[科普中国]-天地往返运输系统

主要任务初期任务

在载人航天发展的初期，它的主要任务是突破载人航天的基本技术，包括将人安全地送入轨道，在轨道上创造必要的生活和工作的条件，将人安全地送回地面，以及轨道机动、交会对接和航天员舱外活动等基本技术。在这基础上进行了空间生命科学、空间对地观测和空间材料加工的初步试验。

当前任务随着空间利用的深入开展，出现了长期在地球低轨道(轨道高度为300-500公里)上运行的空间站(长期有人)和空间实验室(短期有人照料)。形成了较配套的空间基础设施，如大型运载火箭、天地往返运输系统、空间站(空间实验室)、跟踪与数据中继卫星等，较配套的地面基础设施，如地面测量控制网、发射场、返回场等和各个用户中心。此时，天地往返运输系统就成为空间站(空间实验室)工程大系统的一个重要组成部分。它的任务是在地面和空间站(空间实验室)之间往返运输人员和货物(如推进剂及共它消耗性物资、仪器设备、实验用的原材料及成品等)。较大的天地往返运输系统(如美国的航天飞机)还可以发射和维护其它的航天器(如卫星等)。1

性能要求1．高度的安全可靠。

载人航天史上几起机毁人亡的事故，不仅造成巨大的经济损失，延误了整个计划进度，而且产生了巨大的政治影响，因此必须要求天地往返运输系统具有很高的安全性和可靠性。另一方面，提高安全性与可靠性又受到经费、进度制约。为此，在研制天地往返运输系统时必须正确地处理提高安全性、可靠性与实现技术进步以及经费、进度之间的关系。

2．低的运输费用。

对于载人，要求低的每次飞行的费用；对于载货，要求低的运送每公斤有效载荷的费用。对于一次性使用的天地往返运输系统，要求低的额定运输量下的总费用；对于重复使用的天地往返运输系统，要求低的全寿命总费用。总费用包括研制费、生产费和使用维护费用。

3．好的使用性能。

这包括好的使用维护性能，短的地面周转时间和发射和返回时需要的辅助设备少等。1

发展情况美国美国在20世纪60年代实现了阿波罗登月计划，在这之后，它集中力量进行了航天飞机的研制。1972年1月，美国政府正式批准了航天飞机计划。它的第一架航天飞机在1981年4月12日首次做轨道飞行，是世界上第一个可部分重复使用的天地往返运输系统。美国航天飞机包括轨道器、外挂贮箱和两个固体火箭助推器。轨道器可将29.5 t的有效载荷送入轨道。可从轨道携带16t载荷返回地面。到1986年1月，航天飞机共完成24次飞行，挑战者号失事以后，迫使美国重新投产一架，费用高达28亿美元。自1970至1989年总费用达396.3亿美元，美国从发展航天飞机中所得到的教训是：

1)推动科学、技术进步，但降低发射成本的目标未能实现。原先预计航天飞机满载时每千克有效载荷人轨费用为352美元，目前则高达6 700～11 000美元。因此，航天飞机与一次性使用的运载火箭相比，并没有显著降低发射费用。

2)航天飞机的实践表明，采用“运人与运货合一”的做法，的做法，不是降低航天运输费用的有效办法。

3)挑战者号失事使美国政府认识到，一个国家不能依靠单一的发射系统从事航天活动，从而调整航天政策，建立起航天飞机与一次性使用的发射器相结合的混合型发射体系。

美国21世纪所用的天地往返运输工具尚无定论，里根总统宣布要发展空天飞机(NASP)。1986年2月，美国批准研究试验型空天飞机X-30，计划的主要内容是，验证以超声速燃烧冲压发动机为主体的吸气式组合循环推进系统、先进材料、计算空气动力学及主动冷却结构等先进技术，在90年代中期研制出能在常规跑道水平起降、单级入轨的高超声速续航试验机。政府批准的投资额为33亿美元。在X-30试验成功的基础上，2000年以后将开展全尺寸实用型空天飞机研制，其有效载荷系数将达到7.5%左右，并设想其运输费用可降到目前航天飞机的5%。

NASP类型的空天飞机将提供洲际导弹的速度、轰炸机的机动性和重复使用性。可以预计，空天飞机的出现将改变载人航天飞机的面貌，并具有巨大的潜在的军事价值。2

苏联苏联遵循“循序发展，稳步提高”的方针，使得苏联在载人航天领域取得世界领先地位。

1971年4月发射了第一个礼炮号实验型空间站，而后又相继发射了六艘，形成了不间断的以礼炮号为中心，以联盟号载人飞船和进步号货船为主要运输手段的载人空问站系统，利用空问环境开展了大量的探索性研究。初期解决了三个主要问题：

1)载人飞船与空间站交会对接技术；

2)航天员出舱活动技术；

3)环境控制与生保技术。

1986年2月苏联又发射了长期工作的和平号空间站，并与联盟号载人飞船、进步号货船和量子号天文物理试验飞船对接，组成了庞大的空间轨道复合体，总质量达60余吨，在建立空间站大系统方面，领先于世界。这是苏联在空间开发初期，充分利用飞船作为主要运载工具，达到他们主要目的的一个成功范例。

同期，苏联亦大力发展新一代天地往返运输系统。1988年11月苏联发射了耗资100亿美元的暴风雪号可部分重复使用的航天飞机。苏联认为，航天飞机的主要任务是在轨服务、发射大型设备，以便在轨道上建立大型射电望远镜、大型天线系统、太阳能轨道发电站等空间设施，并可维修和回收卫星。作为一般使用，暴风雪号不优于一次性使用的火箭系统。苏联正考虑如何合理地运用航天飞机和飞船两类运输工具。苏联航天飞机在科技发展中起了带头作用。许多重大成就开始应用于国民经济各部门，它的自动着陆控制系统已应用于民航客机和货机的全天候着陆控制上。

据悉，苏联也在大力研究采用超声速燃烧冲压发动机为主动力的高超声速飞行器。无疑，这将为苏联发展经济的、可完全重复使用的单级入轨天地往返运输系统建立技术基础。

欧洲航天局( ESA)1987年6月2日，欧洲航天局正式通过使神号小型航天飞机计划，并于1988年4月1日开始实施，计划总投资45亿。这是基于：利用欧洲航天局各成员国的航天技术成果，搞小型航天飞机在经济上是可行的；按照欧洲航天局各成员国的财政能力，发展小型航天飞机在经济上是可以承受的；建立欧洲独立的航天体系，为确定航天大国地位所必需。

使神号小型航天飞机拟用大型运载火箭阿里安-5发射。它开始是按美国航天飞机缩比六分之一规划的，选择人轨质量为17吨、有效载荷为5吨、宇航员为5人的方案。任务是在轨道上进行生物等试验、维修卫星和为空间站接送人员及货物。但由于方案考虑不周，加之挑战者号航天飞机失事，欧洲航天局不得不修改原方案规划，增设宇航员救生舱。另外，其原设想采用更新的防热材料亦未能如愿，便得结构重量增大，超出了阿里安-5的运载能力，鉴于上述原因。拟采取如下措施：

1)缩小“使神号”的服务范围，仅限于为有人照料平台和空间站接送人、货。

2)修改方案。入轨时质量改为23 t，有效载荷改为3t，宇航员改为3人；返回时质量15 t，有效载荷为1.5 t；将原设想的小型航天飞机分为两个部分，即由有效载荷舱的一半、轨道维持系统、人轨离轨动力系统组成资源舱，返回时分离并在大气层中烧毁；余者组成水平着陆、可重复使用的有翼滑翔飞行器。

使神号小型航天飞机计划在1990年进行方案审定，19 98年前后进行首次不载人飞行。计划执行情况能否顺利尚待实践检验。

小型航天飞机不是作为最终的天地往返运输系统，而是一种过渡，其发射费用昂贵，每次高达1.5亿欧洲货币。欧洲的长远目标仍在积极寻求可完全重复使用的天地往返运输系统。西欧在研制使神号的同时，开展“未来欧洲空间运输系统研制计划”( FESTIP)，投资额达11. 31亿欧洲货币（约为使神号工程研制费的四分之一），进行更经济的可完全重复使用的下一代天地往返运输系统的预先研究。

西德1986年西德MBB公司提出Sanger二级水平起降的空天飞机方案，并得到了4亿马克资助进行为期五年（1988～1992）概念论证。方案的出发点是：

1)降低运费，使其达到现有运费20%的水平。使用吸气式发动机穿越大气层，避开火箭发动机要自带氧化剂的弊病，具有可重复使用、机场起降、使用维护费用低等优点。

2) Sanger的第一级可发展为客机，设230座，巡航马赫数4.4，航程可达l l 600 km。这种飞机亦有明显的军事价值。

3)采用成熟技术和经过证实的关键技术，以减少技术风险。轨道器继承使神号技术，冲压发动机采用亚声速燃烧。结构材料的809《选用已有的材料等。

4)计划在2004～2008年投入应用。

Sanger方案第一级用吸气式发动机（涡轮冲压发动机），轨道级用火箭发动机，预计只要航程大于3 500 km，就可以从欧洲各机场起飞，达到28.5‘倾角的低轨道，第一级与轨道器在马赫数6.8，高度30 km分离，两级均可水平返回。

Sanger方案的特点之一是将运人和运货分开。运人轨道器为Horus，载2-3人，货物2-4t。运货轨道器为CARGUS，可运货15t。2

发展特点一、在天地往返运输系统的发展中，都遵从本国各自的发展战略

天地往返运输系统是航天技术领域中最活跃的一个系统。它标志着国家航天技术水平。美国把谋求与保持“空间领先”地位作为国家的最高目标，并以此带动其他领域科学技术的发展。苏联采取积极慎重、循序渐进的发展方针，追求与美国保持平衡地位，形成了与美国各有所长的态势。西欧为摆脱对美国的依赖，采取西欧联合，独立自主发展航天技术的道路，已取得同等对话的地位。日本采取迎头赶上的战略，准备立足本土，争当21世纪空间强国。很明显，航天技术的发展水平是国际地位和国家的综合实力的一种标志。

二、发挥本国的技术优势，扬长避短，减少风险

苏联实现了第一次载人航天飞行，美国第一次实现登月计划；苏联建立了长期工作的空间站，美国发射了可部分重复使用的航天飞机，他们都是发挥本国技术优势，扬长避短，在各自发展战略的指导下，取得国际领先的优势。

西欧越过载人飞船的发展阶段，直接发展小型航天飞机； 日本设想通过发展微型航天飞机，直接进入发展空天飞机的阶段。这也由发挥本地区、本国的技术优势所决定的。

按照本国具体情况办事，可以减少风险，取得最大效益。

三、根据运载需求量采用不同的天地往返运输工具

在建立载人航天系统的初期试验阶段，由于发射次数、运人和运货的数量都较少，使用一次性的、小型天地往返运输系统仍然是有效的手段。苏联利用大型运载火箭和飞船建立了空间站系统就是一个例证。美国在挑战者号航天飞机失事后，感到减少和停止生产一次性使用的运载工具是明显的失误。

随着载人航天技术的发展，发射次数、运人运货的数量都将迅速增加。随之而来的是要求降低单位运输成本，提高发射和运输的效率，这是影响未来航天技术发展的关键所在。各航天国家竞相研究更经济的新一代的天地往返运输系统。

四、空天飞机是未来天地往返运输系统的发展趋势

降低天地往返运输系统使用费用及降低单位运输成本的有效措施是：

1)硬件由一次性使用发展为重复使用；

2)尽量采用大气的氧气作为氧化剂，使用吸气式发动机；

3)利用空气可产生的升力，采用有翼飞行器，以减少起飞推重比；

4)采用先进的材料和结构，减少飞行器的结构质量；

5)减少地面设备；

6)提高发射频率。

空天飞机满足了以上大部分要求，美国的NASP计划和西德的Sanger方案正是代表了未来天地往返运输系统的发展趋势。

我国应吸取世界上各国天地往返运输系统发展的经验，制订我国的发展规划。2