未来火箭不仅带翅膀 而且更“聪明”

发布时间 : 2018-04-08     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

经常观看火箭发射的朋友可能会注意到,火箭大都是轴对称式的圆筒形状。而未来,火箭从内到外都将发生巨大变化,不仅在外形上增加翅膀,而且拥有更加“聪明”的大脑,发射方式也有所不同。
     


△长着“翅膀”的重复使用火箭概念图

 
一对“翅膀”:重复使用降成本


    现在的火箭,多是一次性运载工具。如果在火箭上增加一对翅膀,使它在将卫星等航天器送达目的地后安全返航、重新加注燃料还能再次发射,将大幅降低发射成本。
    中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”)研发中心设计师马婷婷介绍,为了降低单次发射成本,提高在国际商业航天市场上的竞争力,国内外纷纷开展重复使用火箭技术研究。
    目前,重复使用火箭与现在的火箭在外形上最大的不同是,它有一对翅膀。
    俄罗斯在2001年的第44届巴黎航展上展出了“贝加尔可重复使用运载器”的全尺寸模型。该运载器为飞机与火箭的结合体,完成任务后可返回预定机场。按照设想,它能够执行25次发射,未来或达200次。
    2009年5月,美国空军研究实验室(AFRL)开始了可重复使用助推系统(RBS)研究,它是一枚长着翅膀的火箭助推器,可以在发射后返回并着陆在发射场附近的飞机跑道上。2012年,RBS项目转为更先进的概念方案研究,也就是“实验性太空飞机”(XS-1)项目,由美国国防预先研究计划局负责。XS-1是一种可以重复使用的太空飞机,预计可在10天内发射10次,目前计划在2020年完成首飞。
    火箭院面向太空旅游需求,也正在开展重复使用运载器研究,它的外形像飞机,起飞时像火箭一样垂直起飞,返回的时候则像飞机一样水平降落,可将游客送至距地面20~100公里的空域。

 


△火箭院太空旅游项目飞行器外形


电磁发射技术:灵活 无污染

 


△重复使用火箭发射概念图


    要想让未来的火箭在短时间内实现多次发射,发射方式也需要创新。
    当前,火箭发射主要是化学发射方式,即利用化学能产生动能,它最大的弊端在于准备周期长,有的推进剂会产生污染。
    而未来,火箭有望采用一种新概念的发射技术——电磁发射技术。
    研发中心设计闻悦介绍,很多国家都曾经设想过航天电磁发射,比如美国NASA提出过MagLifter、ARTS等项目,利用电磁轨道发射飞行器入轨;德国空气动力学会提出过EMAIL项目,利用电磁轨道发射小型卫星等。

  


△电磁发射概念图


    电磁发射技术利用电磁力或电磁能将物体推进至高速或超高速,通过将电磁能转化为动能,可在短距离内将几十吨的载荷加速至高速,突破传统发射方式的速度和能量极限。
    其最大的优势在于灵活性好,准备周期短,只需将火箭安装至发射装置中的导轨上便能快速加速。此外,由于不用推进剂,火箭发射成本相对较低,发射次数越多经济性越好。在发射过程中,火箭也不会产生污染物,是一种“绿色”发射方式。
    但是,电磁发射技术距离实际应用还尚有距离,很多难题还没有完全解决,如发射中对电能的需求量非常大。此外,电磁发射装置的规模也非常庞大。
    不过,可以预见,随着科学技术的不断进步,这些难题都将陆续被破解。


“聪明”的大脑:灵活应对突发状况


    研发中心设计师李鑫介绍,随着人工智能、智能制造技术的快速发展,当前,各航天大国都在研制更加智能的航天器。美国正在开展可实现智能编队和高精度集群控制的分布式自主航天器(ADS)研究,该项目利用智能技术,力求实现多艘自动无人航天器互相通信、协调,进而编队组网,目前项目正在验证中。欧空局也已研制出用于发射人造卫星和宇宙飞船的人工智能系统Sysbrain,并将其应用到自动转移飞行器ATV-2上,该智能系统可以预测飞行器将要发生的故障并迅速找到解决方案。
    那么,智能技术又将给火箭带来怎样的变革呢?答案是,更“聪明”的大脑,更强大的计算能力,更灵巧的执行能力。
    更“聪明”的大脑体现在它具有强大的自主分析、判断与决策的能力,能够根据自身的处境,独立完成精确制导与控制,更加灵活地规划自己的飞行路线。
    在应对突发状况方面,现在的火箭都是按照预先设定好的程序指令行事,飞行过程中,万一出现异常,它只能按照预设的故障模式进行处理。假如不幸的话,火箭遭遇的刚好是一种设计师们没有预想到的故障模式,那么,它的命运就堪忧了。
    而未来的火箭将从一个事事听从指令的“乖乖宝”成长为独立自主的“有为青年”,它能够给自己“体检”,在飞行前或者飞行过程中,一旦发现设备有异常,能紧急处理,自主利用备份单元进行恢复,极大提升发射成功率,更聪明、更智能。

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