“赫尔墨斯”小型航天飞机综述

全面而详细地介绍欧空局“赫尔墨斯”小型航天飞机的性能及研制情况.可重复使用的“赫尔墨斯”是欧洲未来空间系统的最重要的组成部分,它借助“阿里安”5运载火箭垂直起飞达到预定轨道,返回时能像高超音速滑翔机一样水平降落在指定的跑道上.“赫尔墨斯”有载人和不载人两种飞行方式.法国宇航公司和达索-布雷盖公司推出了各自的“赫尔墨斯”方案.最后介绍“赫尔墨斯”最终方案的推进系统、防热系统、结构布局和电源系统等,以及该航天飞机的飞行计划.     

空间运输的发展方向

国际运载系统的近期目标是将至少5000kg的有效载荷送往地球同步轨道(CEO).美国将用带有新的上面级的航天飞机和辅助性一次性使用运载火箭(CELV)如“大力神”34D 7/“半人马座”来实现这一目标.苏联的运载工具和欧空局(ESA)的“阿里安”5也将能实现这个目标.美国显然将恢复采用机/箭混合编队政策,而只用航天飞机完成载人飞行任务.ESA的“赫尔墨斯”和苏联航天飞机也主要用于载人飞行.苏美两国都花了巨大的人力物力来研究第三代空间运输系统,迅速及时地以低成本将重型载荷送入轨道.空天飞机和HOTOL(水平起降)、航天飞机型火箭(SDV)和大推力运载火箭(HLLV)等各种方案都在研究之中.这些第三代运载工具将满足民用和军用需求.民用包括扩大现有商业活动、地球观察、空间生产、空间站和载人飞行,以及其他尖端任务,如火星探险(载人和不载人)、月球基地和大型空间动力系统.军用可能包括先进的情报和侦察系统、宇宙飞船服务和维护任务、SDI支援系统,以及永久性空间驻人基地.实现这些目标将需要研制空天飞机.空天飞机还将发展成用以完成高速空天运载和灵活反应任务的飞行器.叙述中型运载火箭、先进的航天飞机和空天飞机的现有设想和早期计划.讨论SDV和地球至低轨道大推力系统,介绍“赫尔墨斯”和苏联航天飞机.     

法国研究未来的运载系统

减少乘员和载荷的LEO(低地球轨道)运载成本,是研制继“阿里安”5后的下一代空间运输系统的主要目标.如果整修费不太昂贵,那末最理想的方案是研制可回收运载工具.可回收系统由于需将额外的重量带进轨道用于再入,故其不确定性比一次性使用运载工具大.有效载荷只占总重的很小一部分,将增加不确定性.据此,CNES(法国全国空间研究中心)已开始调整对运载工具及其推进的基本研究.法国宇航公司对水平和垂直起飞、单级和两级结构,以及各种推进方式的各种可重复运载工具方案作了比较研究.AMD-BA对其他系统的研究旨在通过一项保守的计划,用已有的证明有效的数据建立数据库,通过参量研究评定各方案对技术的敏感性.SNECMA(法国国营飞机发动机研究制造公司)、SEP(欧洲动力装备公司)和ONERA(法国全国航空空间研究局)研究了各种组合发动机,以选出一种更理想的航天飞机推进系统.     

西欧航天计划的若干财政-政策观点和技术观点

主要阐述有关制定和执行西欧航天计划的若干财政-政策观点和技术观点.介绍降低“阿里安”族运载火箭成本的途径,即要批量生产和保持良好的继承性.分析西欧实现“赫尔墨斯”计划的可能性,认为西欧无论在技术上,还是在财政上都具有研制航天飞机的能力.对航天飞机的耐热结构、氢氧燃料电池、遥控机械手的研制作了讨论.     

未来的大型运载工具

概括介绍现有运载工具的技术发展水平和运载能力,对未来发展趋势作了展望,叙述了几种用于完成下一世纪飞行任务的运载工具可行方案.对一次性使用和可重复使用的运载工具的运输成本比进行计算,并绘出在低轨道飞行任务中运输成本比与累积有效载荷质量的关系曲线.大推力运载工具(HLLV)可以以约500美元/公斤的平均成本承担总共10万吨的空间发射任务.结论是,未来肯定将需要和研制出在低轨道载送乘客的第二代航天飞机和多用途的大型空间运输机.     

水平起落完全重复使用的下一代航天飞机

概括介绍第二代水平起落、可重复使用航天飞机的发展情况、基本工作原理和主要特点;航天飞机技术的突破,必将推动现代航空技术的发展.着重叙述目前世界各国所提出的各种航天飞机方案,其主要技术性能、工作特点及方案论证情况,这包括英国的HOTOL、西德的S(?)nger和美国的“东方快车”.在这方面,目前美国暂处于领先地位.发展第二代航天飞机有五项主要的关键技术:1.吸气式组合推进系统;2.材料;3.结构;4.飞行控制和稳定;5.高超音速空气动力技术.     

待发式运载工具推进方式的评价

未来的地球—轨道运载工具应能在作出决定后的几小时、甚至几分钟内发射.这种运载工具的研究工作已经开始.在第一阶段的研究中,设计出了11种能将2.27t载荷送入极轨道的运载工具,并验证了设计参数的变化(增加轨道机动飞行动作、增加载荷重量等).根据第一阶段研究结果,第二阶段的设计工作选择了两种方案,即垂直起飞的两级系统和水平起飞的两级系统.给出了几种推进方式的评估结果,包括起飞时的推重比效果、水平起飞的双燃料推进方案和使用氟的效果等.     

美可能发展新型载人航天器

图１　欧洲前些年曾提出过用阿里安５发射的使神号航天飞机方案。美国的机组／货物转运飞行器有可能采用这种用一次性运载火箭发射的有翼航天器方案美可能发展新型载人航天器子　力　　美国的４架航天飞机按每架可重复使用１００次来计算，还可飞行很长一段时间，但终将被更为先进的载人航天器所取代。为了确定航天飞机的“接班人”，美国航宇局正在组织有关公司开展一项称为“航天运输结构”的研究计划，对各式各样的接班方案进行论证。正是在这项研究计划的实施过程中，美国航宇局产生了研制一种新式ＣＣＴＶ载人航天器的想法。这种航天器…     

“阿里安”L5发动机的研制状况

“阿里安”L5是欧洲研制的最重要的中等推力级可贮存的二元推进剂发动机.它采用了多元件喷射器的设计原理,这种喷射器使用多个同轴喷射元件、一个燃料再生冷却燃烧室和一个辐射冷却的喷管扩展段.研制该发动机各部件所运用的技术与MBB-ERNO公司研制“阿里安”HM7液氧/液氢发动机时运用的技术相类似,但由于L5发动机的推进剂具有二元的基本特性,故现有的液氧/液氢技术只能部分采纳.对此MBB-ERNO公司提出了一项实验性计划来论证同轴式喷射器原理的可行性.L5发动机的研制工作包括整台发动机的设计及推进分系统的布局.叙述L5发动机的设计、性能和工作特性,以及研制状况,重点介绍目前正在研制的喷射器.     

“赫尔墨斯”计划的实施情况

详细介绍欧空局“赫尔墨斯”航天飞机新方案的特点、与原方案的不同之处及新方案的实施情况.选择防热系统是“赫尔墨斯”设计者面临的最复杂的问题之一.将“赫尔墨斯”防热系统同美国航天飞机的防热系统作了比较.目前有两种防热系统方案:带外防效层的非热强结构;能耐高温的热强结构.未来航天飞机的防效结构将大量采用碳基复合材料和陶瓷复合材料.     

霍托尔和森格尔2航天飞机

本文分别介绍了英国宇航公司和西德MBB公司的霍托尔和森格尔航天飞机的启用时间、运载能力和研制费用。这两种航天飞机都可重复使用,并能水平起飞和着陆,可使低轨道的发射费用下降到目前美国航天飞机的1/5。     

评定运载火箭成本的TRANSCOST模型及其应用

首先介绍评定运载火箭的研制和发射成本的解析模型的结构,着重讨论评定使用成本的新方法,并引入众多参数来修正模型.尔后以“阿里安”4后继型为例,讨论用于未来系统分析和成本比较的模型,分析了采用10种不同方案的可贮低温燃料两级火箭的研制和发射成本.欧洲未来运载火箭系统的关键是要最佳解决有限的研制费用与期望的最低发射成本之间的矛盾.多次使用系统能使发射成本大为降低,但研制费用较大.基于实际参数的成本解析模型能为选择运载火箭方案提供重要的信息.     

法国宇航公司研究空间转运器和通用飞行器

法国宇航公司正在对空间转运器和通用飞行器进行一系列研究,用于巩固欧洲在空间、特别是在载人空间站设施方面的地位。其中一项研究工作是对阿里安转运器(AT-V)进行评价。阿里安转运器可把由阿里安5发射的有效载荷送到与空间站或其它平台的最终会合点。阿里安转运器的直径为3米,高1.3米(见图1)。它可用来代替阿里安5火箭上的 L-5上面级,与要推到轨道会合点的有效载荷一起在轨道上运行。阿里安转运器在完成任务后能够放在“使神号”航天飞机的货舱内送回地面,以便再次使用。     

欧空局设计半重复使用的运载火箭

由欧空局(ESA)资助的半重复使用的低温运载火箭方案的初步论证已告结束。这项研究工作历时四年、耗资100万美元,旨在评价供欧洲将来使用的各种运载火箭。该项研究工作提出了一个垂直叠置的运载火箭和一个在中心体两侧各捆绑一个液体助推器的运载火箭的详细设计。其目的是要确定几种可由欧洲将来合作研制的运载火箭作为阿里安1～4系列火箭的后继运载系统。然而,由于法国已提议把阿里安5P 作为欧洲合作研制的下一枚运载火箭,因而,欧空局的研究结果就显得不太重要了。阿里安5P 是作为与西德和意大利合作研制的“哥     

美公司要研制“龙船”

美国空间探索技术公司称。它将研制一种可乘7人的低地轨道可重复使用飞船。并希望借此竞争美国航宇局目前由航天飞机承担的部分任务。称为“龙”的该飞船可说是阿波罗和联盟号飞船的混血儿，但能重复使用，将由该公司的“猎鹰”9火箭发射，已作为“商业轨道运输服务”（COTS）项目的竞标方案提交给美国航宇局。该局已为COTS项目拨出5亿美元款项，以鼓励私营公司填补从航天飞机退役到“机组探测飞行器”启用之间美在航天能力上的空白。估计有lO多家公司参与竞争，其中空间居室和太空开发两家公司已透露它们中标的消息，但航宇局并未公布哪些公司和共有多少家公司入围。     

阿里安-5火箭将发射伽利略导航卫星

据ESA网站2012年2月3日报道,阿里安航天公司总经理和ESA负责“伽利略”（Galileo）项目负责人在伦敦签署了一项使用阿里安一5火箭发射欧洲Galileo卫星系统的协议。阿里安航天公司将使用“联盟”火箭（每次发射2颗卫星）和阿里安一5火箭（每次发射4颗卫星）共发射26颗Galileo卫星。Galileo卫星发射合同由ESA代表欧洲委员会负责管理。这些卫星由德国OHB技术公司和英国萨瑞卫星技术有限公司（SSTL）共同制造。卫星将从法属圭亚那航天中心发射升空,进人高度23000km的圆形轨道。     

可重复使用运载器的新秀XS-1

人类进入航天时代以后,发现运载火箭成本中推进剂的比例很低,而箭体尤其是导航制导控制系统占去了大部分份额,从理论上说能将运载火箭从一次性使用发展为重复使用的话,肯定可以大幅度降低发射成本,这也是人类坚持不懈发展可重复使用运载工具的动力。不过由于技术、工程或是资金方面的原因,迄今为止也没有一种成功的可重复使用运载工具,但各国仍在积极进行研究工作。2013年9月美国国防先进研究项目局（DARPA）公开了新的“实验性航天飞机”（XS-1）项目,它将再一次挑战廉价入轨的目标。     

欧洲航天的发动机——法国斯奈克玛公司

法国国营飞机发动机研究制造公司(SNECMA,简称斯奈克玛公司)是一家航空航天动力装置研制生产厂家,在欧洲航天推进领域起着举足轻重的作用。它承担了欧洲阿里安1～4型火箭各级以及液体助推器所用的推进系统的设计和研制工作,为阿里安火箭在世界商业发射市场上抢占领头羊的位置起到了至关重要的作用。到1999年6月为止,由6种型号组成的阿里安4型火箭已生产了120多枚。在新—代阿里安5重型运载火箭项目中,该公司负责研制生产低温主级的推进系统。阿里安5所用的 MPS 固体火箭发动机则是由斯奈克玛公司和意大利菲亚特航空公司的合资公司欧洲推进公司研制和生产的,从而充分利用了斯奈克玛公司在长期为法国战略导弹研制固体发动机的过程中积累的经验。目前斯奈克玛公司还在为阿里安5的改进型火箭——阿里安5 研制ESC-A(使用阿里安4的 HM7B发动机)及后续型号 ESC-B(使用推力147千牛的全新式低温发动机)低温上面级的推进系统。这两种上面级具有很高的通用性,将有利于降低研制成本。除用于运载火箭外,斯奈克玛公司生产的推进系统还用于卫星的远地点变轨、姿态控制和轨道控制。     

阿里安5系列

阿里安5火箭的研制正在进行,它将成为阿里安家族的最新成员,由于这个方案好,有助于降低发射成本,提高可靠性,并且为进一步改善阿里安发射机构而发挥作用,所以它的研制将巩固阿里安空间机构在商业地球转移轨道市场的主导地位,保证欧洲具有进入空间所有轨道的独立性。阿里安5也是阿里安1在八十年代问世以来火箭新系列的基石,阿里安5方案已由 CNE 和欧洲工业进行研究并将参与竞争,满足了今后20至30年的需要。现今基本方案的进展使阿里安5面临本世纪末的世界竞争和不断扩大的发射业务。作为进一步的需要,研制初期制定的发展潜力是在采用阿里安4的低温上面级以实现“10吨”重的地球转移轨道的目标。不管怎样,它真正的增长潜力几乎是无限的,而且强大的竞争力和吸引力对实现月球飞行和完成各种卫星发射任务具有重要保证。     

中国航天运输系统的现状与展望

航天运输系统是指往返于地球表面和空间轨道之间以及轨道与轨道之间运输各种有效载荷的运输工具系统的总称。它包括载人或货运飞船及其运载火箭、航天飞机、空天飞机、应急救生飞行器和各种辅助系统等(见图1)。航天运输系统可分为一次性使用和重复使用两种类型。