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超越NASA:中国先进空天飞机计划,一切终结于921工程

航天飞机其实是个好东西,准确地说,NASA当年在近地轨道上的大家伙,都是航天飞机送上去的,因为它的货舱长度18米,宽4.6米,能运载重达36吨的圆柱形负载,即使到现在,能达到这个指标的火箭也是凤毛麟角,那么NB的航天飞机,怎么就退役了呢?

奋进号航天飞机正在发射卫星

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航天飞机的兴衰历史

很多朋友都追问过,为什么NASA的阿波罗计划没有后续了?其实很简单,因为登月失败后,前苏联将资金投向了更为实用的空间站建设,而NASA却展开了空间站和航天飞机同步的庞大计划,从下面这张资金流向就可以看出,航天飞机计划曾经占据了NASA八十年代的大部分费用!

航天飞机的设计初衷是非常好的,最早的计划甚至可以追溯到1969年,它的目的是设计一种可以重复使用的天地运输系统!大家都知道火箭发射实在是太浪费了,因为除了有效载荷卫星或者飞船以外,火箭其余的诸如发动机和燃料箱以及各种结构等,都是一次性使用的!

航天飞机总共有三大件,分别是轨道器(完整降落到地面上的那架航天飞机)、两个助推器和外燃料箱,就是看起来发射时轨道器被绑在上面的那个巨大结构体,但其实是这个燃料箱绑在轨道器上的

左右两个是固体助推器,顾名思义就是固体燃料火箭,燃料是高氯酸铵复合推进剂,燃烧时间124秒,242秒,它们发射后燃料烧完就会被丢弃在大西洋上,不过安装有巨大的降落伞,然后地面人员会找到它并且回收重复利用!

比冲

橙黄色相间的最庞大的是外燃料箱,它内部装载有液氢和液氧,但在外燃料箱底部却没有各位想看到的火箭发动机,因为它的功能是供给航天飞机的三台RS-25发动机,单发推力5250kN,比冲455秒,还不错的参数了!

点火起飞时,轨道器三台主发动机相隔120毫秒依次点火,随后两个助推器再点火,此时外储燃料箱的液氢液氧通过和轨道器连接的输送管道向三台发动机源源不断提供液氢液氧。发射123秒后,固体助推器脱离。

发射8分30秒后,外储燃料箱脱离,释放剩余液氢液氧,外储箱在大气层中翻滚解体,一般会脱落在太平洋或者印度洋。

固体助推器分离

返回开始时航天飞机首先是底面朝上,尾部先脱离轨道,接下来会调整至头部朝前并以40度迎角再入,并且以此角度一直保持到46千米高度;为保证安全穿过大气层,航天飞机表面覆盖了超级耐高温的绝热瓦。

航天飞机再入时的表面温度分布

根据大气对航天飞机气动激波压缩的位置绝热瓦要求会不一样,因为温升高低也会有所差别,比如轨道器前锥和两翼前缘的温度超过1300°C,底部温度也比较高,上半部分要求耐热650°C,货舱门和机翼则要求耐热370°C,总共四个等级。

黑色是用于下表面的耐高温隔热瓦,白色是用于上表面的低温隔热瓦

每架航天飞机需要贴31000片这样的隔热瓦,都必须手工精心装配

从120千米高度再入开始(速度25马赫,约为此处的地球环绕速度7.7千米/秒),到46千米高度为止,航天飞机会在计算机控制下通过S形机动减速来消耗多余动能,避免航天飞机绝热瓦过热(绝热瓦不是万能的,避免内部铝蒙皮温度高于160°C)

到46千米以下时,轨道器副翼、升降舵和方向舵都将逐渐恢复控制(超高空大气层稀薄,机翼面气动控制几乎失效),此时迎角降低至36度,速度从1.3马赫重新上升至4.9马赫,对准机场准备着陆,到下降至音速后宇航员开始手动控制,最后对准跑道成功着陆!

从整个过程来看,损失的只有外储燃料箱,成本最高的轨道器和助推器都得以重复利用,是不是非常完美?但很可惜的是航天飞机是NASA有史以来执行过成本最高的计划之一,有几个原因,首先是固体助推器被海水浸泡难以重复使用,其实是轨道器上的肼类燃料发动机(轨道上姿态控制)几乎得全部更换。

绝热瓦检修更换,主发动机检修,部件更新等等,每次发射成本甚至比早期的一次性火箭还要高,但当时已经花了200亿美元造了5架,1986年固体火箭助推器损坏凌空爆炸一架,用试验机又搞出来一架,恢复了5架的规模,不过航天飞机的货舱实在是大,所以哈勃望远镜和国际空间站以及大量的在轨维修服务,几乎是航天飞机专属!

检修哈勃望远镜

除了货舱极大外,航天飞机货舱内还有一台机械臂,可以充当移动平台使用,它有6个自由度,非常灵活,早期的机械臂可以在太空抓取29吨的货物,随后又提升至270吨,用航天飞机发射卫星很简单,装在货舱内,到轨道后机械臂抓取放在轨道上离开或者卫星探测器点火变轨,1989 年 10 月 18 日发射的伽利略木星探测器就是亚特兰蒂斯号航天飞机发射的。

因此尽管成本很高,但NASA一直捏着鼻子在用,毕竟还是非常便利,但好景不长,2003年的哥伦比亚航天飞机在返回时失事让NASA决定让其退役,哥伦比亚号是因为发射时从外储箱到轨道器的燃料管保温材料脱落,砸到了左翼绝热瓦,返回时高温气流窜入航天飞机,导致气动失衡致翻滚解体,7名宇航员无一生还,而保温材料使用却无法避免,这个事故连同高企的成本成了压垮NASA的最后一根稻草,航天飞机使用寿命到期后就不再延寿,更不再制造新的航天飞机。

前苏联的航天飞机:暴风雪号航天飞机

其实前苏联也制造过航天飞机,和美国航天飞机不一样的是,前苏联的航天飞机是没有主发动机,发射它的是超重型运载火箭能源号,起飞推力世界第一(超过美国登月时的土星5号),近地轨道运载能力是100吨,主发动机是著名的RD-170发动机,

所以前苏联的航天飞机不存在所谓的保温材料,也无需检修主发动机,因此从理论上来看成本要低于美国版航天飞机,但由于火箭是一次性使用,同样成本高昂,而且还运送了死重的轨道器结构,而暴风雪航天飞机也仅仅在1988年进行了一次发射,此后由于苏联解体,就一直被保存在哈萨克斯坦,但在2002年5月12日时,由于年久失修,机库倒塌,暴风雪航天飞机被砸毁!

中国庞大的航天飞机工程

我国在1986年3月,国家立项高技术发展计划,也就是863计划中也曾提出航天飞机计划,当时有两项,一项是大型运载火箭及天地往返运输系统,另一项是载人空间站系统及其应用,后者就是我们熟悉的天宫计划,前者就是航天飞机计划!

长城一号,无尾设计哦

不过当时尽管是“大型运载火箭及天地往返运输系统”,似乎是一种重复使用的飞行器,但当时并没有决定,而是进行了讨论,到底是载人飞船还是航天飞机,当时全球提出航天飞机计划的国家有日本的希望号、欧空局的赫尔姆斯以及前苏联的暴风雪计划等,所以我们也心痒痒想上。

欧空局的赫尔墨斯号

1986年9月,航天飞机论证计划召开,各大研究所提出个自己的计划,总结一下,总共有4种航天飞机计划和一种载人飞船计划,分别是天骄一号小型航天飞机、长城一号航天飞机、V2火箭型航天飞机、H2空天飞机、多用途载人飞船等。

其中最激进的方案是H2空天飞机,这个要是搞定了,那直接就一览众山小了,我们简单介绍下这个方案:

H2空天飞机方案是航空工业部601研究所提出的,这个方案可谓是高大上,最低要求是水平起飞水平降落,所以才叫Horizontal(水平)2,全长超过85米,翼展36米,试想,地球上有哪个固定翼飞行器有那么大的?

水平起飞时由八台液氢/液氧/甲烷火箭发动机提供推力。当飞行器速度达到2马赫时,常规火箭发动机关闭,转而采用亚燃冲压吸气式发动机,依靠大气层中的氧气来燃烧携带的氢燃料,不需要额外携带液氧,当飞行速度达到高超音速时,再启动常规火箭,直接将H2航天飞机送入轨道。

这个计划的首飞时间是2015年,如果成功的话,我国在航天界已经可以笑傲江湖了,但很可惜这个计划难度远超当时我国的科技水平,即使放到现在,仍然是一块难啃的骨头,比如亚燃冲压和超燃冲压发动机难度是极大的,作为空天飞机上用的超燃冲压发动机,不知道何时才能成功!

当然最后还是考虑到我国的技术条件与工业基础,在1992年9月21日,中央政府批准了我国载人航天工程按“三步走”发展战略实施,选择了最为保守的多用途载人飞船,结果大家也看到了,飞船已经多次成功,天宫空间站核心舱也即将发射,未来的天宫空间站翱翔天宇指日可待!

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