[科普中国]-暴风雪号航天飞机

飞机解析

1988年11月15日，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公里的圆形轨道。它绕地球飞行两圈，在太空遨游三小时后，按预定计划于9时25分安全返航，准确降落在离发射点12公里外的混凝土跑道上，完成了一次无人驾驶的试验飞行。

科学家们认为，这次完全靠地面控制中心遥控机上电脑系统，在无人驾驶的条件下自动返航并准确降落在狭长跑道上，其难度要比1981年美国航天飞机有人驾驶试飞大得多。首先，暴风雪号的主发动机不是装在航天飞机尾部，而是装在能源号火箭上。这样就大大减轻了航天飞机的入轨重量，同时可以腾出位置安装小型机动飞行发动机和减速制动伞。其次，暴风雪号着陆时，可用尾部的小型发动机做有动力的机动飞行，安全准确地降落在狭长跑道上，万一着陆姿态不佳，还可以将航天飞机升起来进行第二次着陆，从而提高了可靠性。而美国航天飞机靠无动力滑翔着陆只能一次成功。第三，暴风雪号能像普通飞机那样借助副翼、操纵舵和空气制动器来控制在大气层内滑行，还准备有减速制动伞，在降落滑跑过程中当速度减慢到50公里/小时时自动弹出，使航天飞机在较短距离内停下来。2

性能参数最大质量：105吨

有效载荷：30吨

着陆质量：82-87吨

机组成员：2-10人

飞行时间：7-30日

轨道倾角：50.7-110度

轨道高度：250-1000千米

着陆速度：312-360km/h

长度：36.37米

高度：16.35米

翼展：23.92米

机翼掠角：45度

航天飞机材料制造暴风雪号航天飞机需要研制具有极高强度和极好热物理性能的新型材料，这类材料既要达到设计要求的重量，又要保证航天飞机的飞行安全。

暴风雪号航天飞机防热层的第一个功能是将再入时的气动加热产生的热量释放到周围空间；第二个功能是使 内部铝蒙皮的温度不超过150~170 ℃。此外防热层还要有足够的强度，能在-150~1300 ℃温度范围内多次使用，且性能和尺寸不容许有明显变化。防热层的结构类似于空心砖的防热瓦，防热瓦体积的95 %是空的，5%填充的是石英纤维。这种多细孔防热瓦是由直径一二微米的石英纤维均匀摆放并在高温中烧结而成的。表面涂覆抗腐蚀层。黑色涂层可保证防热层在等离子流中的稳定性，并能将热能辐射到周围空间；白色涂层可减轻阳光对航天飞 机的加热。此外，涂层还要保护防热瓦免受机械损伤、污染和水气腐蚀 。

防热瓦固定在航天飞机金属外壳表面，是用专门研制的有机硅胶粘接的。第一，粘接用胶要最少；第二，要 在30 ℃温度保持粘接强度；第三，是在150 ℃时硅胶要有弹性；最后，粘接要求在常温下进行。

此外，在航天飞机的舱门、机翼的活动部件、舷窗和乘员的舱门的密封部分均采用新型材料—热填实器，其 中有耐1250一1650 ℃高温的线绳型热填实器，有刷子式热填实器及弹性密封条。

暴风雪号航天飞机机身采用了传统的航空材料—铝，但它有了新的性能，在低温下不变脆，在振动和声负载条件下能经受-150~+160℃ 的温度变化。此外，在航天飞机结构中广泛采用了钛合金。许多结构件还采用了特型钢材，这种钢材是用铁和镍、铬、钻、钦与其它合金元素冶炼而成的，具有极高的强度、韧度和硬度。暴风雪号航天飞机大约有2000多个活动部件，它们是在干摩擦条件下工作的。这些部件是用高强度钢、镍和钛合金制造，具有抗摩损覆盖层，可保证可靠性。

苏联总共为暴风雪号航天飞机研制了48种新型材料，其中有许多材料在配方、工艺和性能方面是首创的。在 这些研究成果中有150 多项获得了发明证书。暴风雪号航天飞机使用的材料集中体现了科技和工业上的最新成就，它们将被应用于国民经济各个领域。例如，在制成陶瓷防热瓦、碳纤维、粘合剂和合成细毛毡之后，便开始 生产玻璃纤维、碳纤维、合成纤维和陶瓷纤维、新型粘合剂。3

发射流程倒计时30分：清理发射台

倒计时11分：发射系统开始自检

倒计时8秒：主引擎点火

倒计时0秒：助推引擎点火，发射升空

发射后150秒：助推火箭分离

发射后480秒：推进火箭燃尽，落入太平洋

发射后47分：暴风雪号进行42秒变轨机动，抵达高度250千米的轨道

“螺旋”计划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“天方夜谭”。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，也就是已经退役的航天飞机。这一时间，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。暴风雪号首航成功，按计划应很快开始载人飞行，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”。4

研制历史早在太空时代之前，就有人讨论过建造可重复使用的飞机形航天器了。如俄国的齐奥尔科夫斯基就考虑过将飞机送入大气层以外的可能性。苏联的航天功臣科罗廖夫很早就将RP-318滑翔机安装上火箭引擎做试验。20世纪60年代，米高扬设计局设计了一种可重复使用的小型飞船螺旋（Spiral）号，它由超音速飞机发射，发射后则由自备的捆绑火箭作动力源。

70年代初，美国制定了研制航天飞机的计划，并将其列为载人航天的首要项目。美国人最初的目的是为了发展一种更经济的轨道运输工具以取代宇宙飞船和运载火箭，但苏联当局则将这一新型航天器视为未来美国搭载核武器的工具，并于1976年决定发展类似的航天器作为对这种“威胁”的回应。苏联人将其取名为“暴风雪（Buran）”。当年米高扬设计局从事螺旋计划的部分技术人员，以及来自莫尔尼亚、米亚西舍夫等设计局的一些工程师也被调去从事暴风雪计划。暴风雪的主体由新成立的莫尔尼亚联合体全权负责研发。

与暴风雪一起研制的是重型运载火箭能源号（Energia）。它可以用来发射暴风雪号航天飞机，也可以单独作为运载火箭使用，这与美国航天飞机设计不同，主要是出自苏联没有开发大型固体火箭经验的考虑。这个设计是由能源联合体的负责人Valentin Glushko提出的。暴风雪号自身没有主推进引擎，只有两个小型引擎供调整轨道姿态用，起飞时它可以看作是能源号火箭的载荷。很多人认为，这一设计实际上要优于美国的航天飞机，因为如此做法将降低航天飞机的事故率，并可提高其搭载的有效载荷。但在暴风雪与能源火箭对接并运送到发射台的过程中，采用的是水平运输的方式，这显然没有美国的垂直运输来得方便。

最初的设计（有些还早暴风雪计划）有几种，分别由米高扬、米亚西舍夫、切诺梅等设计局提出，各方案差别非常大，其中包括改良螺旋号飞船，使其可以用质子火箭发射的方案。其中一种设计甚至没有机翼结构，这是为了使其更适合高速大迎角飞行；最后的着陆则通过降落伞调整。但最终苏联人还是采用了三角翼的设计。

拜科努尔发射场为暴风雪号航天飞机和能源号火箭建造了3座发射台，但3号发射台从未使用过。

暴风雪号的设计要求是可使用100次以上，能够将30吨有效载荷送入200千米高、倾角50.7度的地球轨道；标准机组成员4人，包括正副驾驶员各一，另有2名从事舱外活动和其他领域研究的宇航员。在暴风雪号航天飞机上要能够进行复杂的军事研究。抵抗敌对国家的军事活动也是暴风雪号的设计任务之一。同时研制暴风雪号的目的还有研究美国的航天技术以增强苏联的实力。

另外，安东诺夫设计局还为解决暴风雪号的运输问题专门设计了安-225“梦幻（Mryia）”大型运输机。安-225于1985年开始设计，1989年首次背负暴风雪号飞行，是目前已有的体积最大、载重能力最强的飞机，迄今只生产了1架。它的原形是安-124，但采用的是双垂直尾翼设计，运载能力比安-124提高了50%。4

地面测试最初，暴风雪承担的角色是航天武器和空间站（尤其是日后的和平号空间站）运输工具。航天飞机的建造工作在1980年开始，第一架全尺寸航天飞机模型完成于1984年。据信前苏联共建造了数架航天飞机，这是为了解决他们计算机模拟技术薄弱而作的。他们在不同的机身上安置了不同的电子设备，采用了不同的设计以作测试用。其中供太空飞行用的几架编号分别为OK-1K1、OK-2K1、OK-1K2、OK-2K2和OK-3K2（后两架似未完工），其他都是仅供地面试验的，有些机身还不是完整的。

飞行测试始于1983年，但最开始只是用小型比例模型作试验。首架全尺寸模型在试飞24次后报废了；最后一次飞行测试是在1988年春。参加测试的模型多用“宇宙****”为编号。

1985年，暴风雪号的机翼运抵拜科努尔。同年还进行了能源号火箭的第一次点火测试，但在点火后2.58秒，系统检测到引擎涡轮出了故障；随后的测试还发现了液氦泄露等问题。第二次测试是成功的，引擎运行了390秒。为保证有充足的冷却水做测试，附近的城市不得不停水10天。

而暴风雪计划的弊病也逐渐暴露出来：几乎所有的研制进度都没有达到最初的要求。别的不论，单是暴风雪号的零件运输也成了大问题：人手不足，经验不够。苏联政府召集了大量工人前往拜科努尔，使这里为航天飞机准备的211设施工作人员从600人骤增到1800人。1986年5月，刚刚组装好的暴风雪号开始进行电子系统的测试。8-9月开始进行能源号火箭的发射试验。

在暴风雪号真正上天之前，苏联共进行了140余次飞行试验，其中包括近70次自动着陆试验。

首飞成功真正的轨道飞行是在1988年11月15日，承担任务的是OK-1K1。格林尼治时间3点，OK-1K1由能源号火箭从拜科努尔发射场2号发射台发射升空，进入一条近地点247公里，远地点256公里的轨道。这是一次无人测试飞行，所以航天飞机的生命保障系统没有运转，其上也没有安装任何软件。由于计算机存储能力的限制，暴风雪号只环绕地球飞行了2圈，3小时25分钟后成功返回地面。有传言说这次飞行使OK-1K1遭受的损伤无法再恢复，OK-1K1也不能重返太空；但此说法未被官方证实。

这次自动飞行的难度显然要比美国1981年哥伦比亚号航天飞机有人驾驶的首航大得多。暴风雪号配备有小型引擎，可以在一定程度上实现有动力返航，如果第一次着陆失败还可作二次飞行；它还可以通过机翼舵面调整飞行姿态，着陆时机动性也比美国的航天飞机强。

从第一次飞行执行的任务看，这显然不是计划中唯一的一次无人飞行试验，因为这次飞行连最重要的生命保障系统都没有测试。自动飞行是很成功的，它顺利抵抗住了速度达每小时34千米的侧风，降落后机身中线与跑道中线距离只有5英尺。

这意味着即使是在发射时间上已落后于美国的航天飞机领域，苏联的航天技术仍然是世界一流的。

暴风雪号的成功首飞给各国带来了很大影响，人们期待着它能够早日作载人飞行。同年，苏联发行了一枚以暴风雪号为主题的邮票。5

“暴风雪” 号唯一的一次轨道飞行任务，于 1988 年 11 月15 日 UTC 时间 3： 00 由拜科努尔发射场顺利发射升空。“暴风雪” 号采用无人飞行， 由专门设计的 “能源” 号火箭推进器送上太空。“能源” 号是截至目前世界上最大的液体燃料火箭推进器。美国航天飞机的推进是固体燃料推进器与航天飞机自身液体燃料相结合， 飞机本身自带一个巨大的燃料罐；而苏联的航天飞机只用瓦伦汀·格鲁什科研制的火箭的四个液体燃料引擎。这个项目虽然前后拖了好几个年头，但它是截至目前唯一的一次全自动无人驾驶飞行任务。自动发射程序如期执行，“能源” 号火箭将飞船送入一个临时轨道，然后轨道器按设计程序自动分离。在将自己推入更高的轨道环绕地球飞行二周后，引擎控制系统自动点火， 飞船开始进入地球大气层。“暴风雪” 号在准确地飞行了 206 分钟之后着陆，飞行中 38000 片热片只失去 5 片。最后，“暴风雪” 号自动降落在拜科努尔发射场预先设定的跑道，当时侧向风速 61.2 千米 / 小时，但着陆点的偏差横向仅 3 米，纵向仅10米。无人驾驶飞行这是首次，而且体积如此大，问题如此复杂，环绕精确完成，按照预设返回大气层，自动制导精确着陆。6

优异性能“暴风雪”号在某些技术方面优于美国的航天飞机，主要表现在：

（1）航天飞机上的主发动机是在“能源”号火箭上，大大地减轻了航天飞机的入轨重量。虽然它比美国的航天飞机略大了一些，但它的重量反而减轻了约5吨，这样就可以多装一些有效负荷。

（2）“能源”号火箭可以一箭多用，既可以发射航天飞机，也可以发射别的航天器，适应了当时苏联太空军备竞赛的需要。而且“能源”号火箭可以分段回收，重复使用，提高效益。

（3）“能源”号火箭一、二级均采用液体推进剂，因而火箭的可靠性较高。而且“暴风雪”号航天飞机万一发生故障，可用自身的机动发动机使航天飞机进入较低的轨道或立即返回发射场，大大提高了航天飞机的安全性能。

（4）“暴风雪”号航天飞机上虽然没有主发动机，但有两台小型机动发动机，着落时如果第一次着落不成，还可以像普通飞机一样拉起来，再次进行着落，安全性能比较高。

（5）“暴风雪”号在轨道运行时，完全依靠无人自动驾驶，其技术难度更大。

惨淡收场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。而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。暴风雪计划在某种意义上加速了苏联的瓦解；而苏联解体后，昔日的计划更是彻底失去了经济支持。1991年，苏联军方停止了对该计划的拨款支持。1993年，暴风雪航天飞机机身的设计者，莫尔尼亚联合体被迫承认，暴风雪计划就此结束。他们希望能够转向开发其他小型航天设备，但因资金不足，只能作罢。7

据新上任的俄罗斯宇航局局长Yuri Koptev说，如果能源号重型大推力运载火箭和暴风雪号航天飞机不能国际商业化，那么在今后四年中，他们将会被取消。

不过较小型能源号，即能源号 M 型运载火箭却可以替代质子号，作为 90年代末的可把35 t 重物送入低地球轨道的运载火箭。利用现有的能源号和暴风 雪号运载器，在1993年到1994年中就可以保证新宇宙舱与和平号空间站对接，而无需再建模型。能源号已飞行过两次，而暴风雪号仅一次Koptev认为，和平号空间站提供连续生活保障是可行的，特别是现在，它是能够创汇的唯一领域，它可为轨道站上从事研究任务的 宇航员提供数次飞行。据新成立立的俄罗斯航天局消息，俄罗斯1992年航天预算与1991年相同，大约为58亿卢布(官方比价合3亿美元) ，这相当于1989年的70亿卢布。因此，据发布消息的人士讲，空间预算将减少1/3。

尽管减少了发射次数，但预算开支仍不能满足军事计划需要，费用削减已经影响计划。今年独联体发射8次，其中一半是为军事计划发射。

俄罗斯担负着前苏联85%的航天研究任务。大约65%的航天飞行器是从它的普列谢茨克航天发射场发射的。

独联体空间计划面临的很多问题为预算问题。位于拜克努尔航天发射场附近的列宁斯克市是一座宇航工业城市，已欠有800万卢布的债务。在二月份的一次关于 工作条件的骚乱中，拜克努尔有3名士兵死亡。8

自1988年至今，暴风雪号航天飞机没有再进行过太空飞行，和平号空间站只能利用一次性飞船和美国航天飞机作为往返工具。按原计划，第二架航天飞机将于1991年首飞，第3架则是在1992年建造完成，而首次载人飞行将在1994-1995年间进行。但由于政治和经济原因，这一切都没有实现。所有航天飞机只能存放在库房中，任灰尘飞扬，仪器老化。而未完工的两架则已在90年代中期被拆解。

2002年，暴风雪号航天飞机中可以飞行的一架连同能源号火箭一道，因拜科努尔的厂房坍塌而被摧毁。至此暴风雪计划在凄凉惨淡中彻底终结。4

坎坷命运2008年3月，德国一博物馆以1000万欧元的价格购得一架苏联暴风雪航天飞机。 “暴风雪”号航天飞机曾经是苏联航空工业的一大骄傲，然而，令无数俄罗斯人感到万分沮丧的是，其中一架最后的归宿地却是在数千公里之外的德国施派尔(Speyer)城--当地的技术博物馆已经以1000万欧元的价格购得了一架“暴风雪”号航天飞机。施派尔城技术博物馆馆长赖耶尔表示，他们其实早已做出了购买“暴风雪”号的决定。但这一决定的实施过程却并不简单。

曾负责研制这架航天飞机的俄“闪电”科学生产联合公司一直在采取各种措施从其身上“捞钱”。“暴风雪”号先是被运到澳大利亚进行展出，但澳方并未向“闪电”公司支付事先承诺的费用。在经历了多次波折后，“暴风雪”号终于在位于波斯湾的巴林找到了一个临时的“栖身之地”，“闪电”公司重新获得了对这架航天飞机的支配权。经过谈判，俄方终于同意以1000万欧元的价格将其出售给德国人。不过，被运往德国的“暴风雪”号并不是于1988年11月15日飞向太空的那艘，而是与后者在尺寸和性能上几乎完全相同的试验模拟机，正式编号为“BTS-02”。前苏联曾利用该机实施过多次自动和手动模式下的滑跑、起飞和降落试验。“BTS-02”总共完成了24次飞行，累计升空时间为8时。俄方代表对这笔交易相当满意。“闪电”公司一负责人表示，德国人完全履行了自己的义务。他同时透露，“闪电”公司正考虑重新启动可重复使用宇宙飞船的生产工作。当然，新产品将不会是“暴风雪”的简单复制品。德国施派尔城技术博物馆馆长介绍说，购买“暴风雪”号花费的1000万欧元不仅包括了运输费用，而且还包括为其修建专门机库的开销。机库的建造工作正在加紧进行之中。按照计划，运送“暴风雪”号的货轮将于本月底抵达荷兰的鹿特丹港。之后，航天飞机将由陆路运抵目的地。据悉，长度达36米、发射重量超过100吨的“暴风雪”号航天飞机将成为施派尔城技术博物馆中最大的展品。6

建造数量苏联总共建造过5架用于开展飞行活动的“暴风雪”航天飞机，分别为：

项目编号：1.01，“暴风雪”号--是苏联唯一一架进行过自动驾驶模式下太空飞行的航天飞机，于2002年5月12日被完全拆解。所有权归哈萨克斯坦。

项目编号：1.02，“小鸟”号--原计划用于实施第二次自动驾驶模式下的太空飞行并与“和平”号空间站实施对接。所有权归哈萨克斯坦，被拜科努尔航天发射场博物馆收藏。

项目编号：2.01，至停工前只完成了30-50%。

项目编号：2.02，只完成了10-15%。

项目编号：2.03，未完工便被拆毁。

除此之外，苏联还建造过8架测试模型，用于进行各种验证活动，德国博物馆此次购买的便是其中的一架。由于在资金方面遭遇巨大障碍，俄罗斯于1993年最终取消了有关“暴风雪”航天飞机的一系列计划。9