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航空航天飞机
    日期:2011年11月30日    字体:【】【】【
  人类进入太空以来,至今面临的一个严重问题,仍然是航天费用太高。随着航天活动日益频繁,航天费用将成比例地增加,特别是大型空间站建成以后,为了大规模开发和利用太空资源,向空间站运送器材、物资、航天员和他们需要的生活用品等,将达到一年十几次,甚至数十次。如果仍旧采用传统的一次性使用的运载火箭,每次发射需花费数千万美元,年发射费将达到数十亿美元。

  上世纪70年代,美国研制航天飞机的本意,就是为了大幅度降低航天发射费用,但是事与愿违,自从航天飞机投入使用以来,它的发射费用并不比运载火箭便宜。

  研究这里面的原因,一是航天飞机并不能做到完全重复使用,它的巨大的推进剂贮箱白白扔掉了;二是航天飞机垂直发射,需要大推力火箭发动机、专用发射台和复杂的发射勤务保障;三是航天飞机运载能力有余而货舱容积不足,常常不能满载(29.5吨)飞行。

  为了寻求经济的、有效的往返于天地之间的运输系统,以取代昂贵的运载火箭和航天飞机,英国、美国、德国和日本等国都纷纷提出一种研制航空航天飞机的计划。

  航空航天飞机简称空天飞机。顾名思义就知道,它是一种既能在大气层内航行,又能在大气外航行的飞行器。在大气层内飞行时,它像一架高超音速飞机,能在1小时内从欧洲飞到澳大利亚,在两小时内从华盛顿飞抵东京;在执行航天任务时,它能把数吨重的有效载荷送入近地轨道,然后返回地面。据估计,每次发射费用将降低到目前的运载火箭和航天飞机发射费用的1/5~1/10。

  空天飞机的发射费用能大幅度降低,其中的奥妙主要在于它尽量利用大气层中的氧来助燃,减少飞机上自带的氧化剂,这样就能减轻航天飞机的结构重量和起飞重量。例如,拿发射同样重量的有效载荷来说,空天飞机的起飞重量只需要航天飞机的1/5~1/3。

  为了利用空气中的氧,空天飞机就必须使用航空用的吸气式发动机,吸取空气与燃料燃烧,产生推力。但是到了太空以后,吸气式发动机就无能为力了,这时就只能依靠自带燃料和氧化剂的火箭发动机来推进。

  所以,空天飞机的第一个特点是它既要有吸气式发动机,又要带火箭发动机。最好的方法是研制一种既有吸气发动机,又有火箭发动机这样两种功能的复合发动机。

  研制什么样的吸气式发动机或吸气、火箭双功能复合发动机,是发展空天飞机面临的最大课题。发动机专家们为此绞尽脑汁,提出许多方案。其中最理想的是英国“霍托尔”空天飞机的发动机方案。它带有一套空气液化装置,利用飞机上携带的液氢燃料的低温,将吸入的空气制冷液化,并分离出液态氧,输入火箭发动机与液氢燃料。飞出大气层后,由自带的氧化剂助燃。这个方案原理简单,令人神往,但是工程上能否实现,还是个谜。

  美国研究的“国家航空航天飞机”的发动机方案是组合式超音速冲压发动机,它能从飞行速度为零时开始工作,一直到速度达到25倍音速。但是这种发动机技术难度大,美国从上世纪50年代末就开始研究,至今还没有取得成功。

  空天飞机的第二个特点是完全重复使用,除了在航行中必须消耗的推进剂以外,没有其他任何抛弃部分;第三个特点是水平起飞,水平着陆,可以充分利用普通机场,而不必兴建专门的发射场和配置复杂的发射保障设施。这两个特点,都可以使空天飞机的发射费用进一步降低。

  目前设想的空天飞机方案有单级的和二级的两种。

  英国的“霍托尔”是典型的单级空天飞机。猛一看外形图,会以为它是一架“协和号”超音速喷气客机,它的尺寸、重量都和“协和号”客机差不多。机身长62米,最大直径5.7米,看上去十分细长,机身前后各有一对三角翼,后翼较宽,宽度为19.7米,起飞重量约为200吨。

  “霍托尔”的前部是一个很长的液氢箱,中间是放卫星的货舱,舱长7米,直径4.6米,可载7吨货物,货舱后面是液氧箱,机尾有氢氧火箭发动机。

  “霍托尔”是第一架按单级推进,达到第一宇宙速度,进入环地轨道要求设计的飞行器,一旦发射成功,将在航天史上写下新的一页。

  美国的国家航空航天飞机“东方快车”也是单级的空天飞机。

  由于研制吸气、火箭双功能复合发动机的难度很大,德国提出一种将吸气式发动机和火箭发动机分开使用的“桑格尔”二级空天飞机的方案。“桑格尔”空天飞机的第一级是一架大型超音速飞机,使用吸气式发动机,起飞重量约为300吨;第二级是一架小型航天飞机,使用火箭发动机。第一级驮着第二级从普通机场起飞,至35千米高空,速度达到6倍音速。这时第二级发动机点火,并且与第一级分离,继续加速飞行,直到进入环绕地球运行的轨道。空天飞机的第一级和第二级在它们完成各自的使命以后,都可以返回机场,经过维修以后重复使用。

  空天飞机不仅可以作为天地间往返的运输工具,而且具有潜在的军用价值。它有广泛的军事用途;它既有洲际弹道导弹的快速反应能力,又有轰炸机的机动性和可靠性;既可以在大气层内飞行,也可在太空轨道上变轨运行,对方很难瞄准和击落它,因此很适合用来作为战略侦察机、轰炸机和远程截击机。正是因为有这些优点,美国的“东方快车”计划主要由国防部负责和拨给经费。

  但是,在空天飞机发展的道路上,存在着两道难关:一是技术难度大;二是研制费用高。

  技术难题方面,除了前面说到的发动机以外,还有空天飞机的机翼、机身和发动机一体化空气动力学的设计问题,有防热结构和耐高温材料问题,以及高度自动化和人工智能化的飞行控制系统等问题,这些都是很不容易解决的。

  空天飞机每次发射的费用虽然不大,但是研制费用十分可观。据估计,无论是“霍托尔”,还是“桑格尔”,均需数百亿美元。例如,“东方快车”第一阶段,投资30亿美元,仅仅能完成试验机。与一次使用的运载火箭相比,空天飞机在经济上究竟是否合算,应把研制费和飞机使用寿命期限内的全部发射费加在一起来进行比较。如果每年的航天发射次数很少的话,空天飞机并不合算。

  由于研制空天飞机难点多、投资高、风险大,各国在发展中都采取慎重的态度,结合本国国情,反复研究论证,注重预先研究,而不轻易上马研制。估计空天飞机最早也要到本世纪二十年代才能投入使用。

  然而,从技术上来说,空天飞机代表了新的发展方向,它进一步把航空航天两大技术紧密结合,创造出新一代的天地往返运输系统。21世纪初空天飞机的出现,将标志着人类航天事业的发展又到达一个新的里程碑。(朱毅麟)

  来源:《太空探索》

  
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