水平微重力環(huán)境的維持時(shí)間從數(shù)秒、數(shù)十秒延長到至少數(shù)百秒，載荷還可回收復(fù)用。

例如，我國“力鴻一號(hào)”首次飛行任務(wù)搭載了微重力激光增材制造實(shí)驗(yàn)設(shè)備和航天輻射誘變?cè)录痉N子，實(shí)驗(yàn)成果被帶回地面分析研究。未來，亞軌道飛行器將為太空制藥、材料科學(xué)、生命科學(xué)等提供更高效的工作平臺(tái)，通過高頻次飛行，助力實(shí)驗(yàn)成果快速迭代優(yōu)化。

在特殊任務(wù)領(lǐng)域，亞軌道飛行器有望再建新功。臨近空間稀薄大氣支持亞軌道飛行器保持高速，進(jìn)行機(jī)動(dòng)滑翔，飛行軌跡難以預(yù)測(cè)，又超出了多數(shù)防空武器的有效射程，生存力較強(qiáng)，因此在偵察監(jiān)視、應(yīng)急響應(yīng)等任務(wù)中別具優(yōu)勢(shì)。

而且，與軌道相對(duì)固定的衛(wèi)星相比，亞軌道飛行器可以隨時(shí)發(fā)射、按需返回，對(duì)特定區(qū)域?qū)嵤┙嚯x、高精度觀測(cè)，特別適用于自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、突發(fā)任務(wù)監(jiān)控等場(chǎng)景。必要時(shí)，亞軌道飛行器還可以充當(dāng)高超聲速武器搭載平臺(tái)，成為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上兼顧威懾力和實(shí)用性的新概念裝備，應(yīng)用潛力很大，已成為各國軍方積極探索方向。

在商業(yè)航天領(lǐng)域，亞軌道飛行器正在大力開拓新興市場(chǎng)。美國“新謝潑德”已實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)飛行，通過回收火箭助推器和返回艙，持續(xù)降低運(yùn)營成本。我國“力鴻”系列也將積極應(yīng)用載荷艙和運(yùn)載器重復(fù)使用技術(shù)，未來計(jì)劃實(shí)現(xiàn)10次以上復(fù)用，獲取成本優(yōu)勢(shì)，促使太空旅游從遙不可及的夢(mèng)想變得“觸手可及”。國外多款亞軌道飛行器已經(jīng)讓非專業(yè)人士有機(jī)會(huì)體驗(yàn)失重感，欣賞地球全貌。

▲ 我國“力鴻一號(hào)”首次亞軌道試飛成功

核心技術(shù)筑牢根基

亞軌道飛行器想要在多方面發(fā)揮重大作用，離不開關(guān)鍵技術(shù)支持。簡(jiǎn)單地說，它既要具備良好的氣動(dòng)性能，又要像入軌航天器一樣承受太空環(huán)境考驗(yàn)，跨越航空與航天的技術(shù)障礙，為此必須攻克一系列難題。

動(dòng)力系統(tǒng)是亞軌道飛行器的“心臟”，也是最關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)。亞軌道飛行器需要適應(yīng)從亞聲速到高超聲速的寬速域、從稠密大氣到稀薄大氣的變空域，單一動(dòng)力裝置難以滿足需求。

目前，亞軌道飛行器主要包括火箭和返回艙組合體、巨型飛機(jī)空射飛行器這兩種模式，代表分別是“新謝潑德”和已退役的“太空船2號(hào)”。

更進(jìn)一步，各國科研人員重點(diǎn)探索火箭基組合動(dòng)力技術(shù)，以便在不同的飛行階段切換工作模式：低速飛行時(shí)依靠吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)支持，利用氧氣燃燒，節(jié)省推進(jìn)劑；高速飛行或進(jìn)入臨近空間后，切換為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，提供強(qiáng)大推力。這種組合動(dòng)力系統(tǒng)有望保障亞軌道飛行器的必要機(jī)動(dòng)性，大幅提升航程和載荷指標(biāo)。

熱防護(hù)與材料技術(shù)是保障亞軌道飛行器安全往返的“護(hù)身鎧甲”。亞軌道飛行器返回途中，以極高速度穿越大氣層，與空氣劇烈摩擦，會(huì)產(chǎn)生數(shù)千攝氏度的高溫。同時(shí)，熱防護(hù)系統(tǒng)不能滿足于一次性使用，必須具備耐高溫、抗疲勞、易維護(hù)的特性。當(dāng)前，新型熱防護(hù)材料日益受到重視，特別是新型陶瓷基復(fù)合材料，既輕便又隔熱，可承受多次高溫環(huán)境考驗(yàn)。

而且，亞軌道飛行器的主體結(jié)構(gòu)材料有必要兼顧強(qiáng)度與輕量化性能，確保在動(dòng)力和運(yùn)力相對(duì)有限的前提下攜帶更多載荷，實(shí)現(xiàn)重復(fù)飛行。

精準(zhǔn)導(dǎo)航與控制技術(shù)是亞軌道飛行器的“大腦”，決定著飛行任務(wù)成敗。亞軌道飛行器跨越大氣層邊緣，傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在臨近空間難以持續(xù)提供精準(zhǔn)的定位支持，地面雷達(dá)的探測(cè)范圍受限，通常無法全程覆蓋其任務(wù)軌跡。這就要求亞軌道飛行器具備自主導(dǎo)航能力，通過慣性導(dǎo)航、星光導(dǎo)航等復(fù)合模式精確定位，確保飛行姿態(tài)穩(wěn)定、著陸精準(zhǔn)。

同時(shí)，亞軌道飛行器對(duì)飛行控制技術(shù)要求較高，必須充分應(yīng)對(duì)寬速域、變空域的復(fù)雜氣動(dòng)特性，借助先進(jìn)的飛控軟件，實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)，保證飛行安全。未來，人工智能技術(shù)有望幫助亞軌道飛行器控制系統(tǒng)處理海量復(fù)雜信息，迅速生成準(zhǔn)確指令，發(fā)揮更大作用。

重復(fù)使用技術(shù)是降低商業(yè)航天成本的關(guān)鍵，也是亞軌道飛行器商業(yè)化的核心支撐。為此，亞軌道飛行器需要解決回收著陸、檢測(cè)維護(hù)等一系列技術(shù)難題，較實(shí)用的方法包括群傘減速回收、氣囊輔助緩沖著陸等，還有可能嘗試水平著陸模式，降低回收難度和場(chǎng)地要求。

回收后，亞軌道飛行器需要快速完成檢測(cè)、更換磨損部件，盡快再次執(zhí)行任務(wù)。這就要求其設(shè)計(jì)做到模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，以便于后續(xù)升級(jí)迭代。

▲ 太空船2號(hào)亞軌道飛行器曾多次執(zhí)行任務(wù)

暢想“空天擺渡車”

有跡象表明，亞軌道飛行器日益成為助推航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“新引擎”。憑借獨(dú)特的空域優(yōu)勢(shì)、先進(jìn)的核心技術(shù)，亞軌道飛行器在科研、商業(yè)、空天服務(wù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，有望成為連接天地的“空天擺渡車”，深刻改變?nèi)祟愄剿骱屠锰盏男袨槟Ｊ健?/p>

在科學(xué)研究領(lǐng)域，亞軌道飛行器將成為“常態(tài)化空天實(shí)驗(yàn)室”。返回式載荷艙將支持重復(fù)使用10次以上，不僅能夠以較低代價(jià)提供持續(xù)時(shí)間300秒以上的微重力環(huán)境，未來還會(huì)具備按需求在軌駐留的潛力，構(gòu)建起“天地往返、在軌研究、樣品返回”的完整空天環(huán)境科研流程，在監(jiān)測(cè)生物特殊環(huán)境發(fā)育、太空制藥、制備高性能特種材料等任務(wù)中發(fā)揮奇效。

亞軌道飛行器還有望充當(dāng)天文觀測(cè)移動(dòng)平臺(tái)，運(yùn)行在遠(yuǎn)離大氣層干擾的臨近空間內(nèi)，彌補(bǔ)地面設(shè)施和空間望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的不足。未來，更多參與方可能會(huì)聯(lián)合建立亞軌道科研合作網(wǎng)絡(luò)，共享飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和數(shù)據(jù)，加速空天科學(xué)進(jìn)展。

在商業(yè)航天領(lǐng)域，亞軌道飛行器有潛力開啟“太空經(jīng)濟(jì)”新篇章。隨著技術(shù)成熟和成本降低，未來更多人將有機(jī)會(huì)受益于亞軌道飛行器常態(tài)化運(yùn)營，享受客運(yùn)和貨運(yùn)洲際高速服務(wù)。而私人訂制高速飛行、緊急運(yùn)輸、醫(yī)療救援等也將迎來全新的市場(chǎng)前景。

在空天服務(wù)領(lǐng)域，亞軌道飛行器有望成為一體化空天體系的重要組成部分。未來，亞軌道飛行器將與衛(wèi)星、無人機(jī)、地面設(shè)施協(xié)同工作，形成覆蓋海陸空天多維度的立體網(wǎng)絡(luò)，在導(dǎo)航、通信、氣象、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防等方面提供全方位保障。

還有部分亞軌道飛行器可能朝著大型化、長期運(yùn)行的模式進(jìn)化，充當(dāng)載人航天任務(wù)的“中轉(zhuǎn)擺渡船”和“空天倉庫”，將航天員和物資更及時(shí)、更靈活地送入軌道，或者作為航天器測(cè)試和發(fā)射任務(wù)的準(zhǔn)備平臺(tái)。

未來，隨著更多技術(shù)難題被攻克，亞軌道飛行器的應(yīng)用場(chǎng)景將進(jìn)一步拓展，包括促使各國協(xié)調(diào)完善空天飛行活動(dòng)規(guī)則，共同應(yīng)對(duì)太空垃圾、空天交通管制等全球性問題，更有望為人類探索太空、改善生活帶來新機(jī)遇。正如航天事業(yè)的每次進(jìn)步一樣，亞軌道飛行器進(jìn)化也離不開持續(xù)創(chuàng)新與探索，而它為空天飛行帶來的驚喜同樣值得期待。

來源/《中國航天報(bào)·飛天科普周刊》

文/馬杰

編輯/高辰 馬驍

審核/楊建 楊蕾

監(jiān)制/索阿娣

本文轉(zhuǎn)載自公眾微信號(hào)：中國航天報(bào)

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