黃志澄
航天技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的集成技術(shù),它的發(fā)展必然要充分應(yīng)用航空技術(shù)的成果。當(dāng),由載機(jī)攜帶航天運(yùn)載器所進(jìn)行的空中發(fā)射,已成為航天技術(shù)和航空技術(shù)結(jié)合的一個熱點(diǎn)。
空中發(fā)射的重大意義
1.空中發(fā)射是降低航天運(yùn)輸費(fèi)用的途徑之一。圖示-各國主要一次性運(yùn)載火箭的運(yùn)輸費(fèi)用
從50年代到80年代中后期,各國發(fā)展航天運(yùn)載器的動力主要來自增強(qiáng)國家威望與軍事實(shí)力。此時,運(yùn)載火箭的研制主要考慮提高性能和技術(shù)水平。盡管也受到經(jīng)費(fèi)的約束,但基本上不追求經(jīng)濟(jì)效益。自80年代末以來,商業(yè)航天的比重逐步增大,航天運(yùn)輸任務(wù)的需求也不斷擴(kuò)大。為適應(yīng)這種需求,航天運(yùn)載器應(yīng)降低發(fā)射費(fèi)用、提高可靠性、安全性和任務(wù)適應(yīng)性,減小對環(huán)境的危害。下表給出了各國主要的傳統(tǒng)一次性運(yùn)載火箭的運(yùn)輸費(fèi)用。由表可見,目前的一次性運(yùn)載火箭送到地球低軌道的每公斤載荷的費(fèi)用高達(dá)3500~13300美元。只有將航天運(yùn)輸費(fèi)用比現(xiàn)在降低一到兩個量級之后,也就是每公斤載荷的費(fèi)用達(dá)到幾百美元的水平,像全球移動通信系統(tǒng)這種面向市場的航天產(chǎn)業(yè)才有真正的發(fā)展前途,開發(fā)月球資源和建設(shè)空間太陽能電站等種種設(shè)想才能變成現(xiàn)實(shí)。從這個意義上看,發(fā)展可重復(fù)使用、操作簡單和可靠性高的航天運(yùn)載器,已成為開發(fā)空間的當(dāng)務(wù)之急??罩邪l(fā)射具有較高的自主性和機(jī)動性,可在世界上任何地方進(jìn)行發(fā)射,而且不必在航天發(fā)射場周圍和火箭分離部分落區(qū)設(shè)立安全區(qū)。由于載機(jī)可在一般機(jī)場起降,從而不需要建立龐大的地面基礎(chǔ)設(shè)施,人員數(shù)量也可大為縮減,也無需花巨額資金建設(shè)道路、電力、賓館、學(xué)校和醫(yī)院等附屬設(shè)施,從而大大降低了發(fā)射費(fèi)用。
2.空中發(fā)射提供了一種較便宜的中、小型衛(wèi)星的運(yùn)載器,可以投入國際衛(wèi)星發(fā)射市場和滿足軍事上快速機(jī)動發(fā)射的需求。
由于信息革命的推動,應(yīng)用衛(wèi)星發(fā)展很快,從而使世界航天發(fā)射市場的前景十分看好。從1957年10月到1997年12月,全世界共進(jìn)行3844次成功的空間發(fā)射,入軌航天器總數(shù)為4881個。其中1054次(占27.4%)使用小衛(wèi)星運(yùn)載火箭,它們送入軌道的小衛(wèi)星約1440個(占29.5%)。這些數(shù)字表明,小衛(wèi)星運(yùn)載火箭是空間運(yùn)輸系統(tǒng)中不可輕視的重要組成部分。據(jù)權(quán)威的咨詢公司分析, 2005年到2010年,商用衛(wèi)星發(fā)射市場總量為平均每年40~60顆,地球同步軌道衛(wèi)星的發(fā)射占63%的市場份額,地球低軌道衛(wèi)星的發(fā)射占27%的市場份額,地球中軌道衛(wèi)星的發(fā)射占10%的市場份額。若加上政府衛(wèi)星和為空間站的服務(wù),可把航天發(fā)射的總量加大一倍,即平均每年發(fā)射80~120次。由于現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)和衛(wèi)星星座技術(shù)的發(fā)展,在低地球軌道衛(wèi)星的發(fā)射市場份額中,大部分為服務(wù)于全球移動通信的小衛(wèi)星星座。小型遙感衛(wèi)星及其星座也有部分市場。
世界航天發(fā)射市場正面臨激烈的競爭,除了阿里安公司、美國外,中、日、俄、烏等正努力增加世界航天發(fā)射市場的份額。據(jù)咨詢公司估計(jì),阿里安公司的市場份額將從50%下降到21%,美國"德爾它"的市場份額為17%,日本H-2A的市場份額為16%,海上發(fā)射組織、美國"宇宙神"、我國的"長征"的市場份額各占11%,俄羅斯的"質(zhì)子"號的市場份額占10%,其他新加入者占3%。對于地球低軌道小衛(wèi)星的發(fā)射,由于運(yùn)載能力較小的火箭發(fā)射費(fèi)用較高,目前主要采用運(yùn)載能力較大的火箭進(jìn)行一箭多星發(fā)射。但是空中發(fā)射有可能降低發(fā)射費(fèi)用和適于發(fā)射單個小衛(wèi)星,前景也十分看好。空中發(fā)射只要2~3天發(fā)射準(zhǔn)備時間,特別適宜于發(fā)射衛(wèi)星星座中的替換星和戰(zhàn)時發(fā)射軍用小衛(wèi)星。空中發(fā)射提供了快速、機(jī)動發(fā)射中、小型軍用通信衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星的能力,這對未來的高技術(shù)局部戰(zhàn)爭將十分重要。
3.發(fā)展空中發(fā)射火箭技術(shù),可以進(jìn)行空間作戰(zhàn)飛行器和高超音速飛行器的技術(shù)演示驗(yàn)證,對航天、航空和武器裝備的發(fā)展都有很重要的價值。圖1-"飛馬座"運(yùn)載器結(jié)構(gòu)圖
美國航天司令部在1998年4月公布了《長期規(guī)劃》,在這個長期規(guī)劃中,首次提出了空間作戰(zhàn)飛行器(SOV)的概念。SOV是一種完全重復(fù)使用的航天飛行器,可以飛到中地球軌道和地球同步軌道。它可以帶有效載荷,如衛(wèi)星和空間機(jī)動飛行器(SMV)。SMV是可以完成對敏感地區(qū)進(jìn)行監(jiān)視、對在軌衛(wèi)星進(jìn)行維修和加注燃料等多種任務(wù)的較小飛行器。對空間作戰(zhàn)飛行器的要求,關(guān)鍵是便宜和快速反應(yīng)。美國空軍航天司令部認(rèn)為,正在研制的X-33和X-34對發(fā)展SOV具有重要價值。
高超音速飛行器的軍事應(yīng)用主要包括跨大氣飛機(jī)、高超音速飛機(jī)和高超音速導(dǎo)彈等。由于它們具備高的生存能力、飛行速度和攻擊能力,將使空中作戰(zhàn)平臺提高到新水平。發(fā)展高超音速飛行器面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn),特別是在推進(jìn)技術(shù)、空氣動力學(xué)和材料與結(jié)構(gòu)等方面。地面試驗(yàn)、計(jì)算和飛行試驗(yàn)在模擬高超音速飛行方面都有各自的局限性,為了發(fā)展高超音速飛行器,需要一體化地使用這些手段。為了驗(yàn)證這些關(guān)鍵技術(shù)及它們的綜合集成,需要發(fā)展演示驗(yàn)證飛行器,空中發(fā)射火箭提供了高超音速技術(shù)的試驗(yàn)平臺。例如,可以利用空中發(fā)射的運(yùn)載器進(jìn)行高超音速沖壓發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和高超音速邊界層轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)等。
4.空中發(fā)射火箭技術(shù)也為發(fā)展空中發(fā)射的反衛(wèi)星武器打下了基礎(chǔ)。
從1978年起,美國首先研制空中發(fā)射的小型常規(guī)反衛(wèi)星武器。該武器是一種帶小型自動尋的彈頭的兩級固體導(dǎo)彈,故又稱"反衛(wèi)星導(dǎo)彈"。該導(dǎo)彈由 F-15戰(zhàn)斗機(jī)攜帶到高空發(fā)射。在第一、第二級助推器的推動下,彈頭相對速度達(dá)到約13公里/秒時,自動跟蹤目標(biāo)并與其相撞。1984年和1985年, 美國用反衛(wèi)星導(dǎo)彈進(jìn)行了5次實(shí)彈跟蹤目標(biāo)與打靶試驗(yàn)。
國外空中發(fā)射小衛(wèi)星的進(jìn)展
早在1974年,美國空軍就首次在C-5"銀河"飛機(jī)上發(fā)射了"民兵"式火箭。后來,美國、俄羅斯、烏克蘭和法國等國家都對此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究,美國軌道科學(xué)公司在這方面首先取得了突破。為了降低航天運(yùn)載器的運(yùn)輸費(fèi)用和提高其使用性能,他們在美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局的支持下,研制了"飛馬座"(Pegasus)運(yùn)載器。1990年4月5日,"飛馬座"運(yùn)載器成功地進(jìn)行了第一次試飛,并投入商業(yè)運(yùn)行,先后發(fā)射了多顆軍用衛(wèi)星和軌道科學(xué)公司Orbcomm系統(tǒng)的小衛(wèi)星。該運(yùn)載器為三級固體火箭,直徑1.3米,長15.2米,總重19000公斤。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它開始用B-52亞音速轟炸機(jī)發(fā)射,后改用L-1011運(yùn)輸機(jī),運(yùn)載器也作了改進(jìn),定名為"飛馬座"XL,其飛行程序如圖2所示。"飛馬座"XL可向低軌道發(fā)射182~454公斤有效載荷,每次發(fā)射的費(fèi)用為1400萬美元。NASA利用"飛馬座"運(yùn)載器進(jìn)行高超音速邊界層轉(zhuǎn)捩的飛行試驗(yàn),目前正準(zhǔn)備利用"飛馬座"運(yùn)載器進(jìn)行使用超音速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)的高超音速驗(yàn)證機(jī)Hyper-X的飛行試驗(yàn)。除此以外,美國空軍萊特實(shí)驗(yàn)室致力于研究在"飛馬座"運(yùn)載器上采用吸氣式發(fā)動機(jī)的研究。具體方案是第一級采用帶有固體燃料氣體發(fā)生器的空氣渦輪火箭/碳?xì)涑紱_壓發(fā)動機(jī)(SFGG ATR/HCSJ)。研究結(jié)果表明:第一級采用吸氣式發(fā)動機(jī)后,有效載荷可從454公斤提高到858公斤。
最近,俄羅斯的飛行航空公司、化學(xué)自動化設(shè)備設(shè)計(jì)局和勃羅公司等共同組建了空中發(fā)射宇航公司。根據(jù)俄政府1998年12月1日頒布的第1702號令,在國家的支持下,他們正在對能把2.5噸重的衛(wèi)星送入近地軌道的空中發(fā)射系統(tǒng)開展試驗(yàn)工作,擬從2001年開始商業(yè)發(fā)射。該系統(tǒng)將使用安124-100型的改型安124-VS飛機(jī)作為載機(jī),攜帶衛(wèi)星的兩級運(yùn)載火箭及所需的發(fā)射設(shè)備配置在載機(jī)機(jī)身內(nèi)部。火箭的第二級可重新啟動。俄羅斯擁有大量的安124-100飛機(jī),這種最大商載可達(dá)1500噸的飛機(jī)將成為空射火箭系統(tǒng)的基礎(chǔ)。圖2"飛觀座"XL運(yùn)載器空中發(fā)射程序
執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時,載機(jī)可先飛到大?;蜿懙厣峡盏娜魏蔚攸c(diǎn)。發(fā)射時,載機(jī)將在10~11公里的高度上以約700公里/小時的速度飛行,并完成急躍升機(jī)動,將運(yùn)載火箭從運(yùn)輸發(fā)射包裝容器中投出。投放后的火箭使用降落傘進(jìn)行5~6秒的自由下落,然后開啟其第一級發(fā)動機(jī)。隨后,火箭進(jìn)行調(diào)整飛向預(yù)定軌道。
該空射火箭研制之初曾準(zhǔn)備采用液氫/液化天然氣或液氫/RG-1型煤油作燃料。1999年初,空中發(fā)射公司召集俄、烏等著名火箭與航空專家對一些難題進(jìn)行了攻關(guān),并提出了一些改進(jìn)措施。其一是使用T-6航空煤油作為火箭燃料。這可簡化火箭的地面加注系統(tǒng)和液壓系統(tǒng),降低載機(jī)與加注后的火箭協(xié)同行動時發(fā)生火災(zāi)和爆炸的危險性,充分利用航空、航天在使用煤油方面的豐富經(jīng)驗(yàn),尤其是還可利用技術(shù)較為成熟的火箭發(fā)動機(jī)。由此可使研制費(fèi)用降低到1.2~1.5億美元,大大縮短了研制周期,每次發(fā)射的費(fèi)用也可降至1050萬美元,項(xiàng)目投資的回收期約為2~3年。其二是使用技術(shù)成熟的火箭發(fā)動機(jī)。第一級將采用由庫茲涅佐夫發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)局研制、曾用在N-1巨型登月火箭上的NK-33發(fā)動機(jī)。第二級使用化學(xué)自動化設(shè)計(jì)局為"聯(lián)盟"2號運(yùn)載火箭第三級而研制的RD-0124型四燃燒室發(fā)動機(jī)。采用這兩種發(fā)動機(jī)可使運(yùn)載火箭能將3噸的有效載荷送入極地軌道。其三是在發(fā)射前使載機(jī)的飛行接近于失重狀態(tài),然后從載機(jī)上投下運(yùn)載火箭。這種方式可在不對載機(jī)增加任何要求的條件下,將可投放的火箭重量增加到95~100噸。同時,要在飛行的所有階段都保證載機(jī)及乘員的安全,包括在緊急情況下取消發(fā)射并返回機(jī)場。
空射系統(tǒng)有三種方案,火箭起飛重量分別為80、90和100噸,200公里極地軌道運(yùn)載能力分別為2.0~2.2噸、2.5~2.7噸和2.8~3.0噸,系統(tǒng)研制費(fèi)用分別為1.293億、1.303億和1.313億美元,單次發(fā)射費(fèi)用分別為1010萬、1020萬和1030萬美元,但每公斤有效載荷發(fā)射費(fèi)用則隨火箭重量的增加而降低,分別為4400~4700美元、3800~4100美元和3500~3700美元。火箭的可靠性為0.99。
俄羅斯彩虹集團(tuán)也曾提出一個叫作"纖夫"的空中發(fā)射方案。它采用圖-160超音速轟炸機(jī)和液體火箭。圖-160轟炸機(jī)能在13.5公里的高度、M=1.75時發(fā)射32噸重的火箭。因此,"纖夫"的有效載荷比"飛馬座"重,可發(fā)射重量在1100公斤以下的地球低軌道衛(wèi)星。據(jù)彩虹集團(tuán)估計(jì),運(yùn)送每公斤有效載荷到低地球軌道的費(fèi)用要低2~3倍。這個方案還采用伊爾-76預(yù)警機(jī)在空中進(jìn)行測控,為發(fā)射區(qū)域、發(fā)射時間和發(fā)射方位提供了更大的選擇性,可以在15~20分鐘內(nèi)將衛(wèi)星送入地球低軌道的任何指定位置。其研制費(fèi)為1.53億美元。
重復(fù)使用航天運(yùn)載器的驗(yàn)證飛行器X-34
1994年8月5日,美國總統(tǒng)克林頓簽署了美國新的航天運(yùn)載政策。這個政策表明,航天運(yùn)載器的發(fā)展要將一次性運(yùn)載火箭和重復(fù)使用的航天運(yùn)載器結(jié)合起來。為了實(shí)現(xiàn)這個目的,美國開始研制X-33和X-34。X-33為單級入軌火箭的驗(yàn)證機(jī)(飛行馬赫數(shù)將達(dá)到13.5)。X-34為一種重復(fù)使用的空中發(fā)射系統(tǒng)。1993年到1996年,美國國防部和美國航宇局曾向一種單級入軌運(yùn)載器試驗(yàn)機(jī)--"三角快帆"試驗(yàn)機(jī)(DC-X)項(xiàng)目投資1.25億美元。這種試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了12次試飛,最高飛到3155米,驗(yàn)證了垂直起飛、快速回飛和簡化地面保障技術(shù),地面保障人員只有15人,最短再飛準(zhǔn)備時間只有26小時。X-34將在DC-X和X-33之間起到搭橋的作用。它將驗(yàn)證簡化飛行操作的方案,為研制實(shí)用型的重復(fù)使用運(yùn)載器掃清前進(jìn)道路上的重要障礙,并將使美國向?qū)崿F(xiàn)運(yùn)載器重復(fù)使用的目標(biāo)邁出重要的一步。。
X-34由軌道科學(xué)公司研制。其外形如圖3 所示,典型的著陸如圖4所示。按美國航宇局這項(xiàng)投資8500萬美元的計(jì)劃要求,X-34將總共制造3架,并將用其中的兩架進(jìn)行20多次飛行試驗(yàn)。希望該試驗(yàn)機(jī)每次飛行的成本能達(dá)到50萬美元的水平,而且最終能實(shí)現(xiàn)48小時內(nèi)重新發(fā)射。X-34在進(jìn)行典型的有動力飛行時,由L-1011帶到距起飛基地834公里的空域,然后在10公里的高度上離開載機(jī)。約5秒鐘后,發(fā)動機(jī)點(diǎn)火,試驗(yàn)機(jī)將向上飛行。150秒時,發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī),X-34繼續(xù)爬升至76公里的最高點(diǎn)。在這樣的高度上,機(jī)翼和方向舵已起不到什么作用,所以需要使用噴氣推力器來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。再入過程中,試驗(yàn)機(jī)下機(jī)身的溫度將達(dá)到1033K,而機(jī)翼和尾翼前緣以及鼻錐部分溫度將達(dá)到近1373K。試驗(yàn)機(jī)在降向跑道過程中,將使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)進(jìn)行精確導(dǎo)航修正。試驗(yàn)機(jī)的接地速度為100米/秒,在速度為85米/秒時打開減速傘,可在約2100米的距離內(nèi)停下來。L-1011隨后也將返回這條跑道,準(zhǔn)備下次試飛。圖示-X-34驗(yàn)證飛行器外形圖
X-34要試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括:自主著陸所需的自動導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制系統(tǒng)、復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)、可重復(fù)使用的復(fù)合材料推進(jìn)劑貯箱、低溫隔熱件、先進(jìn)防熱系統(tǒng)、火箭工作狀況綜合監(jiān)測系統(tǒng)和嵌裝式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。另外要驗(yàn)證的還有不斷重復(fù)使用對碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響。
X-34試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù):長度17.68米,翼展8.53米,干重7.71噸,起飛重量21.23噸,有效載荷重量181~454公斤,最大飛行高度高于76公里,最大飛行M數(shù)8,著地速度100米/秒,前緣最高溫度1373K,復(fù)飛準(zhǔn)備時間小于2 天。
X-34研制中最引人注目的是使用捷徑(Fastrac)液體火箭發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)采用液氧和煤油作為推進(jìn)劑,推力為267千牛頓,由美國航宇局馬歇爾航天飛行中心研制。捷徑發(fā)動機(jī)是自航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)研制以來美國研制的第一種液體火箭發(fā)動機(jī),雖推重比性能不很高,但它簡單、可靠、便于制造。
由于降低了渦輪泵的成本,捷徑發(fā)動機(jī)每臺的初始成本僅為現(xiàn)今同等推力火箭發(fā)動機(jī)的1/5,這主要是因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機(jī)不同,采用了商用的成熟技術(shù)和制造方法,例如,它的渦輪泵就是由一家在制造汽車和化工廠用的渦輪泵方面很有經(jīng)驗(yàn)的公司生產(chǎn)的。該發(fā)動機(jī)采用氣體發(fā)生器循環(huán)。發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)也設(shè)計(jì)得簡單,價格也便宜,閥門的開啟和關(guān)閉由飛行器的計(jì)算機(jī)來控制。它的推力和混合比是在地面校準(zhǔn)時就設(shè)定好的。另外,當(dāng)火箭發(fā)動機(jī)工作時可產(chǎn)生3311K的高溫,足以熔化任何材料。一般的火箭發(fā)動機(jī)采用對燃燒室和噴管進(jìn)行液體燃料循環(huán)的再生冷卻, 而捷徑發(fā)動機(jī)采用了燒蝕冷卻。燃燒室內(nèi)壁由帶狀的硅基復(fù)合材料組成,每次飛行后都要更換被燒蝕的燃燒室和噴管。發(fā)動機(jī)每飛行3~4次就要更換。1999年6月29日,X-34進(jìn)行了第一次試飛。
從國外發(fā)展空中發(fā)射火箭的情況來看,對于并不要求火箭重復(fù)使用來說,主要的技術(shù)關(guān)鍵是,載機(jī)和火箭的組合與分離技術(shù),以及分離過程中火箭的穩(wěn)定和姿態(tài)控制技術(shù)等。對于要求火箭重復(fù)使用的這種空中發(fā)射來說,除了上述與組合和分離有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)外,還必須突破火箭的重復(fù)使用技術(shù)。■圖示-X-34由載機(jī)帶到空中發(fā)射,完成飛行任務(wù)后自主返回著陸。