“假的”也很強，航天仿真品用處大

近日，印度空間研究組織宣布：如果天氣允許，很快將進行縮小版可重復使用運載器（RLV）的著陸測試。如果一切進展順利，印度的RLV全面測試可能會在2030年進行。

印度媒體公布的可重復使用運載器

航天是高風險的事業(yè)。為降低風險，大量航天仿真品起到了巨大的作用。利用各種縮小版、仿真版航天器，科研人員可以通過較低成本的飛行試驗，盡可能發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案存在的問題，獲取近似真實飛行環(huán)境下的試驗數(shù)據(jù)，降低全尺寸飛行器研制風險，從總體上降低航天器開發(fā)成本。

下面就讓我們一起來看看那些航天“假貨”吧！

迷你航天飛機

其實，印度的RLV就是航天器領(lǐng)域的“桂冠”——航天飛機。根據(jù)印度空間研究組織的方案，其質(zhì)量在70噸以上，總長度達30多米。早在2016年，印度就在載人航天器計劃的大框架下成功地對縮小版航天飛機進行飛行測試。這項計劃代號RLV-TD，主要目標是完成亞軌道飛行試驗，驗證航天飛機的氣動外形、防隔熱系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等的設(shè)計正確性。

按照印度媒體報道，RLV-TD計劃前后花費了5年時間，總投入僅有9.5億盧比，約合130萬美元左右，相比美國航天飛機數(shù)以億計的造價和研發(fā)成本，便宜得不可思議。從外觀來看，RLV-TD簡直就是美國航天飛機的縮小版，質(zhì)量約為1.75噸，長約6.5米，翼展約3.6米，大致相當于我們?nèi)粘ｑ{駛的SUV大小。

2016年，這架縮小版航天飛機被直接放置在S-9固體火箭頂部，進入64800米高空。釋放分離后，它持續(xù)飛行了770秒左右，最大速度達到了5.5馬赫。然而，RLV-TD最后的物理著陸是在距離發(fā)射區(qū)約450公里的模擬跑道的水面上完成的。這距離航天飛機利用自身起落架降落在機場跑道上“差了一步”。

印度媒體公布的可重復使用運載器

今年印度宣布將要進行的試驗就是要“補上這一步”。據(jù)悉，縮小版航天飛機將被吊掛在直升機下方，從3000～4000米高度釋放。之后，試驗飛行器將參照航天飛機著陸軌跡，在預定的機場跑道上利用起落架自行降落。

盡管印度雄心勃勃地發(fā)展航天飛機，但現(xiàn)役火箭推力遠不足以把超過70噸的RLV送入太空，2030年全面測試前途未卜。顯然，印度的載人航天之路將相當漫長。

迷你空天飛機

20世紀90年代，美國研制下一代航天飛機，官方名稱是無人駕駛單級入軌火箭動力可重復使用運載器，綽號“冒險星”。為降低技術(shù)風險，美國決定先行研制只有“冒險星”1/2 比例的原型機X-33。

按照美國宇航局的設(shè)想，“冒險星”起飛質(zhì)量高達1180噸，干重僅占總起飛質(zhì)量的10%，其中主結(jié)構(gòu)5%、發(fā)動機1.7%、分系統(tǒng)1.3%、有效載荷2%，如果把衛(wèi)星送入軌道，成本有望降低90%。然而，這需要在多項關(guān)鍵技術(shù)上取得突破性進展，而這些技術(shù)在全尺寸飛行器上能否展現(xiàn)出足夠的性能和可靠性，成為擺在科研人員面前的難題。

為此，美國宇航局提出先研制縮小版的X-33，為“冒險星”驗證多項關(guān)鍵技術(shù)，包括采用氣動塞式噴管發(fā)動機的升力體式構(gòu)型、輕型復合材料結(jié)構(gòu)（如氫貯箱）、防熱技術(shù)和高效率操作技術(shù)等。據(jù)悉，試驗目標之一是連續(xù)3次實現(xiàn)7天內(nèi)再次飛行，其中1次是在2天內(nèi)再次飛行。

據(jù)美國宇航局公開資料顯示，X-33機長 20.29 米（帶噴管21.73米），機高5.88米，翼展22.06米，發(fā)射質(zhì)量129.4噸，其中95.3噸是液氫液氧推進劑。它將采用垂直起飛模式，在79000米以下高度飛行1500公里，再實施機場水平降落，飛行速度將在8～13.5馬赫之間。

X-33想象圖

然而，美國宇航局明顯低估了技術(shù)難度?？s小版空天飛機在研制過程中遭遇了輕質(zhì)層狀復合材料氫燃料箱不合格、線性氣動塞式液體火箭發(fā)動機技術(shù)不達標等問題，最終于2001年3月取消計劃。不過，這架迷你空天飛機讓美國宇航局付出了13億美元試錯成本，已經(jīng)比最初預計的原型機便宜很多。

迷你飛船

當前主流的載人航天器是飛船，各國研發(fā)過程中往往利用迷你飛船開展試驗，我國也不例外。

2016年6月25日，在長征七號運載火箭首飛任務(wù)中，多用途飛船縮比返回艙被送入太空，在進行了約20個小時在軌飛行后，成功降落在內(nèi)蒙古東風著陸場。

根據(jù)新一代載人飛船發(fā)展趨勢，各國試驗的迷你飛船往往在新結(jié)構(gòu)、新材料、新用途等領(lǐng)域開展探索。比如，不同于“先輩”的球狀或鐘罩式外形，迷你飛船多呈現(xiàn)上小下大的倒錐形，改用兩艙構(gòu)型，專注于提升載人效率和空間利用率。

此外，返回艙嘗試采取金屬結(jié)構(gòu)+防熱結(jié)構(gòu)的雙層設(shè)計方案，其中防熱結(jié)構(gòu)在返回地面后可拆卸、更換，有利于重復使用。預計新一代載人飛船普遍是部分可回收型號，將節(jié)省大量運營成本。

迷你飛船不會運輸人員，而是配置氣動測量傳感器，重點監(jiān)測縮比返回艙再入大氣層過程中的表面壓力、溫度和熱流等數(shù)據(jù)，獲取氣動特性參數(shù)，為未來載人飛船返回艙的氣動外形設(shè)計收集寶貴數(shù)據(jù)。

仿真航天員

除了“假的”航天飛機、空天飛機、飛船，“假的”航天員也為航天事業(yè)做出了卓越貢獻。據(jù)公開資料顯示，我國神舟二號、神舟三號、神舟四號飛船執(zhí)行飛天任務(wù)期間，神舟八號飛船首次執(zhí)行交會對接任務(wù)中，都曾搭載過仿真航天員。

仿真航天員又叫形體假人，外貌和真人十分相似，五官俱全，有頭、軀干和四肢等部分。不過，它與服裝店的假人模特不同，本質(zhì)上是人形感知、檢測設(shè)備，安裝在座位上。其體格、質(zhì)量、姿態(tài)、質(zhì)心等與真人近似，還有人體代謝模擬裝置、擬人生理信號設(shè)備等，可以測試飛船配重效果。而在真正的航天員上天之前，仿真航天員比動物更有優(yōu)勢，畢竟其功能、體征更接近真人。

一般來講，仿真航天員滿足航天服穿脫條件，要按真實航天員的飛行狀態(tài)穿好艙內(nèi)航天服，服裝上安裝了生理信號測試盒，可以獲取心電、呼吸、體溫、血壓等模擬生理信號，實時獲取耗氧、脈搏等與真人近似的生理參數(shù)。主機數(shù)據(jù)經(jīng)采集后下傳到地面，可以考核艙內(nèi)生存環(huán)境、信號傳輸鏈路等是否正常，為下一步載人飛行進行驗證。