“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.     

使神号航天飞机的防热系统

法国使神号航天飞机的防热系统借鉴了美国航天飞机的经验,但又有自己的特点。本文概括介绍了使神号的气动加热与防热系统的优化设计,以及防热方案与防热材料选择的近况,并评价了各类防热方案,特别指明了陶瓷复合材料盖板+多层反射层防热系统和陶瓷复合材料热结构的优点,最后给出了使神号上可能采用的防热系统分布图。     

航天飞机防热系统材料进展

一、防热系统材料方案选择 载人航天器防热系统设计与材料问题是公认的实现载人航天的一个关键技术问题。世界各国很重视载人航天器的防热系统材料研究。特别是航天飞机要求多次重复使用(美国和前苏联是设计使用100次),而且是载人飞行,因此要求安全可靠的、耐高温的、轻质的热防护材料。 1973年美国在进行航天飞机轨道器设计时,决定采用防热和结构分开的设计方案,即除鼻锥帽和机翼前缘采用热结构外,机身、机翼的其他部位采用冷结构加防热层的方案。如蒙皮结构采用常规航空铝合金来承载,它的外面采用轻质陶瓷瓦起防热隔     

“赫尔墨斯”推进系统设计

“赫尔墨斯”航天飞机是一种载人的、可重复使用的飞行器.它要用新的“阿里安”5发射到低地球圆形轨道和极轨道.当“赫尔墨斯”脱离“阿里安”5后,即机动飞行到其所要求的工作轨道上.讨论了两种入轨的推进概念:组合式可重复使用系统和分离式一次性使用系统.重点研究组合式系统.但也分析了一次性使用系统对本研究结果的影响.讨论了推进系统的基本流程图的设计步骤,并提出几种导致选择基本推进系统流程图的比较方案.示出了改变外形的最新“赫尔墨斯”对流程图的影响.     

简讯

MBB运输机和客机集团的风洞实验室第一次对“赫尔墨斯”模型进行了风洞流体试验.MBB公司在“赫尔墨斯”的预研计划中承担对大小不同的模型进行多次试验的任务.这一系列的试验是为了获得航天飞机在大气层中飞行所需的最佳外型结构.这些试验将在欧洲航空航天工业风洞实验室以及各研究所的风洞实验室里进行.     

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.     

统一热管理的疏导式防热系统概念研究

对各种防热、热控机理基本规律进行了梳理和研究,认为要进一步提高系统性能,需要进行结构、防热、热控一体化设计。基于这种设计思想,提出了一种将航天器防热、热控和结构相结合的“统一热管理的疏导式防热系统”,在传统防热机制的基础上,加入原先主要用于热控的各种热传输机制,进行防热、热控和结构等子系统间热的统一管理。应用这种系统,可提高防热效果,减轻飞行器的结构重量,减轻高热流区材料与结构的耐温负担,有可能实现长时间、超高速大气层机动飞行器的前缘尖化,还可使整个防热层趋于等温,易于热控处理,减小结构热应力。文章还分析了疏导式防热系统的应用前景,并针对几种典型的航天器（尖鼻锥和尖翼前缘的高超声速巡航飞行器、返回式航天器和载人飞船）提出若干适用的疏导式防热系统的方案设想。     

星际航天服新型防热材料研究

本研究的对象是柔性纤维骨架的气凝胶复合材料，研究目的是开发未来月球火星航天服的防热材料。在高、低真空状态下，骨架纤维硅气凝胶复合材料（FSACF）的高柔性和良好的防热属性使之成为未来航天服最有可能使用的候选防热材料。本文首先介绍了保持热性能的情况下这些气凝胶复合材料的耐久性（机械循环测试）研究。研究显示，在25万次机械弯曲循环测试之后，其中一些气凝胶材料保持了大部分防热性能。本文也调查了将这些柔性气凝胶复合材料整合入目前航天服部件中的问题。对不同类型气凝胶航天服部件方案进行热传导性评估，以确定在月球和火星环境下，可能具有最佳总热性能的防热敷层概念。还讨论了应用这些气凝胶材料，减轻硅材料受灰尘污染问题的潜在解决方案。     

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.     

霍托尔空天飞机

为与美国航天飞机争夺世界卫星发射市场,欧洲急于研制自己的下一代空间运载工具.“霍托尔”水平起降单级入轨空天飞机便是吸引人的方案之一.“霍托尔”的新颖之处是采用组合式发动机—RB545吸气式氢氧发动机.这种发动机兼有空气喷气发动机和火箭发动机两者的优点.“霍托尔”在结构和气动布局设计、材料选择和防热措施方面也有许多独到之处.最后介绍“霍托尔”的飞行方案和飞行程序.     

陶瓷基复合材料在火箭发动机上的应用

综述了连续纤维增强陶瓷基防热结构复合材料的研究现状、航天应用及制备方法 ,包括 Zr C、Hf C、Ta C基耐烧蚀复合材料 ,Si C、Si3 N4基热结构复合材料 ,Al2 O3 、Zr O2 基绝热复合材料     

有惊无险的第三次太空行走首次走到机腹首次修理防热系统

8月3日，发现号航天飞机上的任务专家罗宾逊完成了一次史无前例的太空行走：他站在空间站17、4米长的机械臂末端到达机腹部，对航天飞机成功进行了一次非常重要而又十分危险的“外科手术”。此举不仅使发现号转危为安，还创造了一项新奇迹，因为此前航天员们还从未尝试过在飞行中对航天飞机的防热系统进行修复，     

美国航天飞机防热系统简介

美国航天飞机需要多次反复出入地球大气层，在其上升、入轨和再入的飞行过程中要经受严重的热、振动、噪声和冲击等复杂环境的影响，其中最苛刻的飞行条件是从轨道上以高超音速再入大气层时强烈的气动加热，因此需要采用防热系统对机体结构加以保护，防止它因高温而被烧毁。航天飞机再入气动加热环境的确定是防热系统设计的基础。     

航天飞行器热防护系统的一体化设计

航天飞行器进入大气层时经受强烈的气动加热,需借助于热防护系统以保护其免受气动热的伤害;飞行器机翼前缘和鼻罩是最高温区,该处的温差相当大,热防护措施尤其重要。作为热防护系统一方面要抵抗强热的冲击,另一方面要最大限度地减少气动热传入结构的内壁,这就对防热系统所用材料提出不同的要求。抗热冲击要求材料质密而隔热但又要求质轻,这就是矛盾所在。随着复合材料的发展,这对矛盾可以通过利用不同材料特性把防热系统分层来解决,从而导致一体化设计的概念和方法。本文利用热传导理论对两层结构的防热系统进行一体化设计分析。     

航天飞机 省钱还是烧钱？

“暴风雪”号自1988年11月15日首飞之后,留给俄罗斯人们的只有思念;欧洲“赫尔墨斯”号在1992年11月即被宣告胎死腹中;从来都野心勃勃的日本“霍普”号几年来也鲜有动作;即使是作为航天飞机大本营的美国也似乎不堪重负。为何航天飞机,想说爱你却又如此的不容易?     

运载火箭尾段防热/承载一体化热防护系统设计及性能分析

先进热防护技术是可重复使用运载火箭研制的关键技术之一,具有高结构效率的防热/承载一体化热防护系统是运载火箭极具潜力的备选热防护方案。本文系统地总结了可重复使用运载火箭尾舱段防热和承载两方面的设计要求,设计了一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护系统。开展了运载火箭尾段一体化热防护系统设计,进行了代表性单胞结构的高温环境地面试验,揭示了复合材料一体化热防护系统的防隔热机理。同时施加力学和热流载荷,利用有限元方法对运载火箭尾段进行了热力耦合分析,获得了尾段结构的温度场、应变场和应力场。结果表明:在典型载荷工况下一体化热防护系统内壁温度保持在89.2℃以下,内部最大应力不超过9.53 MPa,安全系数达到1.89。     

单纤维复合材料的热特性新型航天材料特性介绍之一

以电子计算机和空间技术的发展为标志的现代科学技术正在经历着空前的变革;而信息能源和材料已经成为实现这些变革的三大支柱.因为材料是一切科学技术发展的物质基础,因此其重要性是显而易见的.众所周知,复合材料是发展航天技术急需的新型材料.曾有人预测,本世纪末复合材料将成为宇航工业的主要结构材料,并将代替飞机上大部分金属材料.因此,国外有人称二十一世纪是“复合材料世纪”,是有一定道理的.美国把复合材料称为第四代防热材料,优先考虑用作下一代导弹的防热材料;日本把复合材料列为当代重点攻关的尖端材料.高级复合材料的生产与应用已经成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志.     

航天器结构用材料应用现状与未来需求

航天器结构是所有航天器的重要组成部分和基础,影响航天器结构性能的最主要的因素是结构用材料。文章着重对航天器结构中广泛使用的复合材料、金属材料、防热材料的应用现状进行了分析,同时提出了未来发展需求。     

航空航天材料发展现状及前景

文章较系统地介绍了航空航天材料的特点、地位和作用,结合具体案例分析了铝合金、钛合金、先进复合材料等结构材料,以及以透波复合材料、吸波隐身复合材料为代表的航空功能材料和以防热耐烧蚀复合材料、梯度功能复合材料为代表的航天功能材料的性能和应用,指出航空航天材料的未来发展方向是高性能、多功能、复合化、智能化、整体化、多维化和低成本化。     

法国的空天飞机计划

最近,法国有关宇航专家透露了法国的空天飞机计划.法国空天飞机将成为法国2000年的一种空间运输系统,它分为入轨型和空运型(AGV)两种.法国目前考虑的入轨型空天飞机有两种:一种类似于“霍托尔”单级入轨空天飞机,另一种类似于“桑格尔”两级空天飞机,其入轨的小型轨道器与“赫尔墨斯”小型航天飞机很相似.法国宇航公司和法国国营飞机发动机研制公司(SNECMA)都有自己的AGV计划.法国空天飞机可望