中国航天飞机计划——揭密921工程

军事2019-05-18 23:30:34

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中国921载人航天工程中的“长城一号”航天飞机方案,采用无垂尾布局,自带火箭发动机

航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器,它以火箭发动机为动力发射到太空,能在轨道上运行,且可以往返于地球表面和近地轨道之间,可部分重复使用,由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成。虽然世界上有许多国家都陆续进行过航天飞机的开发,但只有美国与前苏联实际成功发射过。

航天飞机因具有重复发射、运载量大等宇宙飞船不可比的优越性而一度受到热捧。但这种由200多万零件组成的高度复杂系统,可靠性非常差。事实证明美苏两国设计的航天飞机并没有达到当初设想的目标。每次发射之前的检查、维护、修理都成为浩繁的工作。原计划每架航天飞机的设计寿命应是20年、100次发射,但美国总共5架航天飞机加起来才发射了100多次,20年的机体寿命却已超过,每次发射的成本也被证明远远高于当初设计目标。

更关键的是,在载人航天事业中,没有什么比宇航员更珍贵的,确保宇航员的生命安全,是第一重要的任务。迄今,全球历次载人航天失事一共造成22位宇航员丧生,而在美国两次航天飞机失事中丧生的宇航员就占了14位,其比例之高令人吃惊。在技术和安全的双重压力下,苏联的“暴风雪”、欧洲的“赫尔梅斯”(Hermes)等航天飞机计划相继下马。

中国在1988年提出来的4种航天飞机方案和宇宙飞船方案,当年被誉为“五朵金花”,最后选择了最右边的神舟系列宇宙飞船。


中国航天飞机计划

中国也曾有过航天飞机的研制计划。当时在载人航天方面有宇宙飞船与航天飞机两条道路。美国在实现载人登月后放弃了飞船发展,转而研发可以反复使用的航天飞机并取得了一定的成功,但是航天飞机无法克服在发射过程中因强烈震动而造成隔热瓦脱落的问题,而相比于航天飞机,宇宙飞船则不存在上述情况,因而要安全得多。我国在发展载人航天的过程中是走飞船的道路还是走航天飞机的道路曾经产生过广泛的争论,以当时的主流意见来看,走航天飞机的发展道路占了上风,因此在此后的一段时间中我国也全力开始了航天飞机的预研。

我国的航天飞机研制计划最早提出于80年代中期,构想起于发展天军的战略,最早将其归属于863计划子项目编号204的航天附属项目中,是一个由宇宙飞船到航天飞机的渐进构想。当时,美国航天飞机成功首飞取得了巨大的轰动,所以我国国内主导意见是上航天飞机项目,宇宙飞船当时根本排不上号。在整整争论了三年后,1992年中国载人航天计划工程正式制定,提出了研制和运行以空间站为核心的载人航天系统,而天地往返系统确定为宇宙飞船,即后来的神舟系列宇宙飞船。当年力主宇宙飞船方案的航天专家王希季院士回想道:“如果中国当时研制航天飞机,那么现在载人计划(神舟飞船)恐怕早就下马了。

长城一号航天飞机风洞模型,经过了空气动力试验


“863计划”为中国的载人航天开辟了道路

航天技术是“863计划”《高技术研究发展计划纲要》七大领域中的第二领域,主题项目是:大型运载火箭及天地往返运输系统、载人空间站系统及其应用。“863计划”出台后,航天领域成立了两个专家组,一是大型运载火箭及天地往返运输系统,代号863-204;二是载人空间站系统及其应用,代号863-205。1987年,在原国防科工委的组织下,组建了“863计划航天技术专家委员会”和主题项目专家组,对发展我国载人航天技术的总体方案和具体途径进行全面论证。

“863—204”专家组在1987年4月发布《关于大型运载火箭及天地往返运输系统的概念研究和可行性论证》的招标通知,以招标方式选择在技术方面有优势的单位,按要求各自论证载人航天方案。航天部、航空部、国家教委、中科院、总参谋部、国防科工委等系统60多家科研单位参加了这场大论证,仅航天部所属的单位就有一、三、五、八等四家研究院分别参加了投标。由于是科学界里的技术概念论证,没有太多的行政干预,所以这番讨论思想相当解放,视野相当开阔,是中国航天技术发展史上前所末有的。

在不到2个月的时间里,各竞标单位提出了11种技术方案。“863—204”专家组筛选出6种方案,要求他们在1988年6月底前,完成技术可行性论证报告,以便参加高层专家的评审。虽然1987年的方案距今已有22年之久,但是我们今天翻看它们,仍然不得不为我国科学家的大胆和卓识油生敬意。


方案一: 航天部五院508所提出的载人飞船方案。这个方案看起来不那么时髦,似乎有些落伍。它用火箭把飞船发射升空,飞船靠降落个定点返回,类似苏联使用的联盟号飞船。论证方认为,飞船是一种经济、技术难度都不很大的运输器,在时间上能保证21世纪初期投入使用,经费上不会突破国家2000年前投资的总盘子。根据我国的国情,在很长时间内航天运输的规模不会很大,使用一次性飞船的投资效益比会比可重复使用的航天飞机好的多。飞船可为空间站和航天飞机进行技术探路,空间站建成后还可作为太空救生艇,即使航天飞机、空天飞机研制成功,飞船也可以与其大小搭配,成为其有益的补充。

方案二: 航天部一院一部提出的天骄一号小型航天飞机方案。它与方案三的长城一号航天飞机接近,所不同的是轨道器不带主动力,返回时利用自身结构滑翔着陆。天骄一号借助运载火箭送入轨道,即可载人又可载货,可部分重复使用,研制周期15年,它是当时世界拥有航空技术实力的国家正在发展和准备发展的运输器。以法国为首的欧共体集欧洲十几个国家的力量,正在联合攻关赫尔墨斯小型航天飞机,这种飞机以美国航天飞机为原型,缩比1/6研制。中国如完成此方案,可以为发展空天飞机和火箭飞机解决许多技术难题。

方案三: 航天部上海航天局805所与航空部604所共同提出的长城一号航天飞机方案。它垂直起飞,水平降落,部分重复使用,轨道器带主动力可自主飞行。这个方案基本是以我国现有大型火箭为基础,虽有一定技术风险,但并非没有可能解决。

方案四: 航天部北京11所提出的V-2两级火箭飞机的方案。它像火箭一样垂直起飞,如飞机一样水平着陆,以火箭发动机为动力,可完全重复使用。这个方案既有新型高空高速飞机的技术,又有新型氢、氧、烃火箭发动机技术,它需要先搞二个初级型,后搞最重要的轨道器部分,再搞全尺寸的火箭飞机,时间进度亦在2015年前后。

方案五: 航空部601所提出的H-2空天飞机方案。它可以像飞机一样水平起飞和降落,使用吸气式涡喷组合发动机,可完全重复使用。这是一种集航空、航天技术为一体的高技术方案,技术难点较多,特别是吸气式涡喷组合发动机在国外也是一个久攻不克的难关,英国曾经提出过这种方案,后来放弃了,所以没有可借鉴的经验。但是它符合瞄准世界前沿的战略思想,一旦2015年能获成功,则我国的航空航天技术可一步到位世界先进水平,或大大缩小与世界先进水平的距离。

方案六: 航空部611所对法国正在研究的赫尔墨斯小型航天飞机的综合分析。论证方认为法国搞的航天飞机在政治、经济、技术背景与我国有相似之处,其总体技术与航天部一院一部提出的天骄一号小型航天飞机方案类似,是航天飞机诸方案中最省力、省时的方案。611所正在与国外开展航空技术方面的合作,可以一并引进国外的有关技术。

经过一年多的论证,专家委员会于1988年7月在哈尔滨召开了评议会。航天专家选取了五种方案进行深入论证和对比分析,分别是宇宙飞船、不带主动力的小型航天飞机、带主动力的航天飞机、两级火箭飞机和空天飞机。1988年7月20日至31日,上百位航天专家汇集哈尔滨,根据五种方案的主题报告,讨论决定最终“机型”。

专家们的主导意见是:航天飞机和火箭飞机虽然是未来天地往返运输系统可能的发展方向,但我国目前还不具备相应的技术基础和投资力度,尚不宜作为21世纪初的跟踪目标;带主动力的航天飞机要解决火箭发动机的重复使用问题,难度比较大;可供进一步研究比较的是多用途飞船方案和不带主动力的小型航天飞机方案。

两种航天飞机风洞模型和关键材料样本

航天飞机与宇宙飞船之争


在仔细研究了材料后,“机型”之争最后集中到两个方案:一是原航天部下属的上海八院和北京一院提交的“长城一号”航天飞机方案,二是北京五院提交的宇宙飞船计划。在专家的评审表上,两个方案的得分非常接近,前者是83.69分,后者是84分。


此后,围绕中国载人航天如何起步,飞船方案论证人员和航天飞机论证人员展开了长达3年的学术争论。“863—204”专家组于1989年7月完成了《大型运载火箭及天地往返运输系统可行性及概念研究综合报告》。


报告提出了由初级到高级两步走的途径:第—步,充分利用我国返回式卫星回收的技术,以较少的经费和较短的周期(在2000年左右)研制出初期的天地往返运输系统—多用途飞船,使得我国尽快突破载人航天技术,解决有无问题,满足初期空间应用的要求。第二步,在2015年左右研制出先进而经济的天地往返运输系统—两级水平起降的空天飞机,以适应未来空间站大系统发展的需要。


1989年8月,国家航天领导小组办公室主任丁衡高收到了航空航天部火箭技术研究院高技术论证组写来的一封信,信中的主要观点是“航天飞机方案”大大优于“多用途飞船方案”。


信中提到:载人飞船作为天地往返运输手段已经处于衰退阶段,航天飞机可重复使用,代表了国际航天发展潮流,中国的载人航天应当有一个高起点。搞飞船做一个扔一个,不但不能争光,还会给国家抹黑。


而载人飞船方案论证组认为,载人飞船既可搭乘航天员,又可向空间站运输物资,还能作为空间站轨道救生艇用,且经费较低,更符合中国的国情。航天飞机无论是造价还是维修费用以及发射场建设都相当昂贵,中国此时还不具备航天飞机的生产工艺条件。


1989年,航空航天部党组专门委托庄逢甘、孙家栋两位专家主持召开飞船与小型航天飞机比较论证会。论证会就在北京市阜成路8号的航天大院里进行。这是两种思想的第一次面对面的交锋。


航空航天部北京空间机电研究所高技术论证组组长李颐黎作为载人飞船方案的代言人,从技术可行性、国家经济承受能力和技术风险等方面将载人飞船方案与小型航天飞机方案作了比较。


李颐黎毕业于北京大学数学力学系,是钱学森当年讲授《星际航行概论》时带的四大弟子之一。


对于比较论证会,他显然是有备而来:“欧洲发展小型航天飞机凭借的是航空技术优势,而我国航空技术不具有优势。欧洲小型航天飞机这条路尚未走完,技术风险大、投资风险大、研制周期长的弊病就已暴露出来了。”


“美国有钱,他们有4架航天飞机,每架回来后光检修就要半年时间,美国的航天飞机飞行一次就得4亿5亿美元;俄罗斯也有3架航天飞机,其中一架飞过一次,另一架正准备飞,还有一架是做试验用的。因为没钱,现在也飞不起了。


欧空局研制的‘赫尔墨斯号’小型航天飞机也是方案一变再变,进度一拖再拖,经费一加再加,盟国都不想干了,最后只好下马。基于上述原因,我认为,从国情出发,绝不能搞航天飞机!


这次比较论证后,航空航天部系统内逐渐达成共识:中国载人航天发展的途径从载人飞船起步。


论证组首席专家屠善澄院士向钱学森汇报了飞船的论证情况。钱学森很认真地听取了屠善澄的汇报,并郑重地表示:“将来人上天这个事情,比民航飞机要复杂得多,没有国际合作是不行的,哪个国家自己也干不起。这是国家最高决策。在50年代要搞‘两弹’就是国家最高决策,那也不是我们这些科技工作者能定的,而是中央定的。"屠善澄问:“假如人要上天,飞船作为第一步,您的意见怎么样呢?”。


钱学森稍稍沉吟了一下:“假设要人上天,第一步可以是这样。如果说要搞载人,那么用简单办法走一段路,保持发言权,是可以的。”


虽然当时有许多人都支持航天飞机方案,但在综合考虑了自身的技术基础和经济能力后,1990年5月,“863—2”专家委员会最终确定了“投资较小,风险也小,把握较大”的飞船方案,即利用我国现有的长征2E运载火箭发射一次性使用的宇宙飞船,作为突破我国载人航天的第一步;在2010年或稍后再建成载人空间站大系统。




世界航天飞机发展概况


1969年4月,美国宇航局提出建造一种可重复使用的航天运载工具的计划。1972年1月,美国正式把研制航天飞机空间运输系统列入计划。经过5年时间,1977年2月研制出一架创业号航天飞机轨道器,由波音747飞机驮着进行了机载试验。



1981年4月12日,在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心聚集着上百万人,参观第一架航天飞机哥伦比亚号航天飞机发射。宇航员约翰·杨(John W·Young)和克里平(Robert L·Crippen)揭开了航天史上新的一页。


这架航天飞机总长约56米,翼展约24米,起飞重量约2040吨,起飞总推力达2800吨,最大有效载荷29.5吨。它的核心部分轨道器长37.2米,大体上与一架DC—9客机的大小相仿。


每次飞行最多可载8名宇航员,飞行时间7至30天。美国共制造了七架航天飞机,试验雏型机有企业号(Enterprise)和开拓者号(Patherfinder)两架,正式服役的成型机有5架: 除了坠毁的挑战者号和哥伦比亚号,还有奋进号、亚特兰蒂斯号、发现号。


从1981年至2007年6月,美国5架航天飞机进行了118次飞行。自2003年哥伦比亚号失事以来,美国剩余的3架航天飞机长期处于停飞状态, 并将于2010年全部退役。


1988年11月15日莫斯科时间清晨6时整,前苏联的暴风雪号航天飞机从拜科努尔航天中心首次发射升空,47分钟后进入距地面250千米的圆形轨道。


它绕地球飞行两圈,在太空遨游3小时后,按预定计划于9时25分安全返航,准确降落在离发射地点12千米外的混凝土跑道上,完成了一次无人驾驶的试验飞行。暴风雪号航天飞机大小与普通大型客机相差无几,机翼呈三角形。


机长36米、高16米,翼展24米,机身直径5.6米,起飞重量105吨,返回后着陆重量为82吨。它有一个长18.3米、直径4.7米的大型货舱,能把30吨货物送上近地轨道,将20吨货物运回地面。头部有一容积70立方米的乘员座舱,可乘10人,设计飞行寿命100次。


前苏联总共制成了5艘航天飞机,其中两艘完全完工,一艘命名为“暴风雪”,另一艘命名为“小鸟”。另外3艘没有完全完工,其中的一艘目前在莫斯科,用来做饭店。另一艘代号为“暴风雪OK-GLI”,它曾经在地球大气层中进行了25次飞行试验,是“暴风雪”号航天飞机中唯一的一架具有发动机的试验型航天飞机。


那艘进入太空的“暴风雪”航天飞机后来闲置在拜科努尔火箭发射场的机库中,2002年5月由于机库房顶倒塌而毁坏。苏联航天飞机的发展与美国相比起步较晚,但技术毫不逊色于美国。


1988年首飞后,用于“暴风雪”计划的资金濒临耗尽:仅仅是开发航天飞机系统本身就花费了13亿卢布之巨,整个项目的开销超过了200亿卢布。前苏联当局也逐渐考虑起庞大的投资与发展航天飞机带来的益处之间的关系。1991年12月25日苏联解体,航天飞机计划被搁置。



粗略上看苏美的航天飞机极为相似,但设计思想有很大差别。


其主要区别,一是苏联航天飞机尾部没有主火箭发动机,而美国航天飞机尾部有三台主火箭发动机。前苏联的航天飞机发射时主要靠重达2300吨的“能源号”运载火箭送入轨道,返回主要靠降落伞,功能结构都比美国的航天飞机简单,但更能经受风雨和恶劣气候,安全系数更高。


二是苏联航天飞机的设计有效载荷为100吨而美国航天飞机有效载荷只有30吨;三是苏联航天飞机有弹射救生装置在紧急情况下能弹射出航天员,而美国航天员在紧急情况下只能等死;四是美国航天飞机只能作载人飞行,而苏联的航天飞机除此之外还能作无人飞行.


中国的航天飞机计划介于美苏航天飞机之间,有辅助动力系统和变轨发动机,货舱可装机械手,起飞也和暴风雪号一样靠大型运载火箭送入轨道,变轨发动机使飞机具有一定范围的轨道活动能力,能在较近轨道维修和捕获卫星,返回时由辅助动力系统进入大气外层并靠滑翔接近地面,之后在降落伞减速下安全降落。相比美国前苏联航天飞机更小一些,载重也低一些,但成本更低,安全性接近于暴风雪。





欧洲也曾研制过航天飞机,1976年法国国家空间研究中心在研究用阿里安5号运载火箭发射载人的天地往返运输器,经过法国宇航工业公司两年的概念研究,于1983年法国国家空间研究中心决定选用高超声速滑翔机作为载人型天地往返运输系统的方案,并以希腊神话中的神使赫尔墨斯命名。


1986年3月,法国向欧洲太空局提交欧洲化的赫尔墨斯航天飞机计划。同年6月,欧洲太空局将赫尔墨斯列入欧洲太空局计划。预计研制总经费约20亿美元。赫尔墨斯航天飞机是一种可以重复使用的有翼高超声速滑翔机,上升时本身没有动力,靠阿里安5号火箭发射。从1976~1988年的12年概念研究中,赫尔墨斯计划经过多次变动。


1986年3月法国向欧洲太空局提交的赫尔墨斯方案是:机身呈准圆柱体,机翼为大后掠三角翼,无尾翼。机身长17.9米,翼展11米,机身高5.1米,机身直径3.4米,近地轨道载荷4.5吨,乘员6人,起飞重25.168吨。由于经费和技术问题,赫尔墨斯计划已取消。


航天飞机技术难点


航天飞机属尖端太空科技,主要技术难点在以下4点:


1、热防护技术


航天飞机在再入时因气流加热,部分区域温度可达1000度以上,热防护要求比火箭和飞船更高。


为此,航天飞机的大部分外表面都用99%氧化硅纤维瓦,温度不太高的部位用有硅涂层的聚芳酰胺纤维毡,高温部位用增强的碳/碳帽和碳基防热瓦。


前两种材料已于90年代由南京纤维研究院和大连合成纤维研究所研制开发成功,2005年,碳/碳合金材料技术被中南大学校长兼院士黄伯云攻克,该技术不仅能用于飞机刹车片,也能用于航天飞机。


2、应急救生技术


为确保载人安全飞行,航天飞机在发射台、起飞和降落期间都必须采取相应的应急救生措施。


如暴风雪号在发射台附近设有应急逃逸通道便于在发射时出现危险故障逃离,机载计算机能根据情况在发射前有效终止发射,在发射倒数计和再入返回出现危险时可用弹射救生坐椅逃逸,还有起飞爬升阶段采用整机完整脱离火箭的返回措施等。


我国在90年代就有了世界一流的火箭紧急停止技术,2005年为神六发射,又研制开发了独步全球的逃逸塔,中国航天在安全性和快速逃生方面具有不落后于美俄的特有技术。


3、环境控制和生命保障技术


前苏联已研制出基于化学再循环过程的闭路生命保障系统,该系统通过化学方法把宇航员的尿液变成氧气、氢气和能饮用水,氧气供宇航员呼吸,氢气和宇航员呼出的二氧化碳合成甲烷用作火箭的推进剂。


相比前苏联目前我国这方面略有不足,神7发射至少推迟半年据说就是因为在改进该项技术,相信要不了多久,这项技术我们也能迎头赶上。


4、轨道机动和反作用控制技术


该技术是为航天飞机(轨道飞行器)在空间的各种机动飞行提供保证的技术,包括入轨机动、轨道修正、轨道变换、空间交会、各个方向上的姿态稳定和控制、脱离运行轨道和再入大气层技等,其技术关键是轨道机动发动机和反作用控制发动机(姿控发动机)的性能和配置以及工作方式,必须满足在空间低温真空环境下能多次起动和可靠工作的要求(如点火次数在3-20次之间,每次工作时间在2-100秒之间、高可靠性和可维修性等),由此产生了推进剂选择、系统选择、高空点火、冷却等一系列高难技术。


目前从掌握到的情况来看,美国航天飞机使用的轨道机动发动机和姿控发动机采用四氧化二氮和一甲基肼推进剂、统一挤压系统。


2台轨道机动发动机推力均为2722公斤,38台姿控发动机推力均为396公斤,6台游动发动机推力均为11。34公斤。


推进剂靠接触点火。前苏联航天飞机采用2台非自燃液氧/煤油轨道机动发动机,每台推力均为3175公斤,采用电火花点火方式、泵压式推进系统,配置36台姿控发动机用于姿态控制,与轨道机动发动机共用1个储箱,组成统一的综合系统。


我国神六航天器采用3台轨道机动发动机,有10多台姿控发动机。


变轨技术上已经接近美和前苏联,随着我国新一代双元非自燃火箭发动机开发成功和新一代大推力运载火箭发动机的高空点火试验通过,相信我们再次会实现航天大跨越。

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