浅析可重复使用运载器发展对空中交通管理的影响

(整期优先)网络出版时间:2025-01-23
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浅析可重复使用运载器发展对空中交通管理的影响

陈宇飞

  中国民航局运行监控中心运行监控处 北京 邮编:100010

摘要:近年来,随着SPACEX的猎鹰9号的发射和星舰实验的逐步开展,RLV(可重复使用运载器)在商业航天领域逐渐成为热点。Reusable Launch Vehicle (RLV):这是一个更广泛的概念,指的是任何可以多次执行发射任务的航天器,包括火箭和其他类型的发射载具。可重复使用运载器最直接的影响就是大幅降低了进入太空的成本。传统的一次性运载火箭在每次发射后即被废弃,而RLV的设计允许部分甚至全部组件多次使用。例如,SpaceX的“猎鹰”-9号火箭实现了第一级的回收和再利用,这使得单次发射的成本显著下降,进而促进了商业航天市场的繁荣。由于减少了制造新火箭的需求,加上快速周转的能力,RLV能够支持更高的发射频率。

关键词:可重复使用;运载器;发展;空中交通管理

  空中交通管理是航空的重要保障环节,其任务是确保空域内安全有序。在实际工作中,空管部门需要实时掌握区域内有无航空活动,并对航空器进行相应安排。因此,RLV的未来发展对空管工作具有重要影响。

1 主要的RLV技术及其应用

  可重复使用运载器(RLV)是:一种能够多次执行发射任务的航天器或运载工具,通过重复使用关键部件降低发射成本、提高发射效率,并推动航天技术的商业化和普及[1]。其设计形式多样,应用范围广泛,代表了未来航天技术的重要发展方向。

1.1部分可重复使用运载器

  这类运载器通常指第一级或助推级可重复使用,而其他部分仍为一次性使用。典型代表:(1)SpaceX Falcon 9(猎鹰9号):特点: 第一级火箭可重复使用,第二级为一次性使用。应用: 主要用于商业卫星发射、国际空间站补给任务(如CRS任务)以及载人航天任务(如Crew Dragon)。优势: 显著降低了发射成本,提高了发射频率。(2)SpaceX Falcon Heavy(猎鹰重型):特点: 由三个Falcon 9的第一级并联组成,其中两个侧助推器可重复使用。应用: 用于重型载荷发射,如大型卫星、深空探测器等。

1.2完全可重复使用运载器

  这类运载器的目标是实现整个飞行器的重复使用,包括火箭级和轨道级。典型代表:SpaceX Starship(星舰):特点: 完全可重复使用的两级入轨飞行器,第一级为超重型助推器(Super Heavy),第二级为星舰。应用: 计划用于载人登月、火星殖民、大型卫星发射以及深空探测任务。优势: 目标是实现完全可重复使用,大幅降低发射成本。

1.3亚轨道可重复使用飞行器

这类飞行器主要用于亚轨道飞行,通常用于太空旅游、科学实验和教育。典型代表:(1)Virgin Galactic SpaceShipTwo(太空船二号)特点: 由母船携带至高空后释放,进行亚轨道飞行。应用: 主要用于商业太空旅游,乘客可体验几分钟的微重力环境。(2)Blue Origin New Shepard(新谢泼德)  特点: 完全可重复使用的亚轨道飞行器,用于太空旅游和微重力实验。应用: 主要用于商业太空旅游,乘客可体验几分钟的微重力环境。

1.4空天飞机(水平起降可重复使用运载器)

这类飞行器采用水平起降方式,类似于传统飞机,具有更高的灵活性和重复使用能力。典型代表:(1)Boeing X-37B(波音X-37B)  特点: 美国空军的小型空天飞机,用于轨道飞行和实验。

应用: 主要用于军事和科学实验,具有高度的保密性。(2)Sierra Space Dream Chaser(追梦者) 特点: 小型空天飞机,采用水平起降方式。应用: 计划用于国际空间站补给和科学实验。

1.5未来概念型可重复使用运载器

  这类运载器目前仍处于研发或概念阶段,但代表了未来可重复使用运载器的发展方向。典型代表:(1)Blue Origin Orbital Reef(轨道礁)  特点: 计划与多家公司合作开发的可重复使用空间站。应用: 用于商业太空旅游、科学实验和微重力制造。(2)Relativity Space Terran 1(泰坦1号)特点: 使用3D打印技术制造的可重复使用火箭。应用: 计划用于小型卫星发射和商业航天任务。

这些运载器的应用涵盖了商业卫星发射、太空旅游、载人航天、深空探测以及科学实验等多个领域,显著降低了航天成本,推动了航天技术的普及和商业化。

2 对空管工作的影响分析

空管(ATC)是一项确保航空器在空中和地面运行安全、有序和高效的关键保障环节。空管人员需要掌握空域内其它用户活动,进而调整航空器航向和速度。可重复使用运载器(RLV)的发展对空管工作可能产生以下几方面的影响:

2.1空域管理复杂性增加

可重复使用运载器的频繁起降和再入操作,尤其是在垂直起降和水平起降模式下,会增加空域管理的复杂性。以猎鹰为例:猎鹰重型需要频繁进行发射和回收操作,尤其是垂直起降(VTVL)模式,这增加了空域管理的复杂性

[2]。空管需要为这些飞行器提供专门的飞行路径和安全间隔,以避免与其他航空器发生冲突。多级分离与回收:猎鹰重型在发射过程中涉及多级分离(如助推器与芯级的分离),以及助推器和芯级的回收,这些操作需要在特定空域内进行,增加了空管的协调难度。随着RLV技术的成熟,未来可能会有更多的商业和私人飞行器进入空域,进一步增加空域管理的压力。

2.2空域利用效率提升

RLV的快速部署和重复使用能力可以显著提高空域的利用效率。例如,亚轨道飞行器可以在短时间内完成发射和返回,减少了对专用发射场地的依赖,从而优化空域资源的使用。未来,空天飞机等完全可重复使用运载器可能实现从任意机场起飞并进入轨道,这将极大地提升空域的灵活性和利用率[3]。从而在一定程度上优化空域资源分配,提高空管的管理效率。

2.3成本降低带来的间接影响

国际主流的一次性火箭与以猎鹰9号(Falcon 9)为代表的可重复使用运载器在成本方面存在显著差异,主要体现在以下几个方面:

(1) 一次性火箭的成本结构

  一次性火箭的设计和制造成本较高,主要因为火箭是一次性使用,所有部件在发射后即被抛弃。其成本主要包括:制造费用:火箭的箭体结构、发动机、电子设备等部件的制造费用较高,尤其是发动机和箭体结构占据了大部分成本。发射费用:包括发射场使用、测控通信、保险等费用,通常占总成本的30%-40%。推进剂成本:虽然推进剂占火箭总质量的90%以上,但其成本相对较低,通常不超过总成本的1%。以传统一次性火箭为例,发射成本通常在数千万美元至数亿美元之间,例如:美国联合发射联盟(ULA)的“宇宙神5号”火箭发射成本约为1.2亿至1.3亿美元。中国的长征三号乙火箭发射成本约为 6,000万美元。

(2)猎鹰9号为代表的重复使用火箭的成本优势

猎鹰9号通过可重复使用技术大幅降低了发射成本,主要体现在以下几个方面:一级火箭回收:猎鹰9号的一级火箭可以垂直回收并重复使用,一级火箭的成本占整个火箭的75%左右[4]。通过回收,一级火箭的维修成本仅为300万美元,而制造新一级火箭的成本约为2750万美元。成本分摊:假设一级火箭可重复使用15次,每次发射的成本可降低21%,从6120万美元降至4830万美元15。如果一级火箭重复使用20次,总成本可节约3.4亿美元。发射频率提升:可重复使用火箭可以在短时间内完成多次发射,进一步降低单位成本。例如,SpaceX的目标是实现“一天内三次发射”。

(3)成本对比

  火箭类型:一次性火箭:发射成本,数千万至数亿美元。主要原因,火箭一次性使用,所有部件在发射后抛弃。猎鹰9号:首次发射,6120万美元,重复使用后,4830万美元,降低21%-40%。主要原因,一级火箭回收,重复使用15次以上,维修成本低,发射频率高。

尽管可重复使用火箭发展仍面临以下技术挑战:回收与维修技术,火箭在发射和回收过程中会受到高温、高压等极端环境的损伤,如何高效维修并确保安全性是关键。发射频率,可重复使用火箭的成本优势依赖于高频次发射,但目前全球发射市场尚未达到这一水平。环境影响:频繁发射可能对大气层和空间环境造成影响,需平衡航天探索与环境保护。但是未来,随着技术的进一步成熟和扩散,可重复使用火箭的成本优势将更加明显,进而带来火箭单位载荷价格进一步降低。未来,RLV可能用于各种商业航天活动,这将进一步增加空域的活跃度,并对民用航空的航线规划和空域分配提出新的要求。

3 管制工作面临的挑战

3.1飞行安全问题

从可重复使用运载器的的实际飞行过程来看:RLV的再入过程涉及高超声速飞行和复杂的轨迹控制,可能对现有空域安全构成挑战。例如,再入飞行器需要在高动态环境下精确控制轨迹,以避免对地面或其他飞行器造成威胁。此外,RLV的防热系统和结构设计需要应对严重的气动加热和高速飞行带来的风险。以星舰第四次试飞为例,S29襟翼在在再入过程中被严重烧蚀,在海上溅落时偏离了计划落点近6公里,并且再入阶段出现了多处分蜂巢式隔热瓦破损这会对空域安全管理提出了更高的要求。

从运载器的发射主体来看:以SPACEX为代表的私人航天为了提高研发和运营效率,必然追求快速迭代和敏捷开发。这样的发展策略会带来更多意想不到的风险。天兵科技的“天龙三号”火箭在进行一子级九机并联动力系统热试车时,因箭体与试车台连接处结构失效,导致火箭脱离发射台并意外升空。随后,箭上计算机主动关机,火箭坠落在距离试车台西南1.5公里的山区并解体。这是人类航天史上公开记录的第二起火箭试车脱飞事故。根据当地居民拍摄的视频来看,试车的疏散半径仅为2KM。美国航天发射采用起飞倒计时,火箭达到额定推力后才会松开钳固装置进或者引爆爆炸螺栓释放火箭。而国内之前一直采用点火倒计时,即火箭点火是就解锁,推力超过自重就自然起飞。因此两国传统火箭的箭尾设计有很大区别[5]。中国之前只有中国航天科技六院101所有系统试车台。以“天龙三号”为代表的采用多级并联方式的可回收火箭需要通过多轮静态点火实验充分验证并联可靠性。如今河南,安徽,广东和山东都有新建的商业试车台。根据《生产安全事故报告和调查处理条例》第二条:国防科研生产安全事故的报告和调查处理不适用于本条例,天兵科技此次事故缺少可以严格依据的法律,所以天兵科技的试车事故未必就是国内最后一次。

3.2航班计划调整

  在商业航天的快周转模式下,各项目如遇阻碍,发射窗口就会进行调整,进而导致航班计划调整,管制工作需根据实际空域使用情况灵活调整航班计划和航线规划。

3.3高强度发射下协同不足

目前国内已经有中国星网GW的星座计划和上海垣信的千帆星座,这两个计划都要求构建由上万颗低地球轨道(LEO)卫星组成的巨型星座。根据千帆星座计划预计于2024年发射长六甲火箭6次,组网共计108颗刀片式卫星。但受限于国内火箭运力,上海垣信预计截止2027年共计发射1296颗卫星。在不考虑更新失能或者受损的卫星的情况下,2028年到2036年要组网近1.4万颗卫星,按照一箭54星计算,需要每年发射至少28次。而2023年,中国航天共实施67次发射任务。这意味着未来几年内火箭发射频率将会极大增加。这些都在增加管制工作负荷和调配难度的同时对空管运行造成了很大的安全压力。

3.4管制人员对航天发射专业知识的缺失

现阶段管制人员对航天发射的影响范围和预计结果了解甚少。通过对空管人员进行专业培训,相关人员能够更好地了解这些技术,从而在实际工作中更好地应对各种突发空域占用情况。

4 解决方案

针对商业航天特别是可复用的运载器对管制工作可能带来的挑战,可以考虑一下解决方案。

4.1改进空域管理,提升空域管理的精细度

随着低空经济和商业航天的蓬勃发展,天空日益成为人民生活空间的一部分,现有的空域监管政策可能需要调整。例如,如何为RLV分配专用空域、如何协调RLV与其他航空器的飞行路径。

4.2构建完善的信息共享机制,定制管制计划

信息共享机制的建立能够使空管部门和各种使用空域的用户之间实现实时数据交换和沟通。通过统一的信息平台,各部门可以及时了解空域使用情况,协同优化空管决策。根据相应计划,制定灵活的管制计划,保障运行安全[6]。

4.3多方协同,技术改进升级

商业航天的生产组织涉及多个领域,多个国家,需要综合考虑其影响。航天的的发射环节要经历严格的审查,但是商业航天的生产和实验环节应该重视安全。此外由于航天发射的全球性,国际合作也可能成为关键,特别是在跨国的空域管理和飞行器再入过程中。积极进行多边交流合作,可以控制负面影响,让中国航天行稳致远。

5 展望

可重复使用运载器技术激发了商业航天的活力,能够大幅降低航天载荷价格,提高效率和安全性。同时商业航天的快速发展对空管工作具有重要影响。科技是驱动商业航天发展的动力。未来随着可重复使用运载器和星座式卫星网络的发展,空管监视的手段会更加丰富,能力会更强,进而为航空事业提供更好的支撑。

参考文献:

[1]岳盼想,李孝鹏,周文明,王小宁.可重复使用运载火箭可靠性经济性分析研究初探[J].质量与可靠性,2024,(04):36-38+43.

[2]李小平,杨敏,姚博,刘彦明,石磊,刘浩岩,李乘光.可重复使用运载火箭再入段星箭协同可靠通信技术[J].航空学报,2023,44(23):149-162.

[3]王佳南,丁沛,黄强.可重复使用火箭着陆回收机构的试验验证技术[J].中国航天,2023,(10):25-33.

[4]徐世昊,王伟,张峪浩,浦甲伦,关英姿.有约束重复使用运载器障碍变换预设时间控制[J].宇航学报,2023,44(10):1555-1563.

[5]包为民.可重复使用运载火箭技术发展综述[J].航空学报,2023,44(23):8-33+3.

[6]杨毅强.可重复使用运载火箭技术研究[J].中国航天,2022,(11):8.