中國公開新型空天飛行器計劃，取名為「騰雲工程」

科技 06-12

小火箭出品

本文作者：邢強博士

在2017年的全球航天探索大會上，小火箭有幸目睹了中國可重複使用運載火箭方案首次向全世界公開的場景。在此感謝國際宇航聯合會，感謝中國宇航學會。同時，小火箭也見證了中國正式對外公開「騰雲工程」的過程。

中國航天科工集團的「騰雲工程」的主要目標是：

在2030年之前，設計並製造完成中國首架可水平起飛、水平著陸並且可以多次重複使用的空天往返飛行器。

上圖為在「騰雲工程」發布現場展示的中國空天飛行器模型。攝影：小火箭

空天飛行器能夠以高效、便捷和靈活的方式連接太空與地面，是今後航空航天領域的研究熱點。

「騰雲工程」中的這款空天飛行器，其起飛重量在100噸至150噸之間。整個飛行器系統由在大氣層內飛行，當做空天往返飛行器載機的較大的飛行器和空天往返飛行器組成。

載機以背馱的方式，帶著空天飛行器一起，從機場水平起飛，然後爬升到3萬至4萬米的高空。然後，載機與空天飛行器分離。載機返航，水平著陸於機場。空天飛行器則啟動發動機，繼續向上爬升，到達入軌速度後，進入指定的近地軌道，在太空中繞地球轉動。等完成既定任務後，空天飛行器再入大氣層，自主著陸在指定機場。

雖然從外形上來看，「騰雲工程」中的空天飛行器與X-37B有些類似，但是，從發射方式與整個系統的構成上來看，騰雲工程中的空天飛行器擁有不藉助火箭而單獨依靠系統的載機水平起飛的能力，更加符合人們對未來空天飛行器的期望。（水平起飛的方式能夠讓人們像乘坐民航客機那樣起飛，而不必經受火箭騰空的較大過載。）

X-37B安放在巨大的整流罩中，由宇宙神V運載火箭送入太空。

而騰雲工程中的空天飛行器將擁有水平搭載起飛的能力。

在實施「騰雲工程」的過程中，中國工程師需要掌握吸氣式發動機與火箭發動機的組合技術、飛行器氣動與動力整體多學科優化技術、再入飛行器防熱設計、再入過程多約束制導控制演算法等多項關鍵技術。（其中，有關空天飛行器的再入防熱技術，詳見小火箭的公號文章《小火箭聊導彈飛船與高超聲速飛行器的熱防護》）

說起飛船和空天飛行器的再入防熱，小火箭覺得不得不提的就是艾倫博士這個人。他首次提出了鈍頭再入體的概念。以往，人們認為越尖的物體越能「披荊斬棘」，撕開激波。而艾倫通過計算，指出：在正激波之後，氣流不能快速擴散，成了一個阻礙熱量繼續傳導的墊子，起到了防護飛船的作用，反而更加利於再入飛行器的熱防護。上圖為1957年12月31日，艾倫博士向其他工程師講述鈍頭再入原理的場景。注意黑板上的公式：再入飛行器的熱流與其阻力係數成反比，阻力係數越大，熱流越小。

這是阿波羅登月飛船的指令艙圖紙，可以看到鈍鈍的飛船底部形狀。

蘇聯對燒蝕材料的研究走了另外的路線：他們更喜歡用石棉。早期的聯盟飛船的防熱大底和側壁上，大量應用了玻璃纖維-石棉結構，後來加入了酚醛樹脂/聚四氟乙烯材料。上圖為剛剛返回地面的聯盟TMA-13飛船返回艙，注意其燒蝕情況。

說了美國和蘇聯/俄羅斯的飛船防熱設計，那中國的呢？小火箭可以說一下么？我覺得乾脆在本文詳細說一下吧！

中國的神舟飛船是中國迄今為止唯一一款載人飛船。雖然外形看起來和蘇聯聯盟飛船很相似，不過實際上，神舟飛船的熱防護材料還是比較先進的。上圖為神舟1號返回艙實物近照，邢強拍攝。

神舟1飛船的側壁特寫，邢強拍攝。神舟飛船的側壁燒蝕材料由酚醛微球空心材料、玻璃微球空心材料和玻璃纖維增強材料組成。這些材料以特定的配比填充到玻璃鋼蜂窩結構中，共同構成了飛船的燒蝕側壁。

多種微球在基材中分布，共同構成了神舟飛船的燒蝕層。這個有點像粽子，糯米相當於基材，紅豆、紅棗相當於玻璃、酚醛微球。邢強攝於2017年5月17日。

實際上，神舟飛船的防熱設計還有更多有趣的細節。聯盟飛船、阿波羅飛船時代，飛船防熱系統的安全係數給得太高，有些偏保守了。而到了現代，通過計算和優化，完全可以做出更輕的燒蝕層，同時還能保證宇航員的安全。神舟飛船的燒蝕層的優化精細到了什麼程度呢？

小火箭答：又管用又輕，而且「迎風面」和「背風面」用了不同配比的材料。（感覺像是在給神舟飛船做廣告。）

為了給小火箭的好友們一個直觀印象，小火箭認為只展示神舟1號飛船是不夠的，於是我又把神舟11號飛船的返回艙的近照放上來了。上圖為我拍攝的神舟11號飛船返回艙的「迎風面」。

詳細來說，蘇聯聯盟飛船的熱防護的安全餘量最大，但是也最重，其比重為1.58，是比水還要沉的。阿波羅飛船放寬了一些安全餘量，用了輕質材料，其比重為0.55。（聯盟飛船的熱防護層的密度是阿波羅飛船的2.87倍。）而神舟飛船是這樣做的：在防熱大底和飛船側壁的「迎風面」，用比較耐熱且密度較大的材料（比重為0.711），在不是那麼燙的「背風面」，用密度較小的材料（比重為0.54）。

大膽採用輕質材料讓神舟飛船的載荷比優於聯盟飛船。僅從防熱材料來看，即使是迎風面的厚實材料，其比重也只是聯盟飛船的45%，在輕質的背風面，其比重更僅僅是聯盟飛船的34.8%。上圖為小火箭拍攝的神舟11號飛船返回艙的背風面。其凹陷和裂紋展示了這種輕質材料的酥軟一面，不過不用擔心，裡面的艙壁還是蠻結實的。仔細比對上圖和上上圖，小火箭覺得大家已經能夠看出兩種採用不同配方的材料的區別了。

這是飛船防熱大底在實驗室中進行測試的場景。

那麼，空天飛行器在再入大氣層的時候，會面臨怎樣的高溫考驗呢？

小火箭先說結論：機頭和機翼前緣部分區域的溫度高達1650℃。

當然，直接使用別人的計算結果並不是小火箭的風格，我覺得還是自己算一下比較靠譜。小火箭用用小火箭計算中心計算了7天（算上前後處理，斷斷續續用了2個月的時間），終於得出了結果。現在在這裡分享給所有小火箭好友，希望大家能夠喜歡：（為避免引起非技術領域的不必要的麻煩，我對飛行器的氣動結構做了一定的修改，計算所用的飛行器非現有型號。）