航天运输体系的建立及运载技术的新进展（下）

2.2可复用运载器

重复使用是降低航天运输费用的十分有效的手段之一，是未来航天运载器发展的必然趋势。近年来可复用运载器成为美、日、欧发展的热点。它们均制定了各自的发展计划。日本和欧空局甚至还签署协议，共同分享研究数据。本文重点介绍美国可复用运载器的发展情况。

美国自1996年进行了以火箭发动机为动力的单级入轨X－33/可复用运载器技术计划，但由于在复合材料液氢贮箱方面遇到了不可逾越的困难，经4次首飞推迟后，最后政府决定不再支持该项计划。2000年夏，NASA已开始陆续实施其ISTP计划。该计划对未来四五十年内美国整个航天运输计划进行了规划。它将美国航天运输计划的发展分为三个阶段：（1）第二代可复用运载器计划（2001～2010年）；（2）第三代可复用运载器计划（2010～2025年）；（3）第四代可复用运载器计划（2025～2040年）。

NASA还在该年度向国会提交了2001年财政预算方案。方案要求今后5年内保持投资的稳定增长。2001年至2005年投资分别为140、144、147、153和155亿美元，比上个5年增加45亿美元。该项新投资计划的核心是启动耗资60亿美元的“先进航天运输研究”工作，以试验各种可复用运载技术，研制可复用运载器来取代现役航天飞机。2001年2月28日，美国总统又宣布了2002财年预算案草案，其中NASA在新一财年的预算经费为145亿美元，比2001财年增加了1.5％。但报告中指出，美国政府要在新财年增加对国际空间站和火星探测计划的投资，并启动新的航天运输计划，即“航天发射计划”（SLI）。

2.2.1 SLI——第二代可复用运载器计划

SLI计划实际上是NASA综合航天运输计划的一个组成部分，也就是目前已开始实施的第二代可复用运载器计划。SLI计划的目标是向与发展第二代可复用运载器相关的技术领域投资，计划在2010年研制成功一种商业上具有竞争力、由私营公司所有和运营的可复用运载器，其可靠性要比现役航天飞机高100倍，发射价格便宜90％，并逐步取而代之。

整个SLI计划实际上包括开发第二代可复用运载器、改进现役航天飞机和研制补充运载工具。这些运载工具都将为正在建造的国际空间站运货和进行人员轮换，其中第二代可复用运载器主要满足远期的发射需求，而后两种主要是满足近期需求。第二代可复用运载器的目标是将把单位有效载荷运送到近地轨道的费用降低到2200美元/公斤，乘员损失概率为1/10000。

在前面提到的60亿美元的预算中，NASA计划用45亿美元在波音、凯利、洛马、轨道科学等多家公司的初始方案之间进行公开竞争，选择第二代可复用运载器方案。NASA拟至少重点投资两个竞争方案，争取在2005年决策是否进行第二代可复用运载器的全尺寸研制。其余13亿美元将用于各种辅助技术的研究与开发。从资金投入上看，美国政府在新的5年财政计划中，加大了发展可复用运载器技术的步伐。上个5年财政计划中用于可复用运载器的研究经费大约在15亿美元的水平。

2001年5月17日，NASA与22家公司和大学签署了第一批SLI计划合同，合同总价值为7.66946亿美元。NASA表示，第一批合同的任务并非让承包商提供新的第二代可复用运载器设计方案，而是开发与之相关的技术。在众多承包商中，波音公司、基斯特勒公司和普惠公司获得了较高的研制经费，所签合同价值均超过1亿美元。第一批合同的签署情况如下：（1）波音公司1.36064亿美元，涉及系统分析、箭体结构、子系统、操作和推进系统等5个不同技术领域。（2）基斯特勒公司1.354亿美元，主要进行K－1可复用运载器的飞行验证。（3）普惠公司1.25817亿美元，从事上面级和推进系统的研究。（4）洛马公司0.94319亿美元，涉及系统分析、箭体结构、子系统、操作和运载器综合健康管理系统。（5）诺思罗普·格鲁曼公司0.86591亿美元，涉及系统分析、箭体结构和综合运载器健康管理系统。（6）轨道科学公司0.53128亿美元，涉及系统分析和飞行验证任务。（7）洛克达因公司0.65484亿美元，涉及上面级和推进系统研究。（8）霍尼韦尔公司0.11494亿美元，涉及综合运载器健康管理系统研究以及根据NASA特殊要求进行的研究。（9）富创公司185.6万美元，涉及系统分析。（10）海洋工程公司534.7万美元，涉及箭体结构研究。（11）材料研究与设计公司200万美元，涉及箭体结构研究。（12）南方研究学院公司163.3万美元，涉及箭体结构研究。（13）谢拉·洛沃公司159万美元，涉及操作系统研究。（14）PHPK技术公司765.7 万美元，涉及操作系统研究。（15）穆格公司50.1万美元，涉及上面级研究。（16）宇宙航班公司654.5万美元，涉及飞行验证。（17）TRW公司0.15544亿美元，涉及推进系统研究。（18）航空喷气发动机公司760.7万美元，涉及推进系统研究。（19）安德鲁斯航天技术公司301.7万美元，涉及推进系统研究。（20）通用动力公司37.6万美元，涉及上面级研究。（21）俄亥俄大学439.3万美元，涉及飞行力学研究。（22）北卡罗莱纳大学58.3万美元，涉及箭体结构研究。

目前，有关技术研制正在继续或陆续开展。例如美国虽取消了X－33和X－34计划，但线性气塞式发动机XRS－2200的研制试验一直还在进行，已成功进行了3次双机点火试车，并验证了所采用的机电作动器。洛克达因公司提出研制RS－83发动机作为SLI的发动机。它综合了航天飞机主发动机、XRS－2200气塞式发动机和德尔它4所用的RS－68发动机技术。航空喷气发动机公司和普惠公司合作研制的“联合优化可复用助推器”（COBRA）发动机综合了两家公司的技术与经验，如采用了普惠公司为航天飞机主发动机研制的高性能涡轮泵和新的综合健康管理技术等。RS－83和COBRA发动机全部采用了新的机电式作动器。

2.2.2第三代可复用运载器计划

第三代可复用运载器计划也称为“太空航班”100，由马歇尔航天飞行中心的先进航天运输计划办公室管理。它的主要目的是通过充分投资和长期努力，确定和开发供第二代可复用运载器之后更为先进的可复用运载系统使用的关键技术。第三代可复用运载器的目标是以每公斤220美元的成本和百万分之一的乘员损失率把有效载荷发送至近地轨道。为达到上述目标，第三代可复用运载器还需要具有像航空飞机那样的操作效率来执行任务。

第三代可复用运载器的五大关键技术为推进技术；结构和防热技术；发射技术；综合健康管理系统；操作和靶场。其中推进技术将采用先进的吸气式和火箭发动机技术，目前重点放在火箭基组合循环推进系统（RBCC）上。RBCC在飞行的初始阶段以火箭方式工作，上升到一定高度时改用高效能的冲压喷气发动机，而在穿过大气层到入轨阶段时又改为用火箭发动机作为动力。

2.2.3潜在军事用途

目前，美、俄都在加紧发展各自的天军，甚至提出“谁能控制空间，谁就能控制世界”。可复用运载器（包括空天飞机）集飞机、运载器和航天器等多种功能于一身，既能在大气层内作高超音速飞行，又能进入轨道运行，将是21世纪控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。

空天飞机在军事上的应用包括：

（1）确保快速廉价地进入太空。空天飞机与目前的一次性运载火箭、飞船和部分可复用的航天飞机相比，在重复使用性、发射操作、可维性、周转时间和机动性等方面都有提高。

（2）可作为空间武器发射平台。在未来天战中，空天飞机可作为各种武器弹药（包括动能武器、高能激光武器和微波武器等）的发射平台，对敌方陆、海、空、天重要目标进行攻击，对战争的胜负至关重要。

（3）能反卫星。空天飞机能利用自身的探测设备，发现敌方卫星，对其进行跟踪和干扰，使其失灵或将其摧毁；或将其捕获，窃取其已获得的情报；或将其送入错误轨道；或将其带回地面。

（4）可作为快速运输机。空天飞机飞行速度极快。它从普通机场起飞，1小时内便可飞到全球任何地方，能对全球范围发生的地区冲突迅速作出反应，或对敌方发动突然袭击。

（5）可作为战时空间预备指挥所。空天飞机能像载人空间站那样在轨长期停留，若配备先进的指挥控制系统，一旦战时需要，可直接承担起作战指挥控制任务。

（6）侦察、监视与预警。空天飞机可利用所携带的照相侦察和电子侦察等设备对陆、海、空、天目标进行侦察与监视，对导弹发射进行预警。与各种侦察卫星相比，空天飞机具有更高的灵活机动性，综合侦察能力更强，实时性更好。

由于有上述优点，因此美国空军一直在支持空天飞机的研制和试验。NASA取消了X－33和X－34等商业计划，美国空军参与支持的X－37计划丝毫没有受到影响，仍在按部就班地进行。美国空军直接领导的另一项以军用空天飞机为目标的计划X－40A更是开展得热火朝天。X－40A和X－37都是空军和波音公司合作研制的。波音将用X－40A为X－37验证构形、制导和其它系统。NASA宣布不再资助X－33和X－34计划后，洛马公司和轨道科学公司还曾积极与美国军方联系，以谋求军方对这两种可复用运载器计划的支持。美国海军和空军都曾对X－34感兴趣，空军也对X－33具有的军事应用潜力感兴趣，并进行了专门论证，以确定其军用价值。洛马公司提出可将X－33验证机改造为能携带武器的军用空天飞机，使它能从地球轨道上向地面任何地方发射导弹，然后返回地面，整个过程仅需约90分钟。不过据2001年9月的消息，美国空军经研究已决定不为X－33和X－34提供资金，这使得上述两家公司想延续X－33和X－34项目的希望成为泡影。

美国空军提出的另一种用于未来天战的军用航天飞行器研究工作主要由空军研究实验室负责。该实验室提出的方案是可复用的两级入轨有翼跨大气层飞行器（TAV），能以高超音速巡航，并可在3小时内抵达全球任何地点。方案中的第一级称作天战飞行器（SOV），第二级是小型航天器，即空间机动飞行器（SMV）。SOV能以8～10马赫的速度穿越大气层飞行，并在大气层内和大气层外执行侦察和攻击任务，有望成为美未来组建航天航空军以实施“全球存在”和“全球作战”的重要武器。

3.小结和建议

（1）在航天运输体系中，航天运载器是确保进行空间探索和开发利用的必备运输工具，是开发和利用空间的基础。世界各国都在其各自的空间政策中把发展航天运载器（包括一次性运载火箭和可复用运载器）放在很重要的战略位置，并都制定了长远规划。对新型运载器的研制要求包括降低发射成本以及提高可靠性和操作效率。

（2）一次性运载火箭在相当长的一段时间内仍将是运送卫星和货物的主要工具。它将与可复用运载器配合使用。国外近年来研制的新型一次性运载火箭都采用系列化、标准化和模块化设计，以降低成本，提高可靠性。在未来的卫星发射市场上，竞争将空前激烈。

（3）重复使用是降低航天运输费用的十分有效的手段之一，是未来航天运载器发展的必然趋势，近年来已成为美、日、欧发展的热点。美国在2001～2010年间以发展第二代可复用运载器（即现行的SLI计划）为重点，日本正在进行希望X小型航天飞机技术验证，欧空局也在执行未来运载器技术计划。我国作为一个航天大国也应加紧开展这方面的预研工作和技术验证。

（4）可复用运载器有潜在的军事用途。它集飞机、运载器和航天器等多种功能于一身，既能在大气层内作高超音速飞行，又能进入轨道运行，将是21世纪天军控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。□

推荐访问:运载 航天 新进展 体系 运输