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巡天遥看万千河——俄罗斯的空天飞机规划(组图)

http://jczs.sina.com.cn 2004年04月05日 10:00 《环球飞行》杂志

  前苏联和现在的俄罗斯是航天大国,在世界航天领域占有举足轻重的地位,在航天史上曾写下过辉煌的篇章。曾几何时,昙花一现的“暴风雪”号航天飞机不得不静静地躺在公园中成为人们观赏的工具。但是,俄罗斯研制“多用途航空航天系统”(MAKS)的思想并没有放弃,“螺旋”计划和“暴风雪”号航天飞机升空并没有白费,它使设计者积累了丰富的经验,也为研制MAKS系统奠定了坚实的基础。现在,俄罗斯又提出了更加超前的新型空天飞机的研制构想。

  空天飞机或称“有翼航天器”不仅仅在俄罗斯,也在世界主要航天国家中得到过发展。在所有的空天飞机计划中只有俄罗斯的MAKS计划最为现实,而新提出的空天飞机构想也有极大的实现可能。同时,俄罗斯也拥有足够的技术储备,唯一缺乏的是资金保障。


“暴风雪号”航天飞机

  从“螺旋”计划到“暴风雪”航天飞机

  有翼航天器的先锋当属60年代初在著名工程师洛吉诺洛金斯基领导下研制的“50-50计划”,也称“螺旋”计划。1962年,米高扬领导的第155设计局根据科罗廖夫下达的任务开始研制“50-50”计划,其中的“50号产品”为单座军用空天飞机,而“50-50”号产品”为高超音速载机。“50”这一数字表示为即将到来的伟大十月革命50周年献礼,并计划在此时进行首期亚音速试验。高超音速载机由图波列夫设计局负责研制,它应在极大的速度(M5.5~6)和24~30公里的高度上释放这架10吨重的空天飞机。计算表明,该系统的有效载荷重量约为其发射重量的12.5%,且有85%的发射重量返回地球,而当时科罗廖夫设计的320吨重的联盟火箭只能将发射重量的2.5%送上太空,返回地球的只有2.8吨重的着陆器。同时,“螺旋”不光能返回,它还可以再次飞行,而且无需航天发射场。当时制造了试验型轨道飞机,并进行了首批计划内的飞行。在返回大气层时,它就像飞机一样,可在半径为600~800公里的范围内选择着陆点。它的用途极为广泛,既可作为航天轰炸机或侦察平台,也可作为航天武器载机或作为有人驾驶的救援机,同时还可作为截击机或只是作为技术验证平台。

  1967年开始制造有人驾驶轨道飞机的缩比试验器。在这些1/2和1/3模型中,代号“105.11”的模型用于亚音速大气层试验,“105.12”用于超音速研究,“105.13”用于高超音速研究,但这一项目于1969年6月被中止,当时的国防部长格列奇科元帅认为这简直就是“天方夜谈”。1974年6月30日,在火箭发动机专家格鲁什科的支持下,“螺旋”计划恢复实施,并拟进行轨道飞机的亚音速飞行试验。1976年10月11日,该轨道飞机完成了第一次飞行,一年后的11月27日也完成了“米格-105”试验机从图-95KM型机上在5000米高度上的第一次投放,总共进行了8次试飞,从而确定了该空天飞机的亚音速气动性能和各系统在大气层中飞行的性能。

  该空天飞机呈平底形状,采用升力体式机身,前部较大并向上翘起,因此该机又被戏称为“套鞋”。这种几何形状可大大降低机身在再入大气层时的受热程度。该机的独特之处是其可变式机翼。机翼安装时与水平面呈60度角,在起飞、轨道飞行和再入大气层时用作垂直安定面。在再入大气层并将速度降低到亚音速后,机翼转至水平状态,从而增加了升力。机身、机翼和巨大垂直尾翼的后掠角度分别为78、55和60度。“米格-105”安装有科列索夫研制的RD-36-35K型涡轮喷气发动机,轨道发动机由19台大小不一的发动机组成,以进行轨道粗定位和精确机动。该飞机长8.5米,高3.5米,重4220公斤,翼展7.4米。这一方案最终被取消,但空天飞机的研制工作仍在继续进行。

  在70年代初,美国研制了“太空梭”轨道飞机,也就是目前正在使用的航天飞机。这一时间,前苏联也开始制造自己的“太空梭”,即“暴风雪”号航天飞机。为研究从轨道返回时防热问题,设计者还研制了“布拉风-4”无人驾驶试验器,以“宇宙”系列的代号完成了4次轨道飞行,时间分别为1982年6月4日、1983年3月16日和12月27日及1984年12月19日。最初两架空天试验机均溅落在印度洋上,其打捞工作引起了西方国家的注意。于是,后两架“布拉风”均着陆于克里米亚海区。“暴风雪”号于1988年11月15日发射升空,并完成了极其精确的自动着陆。后来,苏联的政治与经济生活发生了巨大变化,航天计划拨款急剧减少,于是,“暴风雪”号也就成了“多余之物”。

  前景广阔的MAKS系统

  闪电科学生产联合企业早在80年代便已开始实施MAKS计划,甚至是在“暴风雪”号飞行之前。该计划充分利用了“螺旋”计划、“布拉风”试验机计划和“暴风雪”号的经验与成果。

  MAKS可用于执行广泛的太空任务,是一种两用空天飞机,既可完成军事任务,也可用于其它目的,其中包括:对地球上的任何一点进行侦察;向近地轨道发射和从那里回收有效载荷;各类太空设施的运输保障;轨道应急救援;进行科学与工艺试验;对太空进行国际监督;对太空和地球表面进行生态监控;在真空和微重力条件下制造晶体、生物制品和其它材料。

  与运载火箭相比,MAKS系统具有以下优势:(1)发射成本低。它将1公斤有效载荷送上基准轨道(高度200~300公里)的费用只有1000~1500美元,而一次性运载火箭为12000~150 00美元/公斤。它的发射费用也低于第一代可重复使用航天器(“暴风雪”号和美国航天飞机)。(2)具有机动发射能力。这是它与航天飞机的一个不同之处,这可保证它能将航天器送上任何轨道,并可以向任何方向发射。(3)发射时机亦不受轨道要求的限制。(4)在从轨道返回时可进行横向和纵向的广泛机动。(5)使用效能高,可运回有效载荷并进行多次使用。除外挂燃料箱外,MAKS的主要系统均可重复使用。(6)可利用现有的一级飞机场,只需再配备必要的加注设备、地面技术与着陆系统即可。(7)减少了各级火箭的溅落,而且燃料无毒,有利于生态环保。

  MAKS系统由亚音速的载机和驮载在它上面的、带有外部燃料箱的轨道级组成。根据原来的设想,作为MAKS第一级载机将是安-225“梦幻”飞机。轨道级由安-225“梦幻”飞机发射后,将借助自身的发动机进入轨道,完成任务后独自返回地球。但最新消息称,安-124型运输机被选定为该系统的空中航天发射场。但安-225和安-124并不是唯一的运载工具,今后还可能将使用更加强大的双机身飞机“大力士”。

  轨道级(即第二级)为空天飞机及助推火箭发动机。为在空中发射MAKS需要使用火箭,以将其发射到太空轨道上。俄同时还在研制更重型的MAKS型系统,其运载能力可达18吨。该系统第二级有三种变体,即MAKS-OS、MAKS-T和MAKS-M,即载人型、一次性使用型和无人货运型。

  在未来25~30年内,MAKS系统具有广泛的发展前景。在1994年11月的布鲁塞尔国际发明博览会上,MAKS计划获得金奖和比利时总统特别奖,其比例模型也曾在1997年的法国航展和俄罗斯茹科夫斯基航空航天博览会上展出。太空已成为卫星发射与服务市场的争夺场所,这一市场的容量以数十亿美元计算并以每年10%以上的速度递增。在这种条件下,只有提出最低发射价格的一方才能获胜。如果MAKS系统得以建立,俄罗斯的卫星发射工具将完全有能力与美国未来的空天飞机相竞争,极有希望占领世界航天发射市场的60%的份额。这一系统的研制规划能否最终变成现实,需要俄总统和政府做出最终决定。

  MAKS的性能参数为:发射重量620吨,第二级重275吨,有效载荷重量9吨。轨道飞机部分的主要参数为:乘员数量2人(或为无人驾驶),飞机长19.3米,机高8.6米,翼展13.3米,重量27吨。该项目需要财政拨款数量为18亿美元。


MAKS-3

  新型空天飞机浮出水面

  早在上个世纪的70年代,前苏联便开始了研制空天飞机的工作。当时,奥布拉兹佐夫院士还是莫斯科航空学院的院长,当时的国防工业委员会领导人要求他研究世界上,主要是美国、欧洲和日本高超音速飞机的研制情况。为在教学过程中利用这些信息,他在莫斯科航空学院组织了一场学术研讨会,有大量的著名学者和工程师参加。随后,他在这一问题上与许多人找到了共同语言。于是,他们开始着手设计完全新型飞行器,即空天飞机。当时,方案的主设计师为阿克谢诺夫,当时他是中央机器制造科研所主工程师。在他去世后,担任这一职务的是塔拉索夫,“闪电”科学生产联合企业的副总设计师,是“暴风雪”号航天飞机的制造者之一。

  新型空天飞机拥有较大的载重量,这主要是借助强大的火箭发动机,也借助于翼身布局,它可在起飞和着陆时拥有强大的地效效应,减小对机身的最大负载,更加均匀地分配气动和重量负载,从而改善热物理性能。同时,空天飞机也借助于网状布局结构,可在重量上占据较大的优势。空天飞机的所有内部系统都由横梁组成,有效负载配置于翼身内部。蒙皮的第一层是耐热板,之后是陶瓷、纤维层、阴隔热量的多孔复合材料、钛金属层、由液氢冷却的内层。特别需要强调的是其可靠性。设计者已经转入完全新型结构:机身将为统一的网状自适应系统,根据外部负载进行自动调整,包括颠簸、大气降水、引力、太阳辐射等。现在正在制造一种复合材料,它可适应任何外部介质的影响,同时拥有形状记忆功能,以便预先设定所有的条件。

  在长远的未来,开发太空的主要障碍是低效的传统化学发动机。为了飞抵海王星,“旅行者”星际探测器共花费了12年时间,而其速度达每秒2万公里。现在,这已经是很高的速度了。许多设计师也曾考虑使用核发动机问题,但问题在于,现在没有可靠的辐射保护。尽管原则上这一问题可以解决。近来,有人提出了利用脉冲热核发动机进行星际飞行的设想,它可保证达到每秒1-2公里的速度。但为了飞向其它的行星,则需要航天器达到光速,即每秒30万公里。这一问题的解决,是下一世纪,即22世纪的事情,而21世纪则是空天飞机的世纪。

  空天飞机首先用于在轨工作。空天飞机起飞并爬升到80公里的高度,之后发射出配置在机身内的第二级,即距轨道载货飞船。它可进入到任何轨道,从200公里到3600公里。载货飞机留下卫星之类的有效负载,然后将需要返回地球的设备收回。第一级在发射载货飞船后可立即返回地面,也可留在100-200公里的轨道上,并关闭发动机,像卫星那样进行飞行,只需发射不大的脉冲,以保持轨道高度。在完成自己的任务后,载货飞船下降到更低的安装轨道,与第一级进行对接,之后一起返回地球。空天飞机的所有组件都是多次使用的。空天飞机可从一级机场起飞,而对于着陆的要求则相对较低,可在二级机场上着陆。

  根据计算,空天飞机的第一级可运载120吨,即第二级的发射重量。第二级可运载50吨负载(运送到200公里的高度)。也计划研制更加紧凑的单级方式,用于发射不大的负载。对于双级结构,向200公里轨道运送1公斤负载的价格仅为100美元,而单级结构为300美元。相比之下,利用现有的一次性使用运载火箭,这一指标为7000-10000美元,而航天飞机达20000-25000美元。

  空天飞机方案规定,可以在第一级中运载600人,为双层结构。飞机上升到100公里的高度,绕地球飞行一周,之后完成着陆。空天飞机是否可替代现有的大型客机,所有这一切都取决于将飞往何处:距离越远,则利用空天飞机更经济有效。在其速度达2000-30000公里/小时的情况下,乘坐这一空天飞机,从莫斯科到纽约只需要50分钟,而到旧金山约为1小时,而到澳大利亚只需一个小时多一点点时间。同时,乘坐时的过载不超过2-3g,相比之下,在“联盟”规划的航天飞行中,在飞船发射时过载为4g,而返回下降时为6g。这一系统进行了专门设计,以减轻过载。

  根据计算,这种“星际”机票的价格约为15000美元。相比之下,这一机票显得有点贵。法英“协和”式飞机不久前已经停止飞行,因为现在很少有人愿意花费9000-10000美元去完成超音速飞行。因此,在初期阶段,空天飞机的客运方案将主要用于旅游和消遣目的。设计者认为,将会有许多人准备支付这样一笔钱来进入太空。此外,随着空天飞机的大规模使用,其费用将会降低。

  众所周知,“闪电”科学生产联合企业现在正在实施MAKS规划,即多功能航空航天系统,其设想与空天飞机规划相近似:第一级为安-225“梦幻”飞机,从其上起飞轨道飞机。但是,未来仍属于空天飞机,因为安-225“梦幻”的升限只有10-12公里,而新型空天飞机可上升到100-200公里,从而成为地球卫星,其具有能力是无法比拟的。实际上,这是一种通用型轨道发射平台,用于向更高轨道和太阳系发射其它航天器,包括有人驾驶飞船。


C-21太空船搭乘安-225参加航展

  现在,空天飞机仍处于研制阶段。为走到成批生产这一步,还需要10-15年时间和约60亿美元。现在已经制造出无线电遥控的飞行模型,进行了试验,证明气动计算的正确性。现在也拥有用于第一级的新型发动机RD-701,由卡托尔院士设计。该发动机可使用三种燃料:煤油、液态氢和液态氧。在较低的高度时,使用煤油,因为在这一高度,煤油的使用更加有效。而在更高处,则使用氢气。在这种体制下,可达到优化的性能。还有已准备完毕的控制系统、对接系统和组件。如果财政拨款到位,则完全可以加快研制速度。现在设计者知道应该干些什么,但一切都取决于国家的支持程度。

  数月前,在俄罗斯科学院动力、机器制造、机械和控制过程分部组建了以奥布拉兹佐夫为首的小组,将从事这一问题的研究。参加这一小组的有一系列学者和设计师。现在,他们准备呼吁政府做出,是否需要这一规划。这一规划对于俄罗斯极为重要,如果放弃这一规划,则俄罗斯将丧失许多东西。世界上对地球与太空之间的货运需求现在只满足15%。俄罗斯如果不占领这一高新技术市场,则会被其他国家超过,被发达国家所占据。

  在这一领域,俄罗斯还有希望。设计者拥有的不是蓝图,而是完全具体的计算方案。(摘自:《环球飞行》杂志1-2期/文_卫忠/图_小白)

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