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美国可复用运载器现行方案概况

来源:中国航天2004年第5期 责编:ldzldz 作者:江绍东 韩鸿硕 时间:2009-04-11

美国近期的可复用运载器(RLV)方案包括由各公司为美国航宇局相关计划提出的各种实用飞行器方案(如基斯特勒宇航公司的K-1、凯利空间与技术公司的“宇宙航班”、先锋火箭飞机公司的“探路者”、旋转火箭公司的“罗坦”、通天有限公司的SA-1、波音公司的两级入轨运载器、诺斯罗普·格鲁曼/轨道科学公司的“太空的士”、通用太空航线公司的“太空飞船”以及机组转移飞行器(CTV)与机组救生飞行器(CRV))、由美国航宇局负责的X系列试验飞行器和最新提出的“机组探测飞行器”方案以及一些军用可复用运载器方案。但其中绝大多数方案已成为历史。下面我们选取了几种正在研究的主要方案加以介绍。
 

    K-1

  K-1是基斯特勒宇航公司正在研发的垂直起飞、两级入轨不载人完全可复用运载器。运载器全长36.9米,直径6.7米,起飞质量382.3吨,动力装置为俄罗斯设计的NK-33/43液氧/煤油发动机,可重复使用100次。K-1的第一级与第二级在起飞10分钟之后分离。第一级可利用自身动力返回发射场,并利用降落伞和气囊着陆,而第二级则将入轨并释放有效载荷,留轨24小时后返回再入,并同样利用降落伞和气囊着陆。回收后的两级经维修后,9天内便可进行下次发射。K-1可水平组装和运输,由轮式机动发射车在发射台上起竖。它将在澳大利亚的伍默拉发射场进行发射,主要完成低地圆轨道任务,低地轨道运载能力为5.7吨,地球同步转移轨道运载能力为1.57吨,火星交会轨道运载能力为1吨。预计未来发射价格为每公斤3000美元,平均每次发射费用约1700万美元。K-1运载系统的设计包含了很多会直接有益于未来运载系统发展的特有技术,如综合运载器状态管理系统(IVHMS)、先进测试与控制系统和完全自主的制导、导航与控制系统(GNC)。K-1还将验证可复用运载器的关键技术,包括推进剂增稠技术、新型降落伞加气囊着陆系统、先进结构与材料、防热系统和宇航电子技术等。

  K-1项目发起于1993年,后成为美国航宇局“航天发射计划”(SLI)的资助项目,1995年9月完成第一阶段的初步设计,1996年完成第二阶段研究与试验,目前正在进行第三阶段研究与试验。第三阶段将完成详细设计,并进行飞行试验。第一批将生产5枚。到2003年,基斯特勒公司已经在发动机和降落伞着陆等方面进行了广泛试验,而且第一枚K-1火箭的建造工作也已完成75%左右。

  基斯特勒公司通过2003年下半年的游说及请美国航宇局官员考察,终于在2004年2月初争取到了2.274亿美元的经费,其中1.732亿美元用于飞行验证,剩下的5420万美元用于K-1首次发射前的研制活动。在布什政府宣布新的航天计划后,美国航宇局在2004年2月公布的2005财年预算中,就请求了1000万美元作为国际空间站补充发射系统的飞行验证资金。基斯特勒公司原来在SLI计划下争取到的合同有效期是至2005年底,其间美国航宇局将向基斯特勒公司购买K-1自主式对接验证的飞行数据。目前,K-1的各个部件都在制造与测试中。

  K-1要实现首次试飞共需要约4.5亿美元的经费,目前仍有数亿美元的缺口。开发商基斯特勒公司曾于2003年7月一度寻求破产保护,而且还历经美国在可复用运载器计划方面的重大调整与变故。该公司曾为K-1谋到SLI计划下135亿美元的资金,最近又在新预算中争取到2.274亿美元的投入。该公司虽曾申请破产保护,但很快改组成功,还击败波音、洛马、安德鲁航天技术公司和星座服务国际有限公司(它们的合同都已于2004年2月1日终止),成为国际空间站货运补给飞行器的唯一开发商。由此可见,基斯特勒公司具有顽强的生命力,而其中更深刻的原因也在于美国航宇局需要K-1。该局想在2006财年前得到新的自主交会对接操作技术及其它技术数据,而目前除基斯特勒公司外,在美国市场上还没有其它运载系统开发商能提供这些数据。另外,布什政府已宣布航天飞机将在2010年退役,而航天飞机在服役期内每年的飞行次数只有5次,同俄罗斯的货运飞船合同到2006年也将到期,其间新飞行器还没有诞生,因此国际空间站在很大程度上要依赖补充货运系统。而K-1具备为该站一次送去约3吨并运回0.9吨货物的运输能力,是最合适的选择。

  机组探测飞行器

  当人们还都在关注“轨道航天飞机”(OSP)时,美国总统布什在2004年1月14日宣布了美国新的航天计划,提出了“机组探测飞行器”(CEV)多功能载人航天器的设想。

  CEV将肩负两类任务,即将宇航员送往空间站和将宇航员送到地球轨道之外。CEV将在OSP和“下一代运载技术”(NGLT)计划的基础上进行。美国航宇局已在2004年2月17日宣布了终止OSP研究的决定。CEV的研发费用将达150亿美元之多。为了集中力量研制CEV,布什政府的2005年预算提议:在未来5年内,逐步停止或转移先前划拨给现行项目的资金,可逐步划转59亿美元。这些项目包括OSP、NGLT及其它开发可复用运载器技术的计划。所提出的运载系统研制预算经费见表1,其中绝大部分用于研制CEV,未来5年研制经费将达66亿美元。

  2010年后的研制经费主要来源于3架航天飞机退役后所节省的维护和使用费用,平均每年30多亿美元。研制CEV的计划又称“星座项目”,由美国航宇局探测系统办公室负责。目前CEV的技术要求正在制订,将在今夏制订完成。CEV计划在2008年进行首次飞行试验,2014年前执行首次载人飞行任务。

  CEV是在总结美国二三十年来航天活动的基础上提出来的,有着深刻的政治与历史背景。它将再次承载美国人的精神情结,因此将会受到强烈关注,前景看好。但也有人提醒要防止“一机多用”的CEV在设计上走入歧途。

  空间作战飞行器

  “空间作战飞行器”(SOV)是一种能够快速发射的可复用运载器,可将上面级送入低地轨道或仅使上面级达到亚轨道速度。它是“军用航天飞机”(MSP)系列中的主要飞行器。作为多功能航天发射、操作、侦察和作战平台,它不仅可以进行天地往返运输和维修卫星等空间系统,还可以摧毁敌方空间系统,拦截弹道导弹和对地球上的目标进行精确打击。它的上面级可以是可重复使用的“空间机动飞行器”(SMV),也可以是一次性使用的“通用空天飞行器”(CAV)、“模块插入级”(MIS)和“轨道转移飞行器”(OTV)。它可以直接发射CAV,形成远程对地攻击能力。与远程弹道式导弹相比,由于能返回并重复使用,它可以节省费用。这种具有应急发射能力的可复用运载器还可发射激光武器、遥感系统和卫星等有效载荷。此外,它将上面级送入轨道后,还具有留轨待命和轨道机动能力。它的远期目标是单级入轨,而近期目标是两级入轨。目前,SOV正在进行作战任务确定和发展路径规划研究,美国空军还在进行关键技术研究。美国空军航天司令部计划2008年正式启动SOV的研制活动,并在2014年进行首飞试验。美国航宇局可复用运载器计划及X-43等高超声速飞行器计划将支持SOV入轨技术的发展研究。同时,X-40AH和X-37等计划也在支持SOV在轨控制、再入飞行和着陆等相关关键技术的演示验证研究。

  美国空军也正在寻求全球快速打击和应急航天发射能力。2004年2月美国空军公布的“美国空军转型飞行计划”称,SOV作为长期计划,将于2015年之后部署。因此,SOV的前景是不言而喻的。

  X-37

  X-37是一种轨道与再入环境技术无人验证飞行器,采用全复合材料机体结构,长约8.4米,翼展约4.6米,发射质量约5吨。它分为两个试验飞行器,即“进场与着陆试验飞行器”(ALTV)和“轨道飞行器”(OV)。前者将主要验证进场、着陆和再飞操作性能,另外还将验证综合飞行操作控制中心、靶场和飞行器飞行试验操作以及气动稳定性和结构完整性。这种试验飞行器将由B-52飞机在14公里的高空投放。它将从2004年夏开始进行5次飞行试验。在ALTV的基础上,OV将在上升、入轨、再入和着陆阶段的相关环境中试验关键技术,包括推进,先进制导、导航与控制,防热系统,电子设备,高温结构,共形可复用绝热和高温密封件。另外,OV将验证自主轨道飞行技术,设计留轨操作时间达9个月之久。OV飞行试验定于2006年夏进行。

  2002年11月,波音公司从美国航宇局马歇尔航天飞行中心获得3.01亿美元的合同,以研制用于进行一系列进场着陆试验的ALTV和用于进行一次轨道飞行试验的OV。2003年7月,ALTV在加州亨廷顿比奇顺利完成了结构试验,目前正在加州帕姆代尔的总装厂房总装,为2004年的飞行试验做准备。

  X-37计划由美国航宇局和空军于1998年以1.73亿美元的投资启动,但2002年空军退出。后来美国航宇局曾一度将其作为OSP的技术验证飞行器。目前的经费不足以支撑OV的飞行试验,而美国航宇局也将集中力量研制CEV,因此X-37计划的前景并不乐观。

  空间机动飞行器/X-40A

  美国空军研究实验室的“空间机动飞行器”(SMV)是一种小型有动力航天飞行器技术验证器,其最终实用型号可能将是一种能像卫星一样承载各种有效载荷的两级入轨飞行器。SMV计划由空军研究实验室的军用航天飞机办公室负责管理。它的设计留轨时间约为1年。它尺寸小,具有变换轨道倾角与高度的能力,可根据战术或地理遥感覆盖要求改变部署位置。由于其有效载荷具有可互换性,SMV适于执行多类任务,如战术侦察、填补卫星星座空缺、快速部署SMV编队、空间物体识别与监视和天基系统保护。它将采用低风险的分系统组件和技术,以实现飞机式的操作和可靠性。

  实用型SMV的主要特点可能包括:544公斤的遥感器或有效载荷;不到72小时的再飞时间;1年的留轨时间;能从轨道上快速召回;3公里/秒的机动用轨道速度变化。

  SMV计划分为三个阶段,目前处于第一阶段,其成果就是由波音鬼怪工程公司研制的X-40A试验机。X-40A是SMV的90%缩比试验机,长约6.7米,重约1134公斤,采用石墨环氧及铝制结构,由运载火箭发射升空。空间任务结束后,它依赖GPS返回大气层,再通过自动着陆系统安全降落在混凝土跑道上。X-40A名为SMV的试验飞行器,实际上基本上是作为X-37的前身而参与后者的试验。它只在1998年8月进行过一次SMV滑翔试验,而参与X-37项目的投放试验至2002年已有7次。X-40A形似X-37,但尺寸仅为X-37的80%,没有X-37所用的先进防热系统,其目的是研究大气层内的低速飞行气动特性。目前该计划已完成一次验证自主控制与着陆能力的直升机投放试验,并设计制造了一个全尺寸SMV中央机身和已通过结构试验的机翼传载翼箱。后两个阶段还有赖于空军的投资,试验飞行器代号可能是X-40B与X-40C。

  2004年2月美国空军公布的“美国空军转型飞行计划”称,SMV作为长期计划,将于2015年之后部署。由于有军方需求的大背景,又是长远计划,它的后续投资与发展一般不会中断。

    通用空天飞行器/X-41和模块插入级/X-42

  通用航空航天飞行器(CAV)是一种高超声速飞行器,带有精确制导的非核战斗部,主要用于远程对地攻击,可用弹道式导弹发射。X-41是CAV的试验飞行器。模块插入级(MIS)是一种一次性使用上面级,主要用于发射低地轨道和中地轨道的卫星。X-42是MIS的试验飞行器。

  X-41和X-42都是美国空军的保密研究项目。美国空军对这两个项目的解释是:X-41是一个机动再入试验飞行器,可由弹道导弹、飞机或航天飞机部署,可能的有效载荷包括一个450公斤的侵彻战斗部、4枚小直径炸弹或6枚微型导弹。它将在再入大气层时在大气层内将所携载荷放出。X-42则是一个试验性的一次性液体火箭上面级,可将900~1800公斤的有效载荷送入轨道。

  SMV只能将卫星或武器带到160~320公里之间的低地轨道,如果轨道更高,则不能将其回收。它的这一缺陷正好可由X-41和X-42来弥补。X-41是一种试验型的机动可回收飞行器,能装载各式各样的物品,并能将其发射到大气层中;X-42能将有效载荷从低地轨道发射到数千公里的更高轨道上。

  X-43

  “国家空天飞机”(NASP)计划取消后,美国航宇局和空军分别实施了各自的吸气式超燃冲压发动机技术验证计划,所开发的技术将用于从8马赫的导弹到25马赫的空天飞机等各种高超声速飞行器。验证飞行器称为X-43,其中美国航宇局的计划称为“高超”X,主要验证氢燃料超燃冲压发动机技术;空军的计划称为“高超技术”(HyTech),主要验证烃燃料超燃冲压发动机技术。后来这一计划被纳入美国航宇局的NGLT计划中。X-43系列包括X-43A、X-43C、X-43B、X-43D和大比例重复使用验证器(LSRD)。

  X-43A将利用气态氢燃料验证在7马赫和10马赫条件下的有动力和无动力飞行。该验证器为楔形,长3.65米,宽1.5米,重1360公斤。前机身为进气道,后部为排气装置。它装在由“飞马座”XL空射火箭改进的发射装置上,由B-52飞机携带到高空投放。它将由“飞马座”火箭带到29公里的高空,再利用自身动力飞行,最后溅落在海上。X-43A在7马赫下的第一次飞行于2001年6月2日进行,但不幸失败。运载火箭在与B-52载机分离后偏离了飞行路线。据最新报道,在一再推迟后,7马赫下的第二次飞行试验已在2004年3月进行,而10马赫下的飞行试验则将会继续推迟。

  X-43C是使用烃燃料超燃冲压推进系统的验证器,将验证从5马赫加速到7马赫时的自由飞行性能和超燃冲压发动机的性能。它由美国航宇局和空军联合研制,发动机设计以空军“高超技术”计划的技术为基础。它将用自身燃料(JP-8)冷却超燃冲压发动机。验证器长4.87米。

  X-43C项目于2001年启动,将持续至2009财年,耗资1.5亿美元。目前该项目已进入概念设计阶段,其地面验证发动机已于2003年7月成功进行了地面试验。据报道,X-43C将在2003~2005年之间完成设计与建造,并于2007年进行飞行试验。

  X-43B为可复用组合循环飞行验证器(RCCFD),将验证由亚声速飞行到完全超燃冲压工作的所有推进模式。该飞行器要大到足以依靠组合循环动力从0.7马赫加速到7马赫,长度约为10.7~13.7米。X-43B要在地面和利用X-43A及X-43C进行各种发动机试验后,才能决定是采用火箭基还是采用涡轮基发动机循环。

  X-43B将采用空中发射方式,并采用烃燃料。它也将是第一个完全可复用的高超声速验证器。目前,X-43B的初步可行性论证已经结束,正在开发用于高速推进系统的小尺寸(直径0.48~0.56米)和中尺寸(直径0.64~0.89米)的涡轮双模超燃冲压和火箭基组合循环发动机。2003年秋季开始进入第一个设计成熟化阶段,系统设计评审可能在2005年进行,而首次飞行试验计划于2010年进行。

  X-43D是高超声速(高于15马赫)液氢燃料超燃冲压发动机验证器,目前尚处于方案论证阶段。该飞行器长约7.3米,将进行双模态氢燃料超燃冲压发动机试验。

  大比例重复使用验证器是一个近于全尺寸的高超声速超燃冲压发动机技术验证器。它具有与2025年实用型飞行器同样的结构体系,而且能在所有吸气式推进速度范围内工作。该飞行器将在2010年前后进行方案选择,2016年进行首次飞行。

  X-43所开发验证的高超声速关键技术是美国未来自由进入空间的基础,将支撑美国航宇局未来运载器的发展目标,因此即使NGLT计划的资金将逐步转给CEV计划,X-43也应不会受到冷落。

   猎 鹰

  “猎鹰”是正由空间探索技术(SpaceX)公司建造的两级部分可复用运载器,采用液氧和RP-1煤油推进剂,分为标准型的“猎鹰”1和大型的“猎鹰”5。“猎鹰”1直径1.7米,长21.3米,有效载荷能力(200公里,28度倾角)为670公斤;“猎鹰”5直径3.4米,长29米,有效载荷能力4200公斤。“猎鹰”1的两级每级只有1台发动机。“猎鹰”5的第一级有5台发动机,但即使有3台失效,发射也有可能取得成功。火箭第一级可利用降落伞在海上回收,因而可降低发射成本。

  2003年8月,空间探索公司完成了“猎鹰”火箭主发动机和上面级发动机的热试车。2004年年中将在范登堡空军基地进行“猎鹰”1火箭的首次发射。这次发射将携带美国国防部的“战术卫星”1通信卫星。“猎鹰”5的首次发射可能在2005年年中进行。

  据预测,“猎鹰”火箭未来的市场份额40%来自美国政府,40%来自其它国家政府,剩下的20%来自商业部门。目前“猎鹰”1和“猎鹰”5的发射报价分别为600万和1200万美元,另加不很高的发射场费用。□