中国航天2000年第9期 【航天系统与技术】
|上篇文章| 下篇文章 |本期目录|

空间站天地往返运输系统初探

******************* 果琳丽 朱永贵 ******************

　　前　言

　　随着中国载人航天工程的首战告捷和21世纪的来临，空间站技术作为航天技术的重要组成部分，其重要性日渐突出。作为空间站大系统工程的一个重要的分系统，天地往返运输系统的主要任务是为空间站运送人员和进行物资补给，在条件许可时也可兼做空间试验。本文主要对空间站大系统的天地往返运输系统进行分析，并提出一套相应的发展策略。讨论时所遵从的一个重要原则是：对天地往返运输系统的研究应与整个空间站大系统的规模相配套，根据空间站的规模及要求来制定发展途径。

　　发展状况

　　1971年4月19日前苏联发射了礼炮1号空间站。这标志着人类载人空间站时代的到来。到目前为止，前苏联共发射了三代空间站，包括礼炮1～7号及和平号空间站；美国也发射了天空实验室。当前引人瞩目的是以美国为首的16国共同参与建造的国际空间站。这些空间站按照规模及功能又分为试验性空间站、简易空间站及永久性空间站。
　　国外通过研制这三代空间站，加深和促进了对天地往返运输系统的研究，丰富了人们对天地往返运输系统的认识，为发展新一代先进性能的天地往返运输系统奠定了基础，也给我们提供了借鉴经验。下面概括介绍天地往返运输系统的发展历程。
　　1.第一代天地往返运输系统
　　作为空间站的第一代天地往返运输系统，前苏联研制了飞船系统，用于给空间站运送货物和航天员。它包括联盟号、联盟T和联盟TM3种型号。随着空间站规模的扩大和运货量的增加，从1978年开始，前苏联将联盟号飞船改装成专门的货运飞船，称为进步号飞船。从1989年8月起又研制了进步M号飞船，其运货量比进步号飞船多100公斤。今年2月1日发向和平号空间站的是进步M的改进型，称为进步M1。
　　虽然前苏联研制了几代多种型号的飞船，每一代的运货量都比上一代有所增加，但总的说来载人飞船作为一种原始的天地往返运输系统，由于其运载能力的限制，仅适于简单、小规模的空间站。随着人类对空间的开发利用逐渐加深和扩大及永久性空间站的建立，对天地往返运输系统的性能就相应地提出了更高的要求。
　　早在载人飞船研制成功后不久，人们就认识到飞船作为天地往返运输系统的不足。虽然当时对天地往返运输系统的先进性认识还很不够，但人们已意识到飞船在技术性能上的不足已使得其很难适应天地往返运输应用扩大的需要。飞船不可重复使用的局限，使其单位有效载荷成本随发射次数增加而直线上升，严重制约了其应用。因此人们希望发展技术性能更先进、能重复使用的天地往返运输系统。这是对天地往返运输系统先进性能的最早认识，也正是在这样的背景下产生了60年代末的航天飞机计划。
　　2.第二代天地往返运输系统
　　1981年美国航天飞机的首次成功飞行标志着第二代天地往返运输系统的诞生，也表明先进性能天地往返运输系统的发展在实践上又前进了一大步。美国的航天飞机可向倾角为28.5度的空间站往返运输6～7名航天员和23.5吨的货物。即使是当前正在建设的国际空间站，也要采用美国航天飞机为其运送人员和物资。
　　航天飞机与飞船相比，在技术上的巨大突破是实现了系统的重复使用（严格讲是部分重复使用）。重复使用使飞行器硬件成本大大降低。此外，与飞船相比，航天飞机的任务适应能力也大大增强了。它既可以作为一个往返运输飞行器完成针对空间站的各项任务，如空间站的建造、物品补给、人员及产品的往返等，又可以作为独立飞行的空间平台完成多项轨道任务，像各类航天器的发射、捕获和处理、各种轨道科学技术实验以及军事任务等。在过去的10多年间，美国航天飞机的90多次成功飞行证明了它在技术性能上的先进性。
　　美国航天飞机最初的设计是要通过重复使用来达到降低系统硬件成本的目的。但由于历史的局限，没有充分认识到降低运营成本对降低重复使用天地往返运输系统全寿命周期成本的重要性，因此在其发展过程中一味追求技术上的先进性和适应各种任务的能力。这使其成了有史以来最复杂的航天飞行器系统，运?僮鞯母丛映潭仍黾樱贾略擞杀炯本缟仙孛娌僮鞒杀菊嫉搅巳挝癯杀镜?5%。因此，若不尽量降低系统运营成本，必将导致系统总成本大大增加，抵消重复使用带来的好处。正因为这样，航天飞机单位有效载荷的发射成本才会比60年代的飞船还高，每次发射都需4000人以上的庞大队伍来维持。所有这一切都源于方案早期对先进性能认识的局限性。
　　通过前两代天地往返运输系统的发展，人们对天地往返运输系统的先进性能有了更全面的认识。从技术方案上讲，它应具有重复使用性、高可靠性和较强的任务适应能力。从系统运?僮魃辖玻τ胁僮魑ぜ虮憧煽俊⒌孛嬷茏奔涠痰忍氐恪Ｇ罢呤瓜低秤布杀窘档停笳呤瓜低吃擞杀窘档汀?br> 　　3.第三代天地往返运输系统
　　更新一代先进性能天地往返运输系统的研究工作，是在1986年挑战者号航天飞机发生事故之后开展起来的。从那时起到现在，在经历了一系列的方案论证之后，当前先进性能天地往返运输系统的焦点集中在单级入轨和两级入轨重复使用的运载器上。
　　根据美国航宇局正在实施的先进运载技术计划，目前单级入轨方案有3种，即垂直起降方案、垂直起飞水平降落的翼身组合体方案和垂直起飞水平降落的升力体方案。其中垂直起飞、水平降落的升力体方案有洛克希德·马丁公司设计的X-33可完全重复使用运载器试验机（未来的实用型号称为冒险星）。该公司正在研究使用冒险星为空间站运送货物和人员的几种方案，即（1）直接用载荷舱内的增压舱为空间站运送货物和人员；（2）研制上面级或乘员运送舱；（3）上两种方案的混合方案，即对某些特殊任务，冒险星直接用乘员舱为空间站运送人员，而用上面级来运送重的货物。目前美国航宇局最关心的问题是如何将冒险星的干重控制在起飞质量的10%以内，其中还包括了2%的有效载荷质量。
　　从美国的发展策略来看，其第三代天地往返运输系统准备采用单级入轨方案，但由于该方案采用了大量的先进技术，技术风险高，需投入的资金多，在近期内实施起来比较困难，因此美国航宇局并不是在单一开展该计划，而是多方面多角度地开展研究，比如说部分重复使用技术、两级入轨重复使用技术等，并加大对关键技术的攻关力度。
　　从前面介绍的国外天地往返运输系统发展历程来看，天地往返运输系统的发展要经历从载人飞船到航天飞机，再到可重复使用的新型飞行器（包括单级入轨和两级入轨）的过程。单级入轨和两级入轨的飞行器相比起来各有其特点，但有相当多的关键技术是相同的。因此，西方并不单独发展某一种方案，而是对它们有共性的关键技术积极开展研究。对这一点我们应该借鉴。

　　发 展 思 路

　　天地往返运输系统应与空间站的规模及要求相适应，并参考国外空间站的发展思路：第一步研制试验性空间站，第二步研制简易性空间站，第三步建立永久性空间站。要根据这一思路相应地考虑天地往返运输系统的发展策略：
　　(1)为研制初期的试验性空间站，可研制飞船系统，作为第一代天地往返运输系统，解决初期空间站航天员和补给物资的运输问题；
　　(2)同时开展先进性能天地往返运输系统的研究，为未来的大型空间站和新的载人航天活动创造条件。
　　根据上述策略，在设计天地往返运输系统时可按照三个阶段提出三种方案：
　　(1)在初期试验性空间站阶段，采用飞船为其运送人员和物资。
　　对飞船系统有效载荷的要求，主要取决于空间站上应用系统及补给物资的要求。在空间站初期应用系统的规模较小的情况下，可采用人货兼运的飞船；在应用系统规模扩大之后，可采用载人飞船和货运飞船分别为其进行人员及物资输送。
　　(2)在空间站第二阶段，必须研制新型运输系统，首先可以考虑研制两级入轨可重复使用的运载火箭。
　　参考前苏联的第二阶段空间站，由于有人照料的时间可以延长到2个月左右，所需补给的物资量和运回的成品量都大大提高，此时的飞船系统不能满足要求，故应研制新型的运载能力更大的天地往返运输系统。针对我国的资金和技术现状，可以在现有运载火箭的基础上加以改进，以满足回收和重复使用的要求。两级入轨方案与单级入轨方案相比，避免了一时难以攻克的结构质量比问题，技术难度较小，所需投入的资金较少，较易实现。同时按照循序渐进的原则，可以先从部分重复使用的运载火箭开始，逐步走向完全重复使用的运载火箭。在积累了丰富经验的基础上，再研究单级入轨的运载器。
　　(3)在考虑建立永久性空间站时，可研制单级入轨可完全重复使用的飞行器作为其运输系统。
　　在将空间站作为较大规模的空间加工中心和空间实验中心并使其长期在轨运行时，对天地往返运输系统的要求会进一步增加。在这个阶段可以利用两级可重复使用运载火箭的研制经验，研制先进的单级入轨完全重复使用飞行器。

　　关 于 飞 船

　　在初期试验性空间站阶段，采用飞船作为天地往返运输系统是可行的。在补给量及货物运输量不大的情况下，可采用人货兼运的飞船。在补给量及货物运输量较大的情况下，应分别采用载人飞船和货运飞船。经过分析，我们认为在飞船研制阶段，可借鉴前苏联联盟号载人飞船和进步号货运飞船的经验，其运载能力至少应不小于300～600公斤。

　　关于两级入轨重复使用运载火箭

　　考虑到空间应用的发展和空间试验室的进一步扩展，人员在轨照料的时间大大增加，所需补给的物资量和运回的成品量都将大大提高，继续采用飞船系统将无法满足上述要求，故应研制新型的运载能力更大的天地往返运输系统来满足运输的要求。
　　1.方案设想
　　由于我国的神舟号飞船是不能重复使用的，而空间站要求每年运输补给两次，在这种情况下只采用飞船作为运输系统会大大增加运输费用。此外，由于神舟号飞船的运输能力较小，不能满足后续大型空间站的补给要求，因此研制运输能力较大的运输系统是十分必要的。若运输系统能做到重复使用，初步估计可以使运输每公斤有效载荷的费用降低一半，因此需要研制重复使用的天地往返运输系统。
　　根据我国技术经济风险承受能力和航空航天技术的实际情况，利用成熟的火箭技术来完成天地往返运输任务，是符合我国国情的。因此我们提出一种两级入轨重复使用5吨级天地往返运输系统的方案设想：
　　(1)一子级采用长征二号E/A更换液氧/煤油推进剂后的芯级和助推器，助推器和芯级不回收。
　　(2)二子级可采用长征二号E/A更换液氧/煤油推进剂后的二子级或长征三号乙的三子级，将它们进行适应性修改，使其可重复使用。
　　1)采用长征二号E/A更换液氧/煤油推进剂的二子级方案时，游动发动机由4台增加到8台。返回时采用游机作为动力，8台发动机构成冗余系统。
　　2)采用长征三号乙的三子级方案时，箭体直径由3米增到到3.35米，发动机由2台变成4台，4台发动机构成冗余系统。
　　3)两种方案均需对箭体采取防热措施。
　　(3)在二子级上增加一个有效载荷舱。有效载荷舱由航天员舱、货舱和对接机构组成。
　　(4)增加轨道控制系统和返回着陆系统。
　　本方案可利用成熟的火箭技术以及返回式卫星和飞船成熟的回收技术，避免了单级入轨的技术难关。
　　2.运载能力
　　两级重复使用天地往返系统具备同时运送人员和物资的能力，总有效载荷的运送能力可达到5吨左右，可同时运送4名航天员及3吨左右的物资。

　　关于单级入轨重复使用运载火箭

　　就国外已完成的重复使用运载火箭的概念研究和先期技术演示验证来看，单级入轨的运载火箭能够满足降低运输费用、提高使用性能的要求，可以将其作为我国空间站大系统的天地往返运输系统的长期目标。
　　考虑到美国冒险星的总体方案具有很多优点，我们亦采用升力体方案来跟踪研究，并在此基础上结合我国特点和技术贮备做适当的改变。
　　(1)运载器采用垂直发射、水平降落、重复使用的方案，其运载能力为10吨级，轨道为200公里高的圆轨道；
　　(2)采用先进的火箭发动机系统；
　　(3)单级入轨火箭的初步总体参数：火箭的气动外形近似于X-33的升力体方案；起飞质量550吨；采用氢氧发动机，8台并联，起飞推力比在1.25左右。
　　主要关键技术分析
　　总结天地往返运输系统的发展历程，可将它概括为两个飞跃：载人和重复使用。重复使用可分为部分重复使用和完全重复使用。这就构成了天地往返运输系统发展的三个阶段，不同的阶段具有不同的关键技术。我国空间站大系统的天地往返运输系统，其具体的关键技术可根据不同的阶段来具体确定。这里我们只讨论两级入轨重复使用飞行器和单级入轨重复使用飞行器的关键技术，见下表。
两级入轨重复使用飞行器和单级入轨重复使用飞行器的关键技术
发展阶段关键技术
两级入轨
重复使用飞行器		一次性使用的芯级
和重复使用的二级		 1）二子级发动机的多次启动技术
2）对接舱的交会对接技术
3）二子级火箭及对接舱的着陆回收技术
4）再入飞行控制技术 5）防热技术
6）气动力/热计算和试验技术
　　完全重复使用 1）助推器和芯级的着陆回收技术
2）制导、导航、控制技术
单级入轨
重复使用飞行器		 1）先进的推进技术
2）先进的轻质合金及复合材料技术
3）先进的防热、绝热一体化技术
4）先进的电子系统
5）乘员救生技术
6）质量和可靠性技术
7）高效的地面操作系统

　　结论及建议

　　天地往返运输系统的发展必须要和空间站的规模和要求相配套。本文之所以按照三个阶段提出了三个方案，就是因为考虑了我国空间站后期发展的可扩展性。
　　在初期试验性空间站阶段，可采用飞船系统作为天地往返运输系统。在空间站第二阶段，应考虑采用两级入轨方案。如果最终要建造永久性空间站，就应考虑单级入轨方案。
　　最后建议开展以下几点工作：
　　(1)在前一阶段概念研究的基础上，进一步跟踪国外飞船之后新一代天地往返运输系统的发展状况，及时吸收国外的先进研究成果，对不同的方案进行深入的分析比较，找出一条适合我国国情的天地往返运输系统的发展途径。
　　(2)对重复使用运输系统的一些共性技术，如重复使用的低温贮箱技术、气动力/热分析技术、制导导航控制技术、防热技术和着陆回收技术，要抓紧预研工作，并充分利用863航天高技术领域的预研成果，选择少量重大的关键技术做好先期的技术演示验证工作。
　　(3)航天运输系统与军事应用有着深远的渊源，因此应及时将在航天运输系统研究中突破的关键技术和中间成果应用于武器系统的发展。要把航天运输系统与军事应用相结合，使863计划与主战场相互促进。这无疑会有利于我国航天运输和武器装备的发展。□（转自《导弹与航天运载技术》杂志）
|上篇文章| 下篇文章 |本期目录|