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航天運輸系統

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航天運輸系統是指往返於地球表面和空間軌道之間以及軌道與軌道之間運輸各種有效載荷的運輸工具系統的總稱。它包括載人或貨運飛船及其運載火箭、太空梭、空天飛機、應急救生飛行器和各種輔助系統等。

航天運輸系統及其發展 航天運輸系統是指往返於地球表面和空間軌道之間以及軌道與軌道之間運輸各種有效載荷的運輸工具系統的總稱。它包括載人或貨運飛船及其運載火箭、太空梭、空天飛機、應急救生飛行器和各種輔助系統等(見圖1)。航天運輸系統可分為一次性使用和重複使用兩種類型。   19世紀末20世紀初,在一些工業比較發達的國家出現了一批航天先驅者,如俄國的齊奧爾科夫斯基、美國的戈達德和德國的奧伯特等。他們在實踐和理論的 基礎上,著手設計和試驗火箭。經過大約半個世紀的努力,德國研製的世界上第一枚彈道導彈V2於1942年發射成功。V2火箭對現代運載火箭技術的發展起到 了奠基作用,是航天運輸系統發展史上的重要里程碑。   第二次世界大戰結束后,蘇聯和美國分別在V2火箭的技術基礎上研製成功了自己的運載火箭,成功地發射了世界上第一顆人造衛星,並且實現了人類登上月球 的夢想,逐步形成了第一代航天運輸系統。他們採用的是一次性使用運載火箭和飛船,運載能力從最早的幾十公斤,發展到100噸以上;活動範圍從近地軌道拓展 到月球、太陽系之外。   在國際商業發射市場的驅動下,各主要航天國家不斷提出新型運載火箭方案,並對原有火箭進行改進,以進一步提高運載能力,降低成本。20世紀60年代, 蘇聯研製成功了質子號火箭;80年代中期以來,美國、日本和歐空局相繼研製了大力神4B、H-2A和阿里安5等大型運載火箭。這些運載火箭基本上是按照高 可靠性、低成本和適用性強的原則設計的。世界上的現役運載工具主要包括歐空局的阿里安、美國的宇宙神、德爾它、大力神和太空梭,日本的H-2A,俄羅斯 /烏克蘭的聯盟號、質子號和天頂號以及中國的長征火箭。   一次性使用運載火箭的發射服務成本較高。為了降低發射費用,國際上開展了重複使用天地往返運輸系統的研究。1981年4月12日,美國哥倫比亞號航天 飛機的成功飛行,實現了天地往返運輸工具的部分可重複使用,標誌著航天運載器由一次性使用轉向重複使用的新階段。儘管太空梭在技術上是成功的,但是並沒 有達到降低發射費用的目的。相反,由於發射頻率低、重複使用未達到要求和載人等原因,使得太空梭的發射費用遠高於一次性運載火箭。之後各國開始了其它重 復使用航天運輸系統的研究,包括採用先進的吸氣式火箭組合發動機,在大氣層飛行時充分利用大氣中氧的空天飛機,如美國的國家空天飛機(NASP)計劃 (X-30)以及歐洲的霍托爾、使神號和桑格爾等;多級入軌完全重複使用運載器,如基斯特勒宇航公司研製的完全重複使用運載器K-1;以火箭為動力的單級 入軌完全重複使用運載器(RLV)。但到目前為止,除了部分重複使用的太空梭以外,其它重複使用運載系統距離工程實現還存在較大的距離。   總的來看,世界航天運輸系統發展的趨勢是:   ◎運載能力不斷提高,模塊化設計,大直徑,少級數,採用無毒推進劑;   ◎發射方式多樣化:陸地發射、海上發射、空中發射;   ◎冗餘設計,提高可靠性;   ◎低成本,簡化操作;   ◎重複使用。   目前已經有美國、俄羅斯、法國、中國、英國、日本、印度和以色列等國家擁有或擁有過能發射衛星的航天運輸系統。全世界已經先後研製出近百種運載火箭、 太空梭、宇宙飛船等,修建了10多個大型航天器發射場,進行了4000多次航天發射。幾十年來的航天活動促進了經濟的發展和科學技術的進步,對人類社會 生活產生了深遠的影響。   航天運輸系統是現代科學技術的高度綜合。它以科學和技術為基礎,集中了現代工程技術的新成就。同時,航天運輸系統技術的發展帶動了包括力學、熱力學、 材料學、醫學、電子技術、自動控制、推進、計算機、真空技術、低溫技術、製造工藝學等領域的發展。這些科學技術在航天運輸系統的應用中互相交叉和滲透,相 互促進和發展。   航天運輸系統發展水平代表著一個國家進入空間的能力,是發展空間技術、開發空間資源的基礎,是一種戰略性基礎設施,在國家經濟建設中佔有舉足輕重的地 位。航天運輸系統的發展直接促進了衛星技術的發展,在通信、導航、環境監測、資源勘察、科學研究等方面給國民經濟的各部門帶來直接的經濟效益,並通過新技 術、新產品、新工藝以及新的管理方法的推廣給社會帶來了巨大的間接效益。 中國航天運輸系統的發展歷程   中國航天運輸系統的發展起步於1956年10月。經過長期的努力和探索,中國的長征1號運載火箭於1970年4月24日發射成功,將中國的第一顆人造衛星送入軌道。這是中國航天運輸系統發展的重要里程碑。    1975年11月26日,新研製的長征2號丙中型運載火箭成功發射一顆返回式衛星,實現了中國最早的天地往返運輸系統。長征2號丙是兩級常規液體運載火 箭,主要用於低地球軌道和太陽同步軌道的發射。1993年7月,中國與美國摩托羅拉公司簽訂了投資和發射服務合同,並在隨後幾年中用長征2號丙分7次成功 地將2顆模擬星和12顆「銥」星送入軌道。至今長征2號丙系列火箭已經連續成功地發射了24次,發射成功率達到了96%。高可靠性的長征2號丙火箭是中國 大型運載火箭發展的基礎。   為了滿足發射地球同步軌道衛星的需求,中國在長征2號丙運載火箭的基礎上研製了採用低溫上面級的長征3號運載火箭,並於1984年4月8日成功地發射 了中國的試驗通信衛星。長征3號運載火箭的研製成功,表明中國掌握了低溫推進技術,使中國進入了具備發射地球同步軌道衛星能力的國家行列。   1990年7月16日,新研製的大型捆綁式運載火箭長征2號E發射成功。長征2號E運載火箭的芯級與長征2號丙基本相同,但在一子級捆綁了4台助推 器。自1990年投入國際商業發射服務后,長征2號E已成功發射了巴基斯坦搭載星、澳普圖斯B1、澳普圖斯B2、澳普圖斯B3、亞星2號和回聲星1號等衛 星。   1994年2月8日,新研製的採用低溫高能推進劑上面級的長征3號甲運載火箭發射成功,其標準地球同步軌道運載能力達到2.6噸。通過捆綁4個和2個標準助推器,分別組成長征3號乙和長征3號丙火箭,將中國運載火箭的地球同步轉移軌道運載能力進一步提高到了5.1噸。   1999年11月20日,新研製的長征2號F載人運載火箭成功發射神舟1號無人飛船,標誌著中國載人航天工程進入了新階段。到2003年10月,長征 2號F火箭已經成功完成了4次試驗飛行,並在10月15日把中國的第一位宇航員送入了太空。長征2號F火箭和神舟號飛船的研製成功表明中國已經初步建立了 具備往返能力的航天運輸系統。   從長征1號到長征3號B和長征2號F,中國的航天運輸系統走過了40多年的發展歷程,實現了近地軌道運載能力從長征1號的約300公斤到長征3號B的 12噸,從常規液體推進劑發展到低溫液氫液氧高能推進劑,從串聯式火箭發展到並聯式火箭,從單星發射發展到一箭多星發射,從常規貨運火箭發展到高可靠的載 人運載火箭。目前中國已經擁有適合各種類型發射任務的長征系列運載火箭家族,詳見圖3和右表。   中國運載火箭在滿足國內發射任務要求的同時,也在不斷拓展國際發射服務市場。1990年4月7日,長征3號運載火箭將亞星1號準確地送入預定軌道,完 成了長征系列運載火箭的首次國際商業發射。此後,隨著長征2號E、長征3號甲和長征3號乙等火箭的相繼投入使用,中國擁有了發射衛星重量由小到大、軌道由 低到高的完整運載火箭系列。迄今為止(2004年7月底),長征火箭共進行了77次發射,70次獲得成功,特別是自1996年10月以來,連續35次發射 成功。 三、中國航天運輸系統未來發展思路   根據國內外一次性運載火箭和可重複使用運載器的現狀和趨勢,我們設想中國航天運輸系統的未來發展可分三步走:   ——改進現有一次性運載火箭,保持中國運載火箭的競爭優勢;   ——研製新一代運載火箭,全面提升中國一次性運載火箭的競爭能力;   ——開發新概念航天運輸系統,滿足中國未來航天發展戰略的需要,增強中國未來航天的綜合實力。   第一步,首先要改進現有一次性運載火箭型號。   考慮到中國的現實國情和航天技術水平,在今後相當長的時間內,中國對內對外的主要衛星發射工具還是現役的長征系列火箭。為了滿足中國在空間應用、載人 航天、月球探測等任務方面對運載火箭的要求,同時保持中國運載火箭今後10年內在國際上的競爭能力,必須要對現有運載火箭系列進行適應性改進。具體包括:   按照「系列化、通用化、組合化」(簡稱「三化」)的設計思想,改進現有火箭的結構、電氣系統和發射支持系統,降低火箭的設計、生產和發射成本,提高可靠性和縮短髮射周期。   通過改進助推器和增加上面級,提高現有運載火箭的運載能力和適應性,滿足中國在空間應用、空間探測、載人航天工程和拓寬對外發射服務市場方面對運載火箭的要求(如長征2號F、長征3號乙增強型、長征2號丙和長征3號乙通用上面級的研製等)。   根據用戶需要,研製發射小衛星的運載火箭、空射運載火箭等;   改進現有的管理體制和設計手段,提高設計、研製和試驗水平,提高效率。   第二步,要加快研製新一代運載火箭。 《中國的航天》白皮書提出「全面提高中國運載火箭的整體水平和能力。開發新一代無毒、無污染、高性能和低成本的運載火箭,建成新一代運載火箭型譜化系列,增強參與國際商業發射的能力」。我們按照這一要求制定了如下開發中國新一代運載火箭的目標:   ◎採用無毒、無污染推進劑;   ◎降低成本、提高可靠性、提高火箭的性能:低軌運載能力覆蓋1.5~25噸、GTO運載能力覆蓋1.5~14噸,滿足未來20~30年的國內外需求;   ◎實現型號的「三化」設計,建成型譜化系列;   ◎保持運載技術的可持續發展,在技術上與未來重複使用航天運輸系統有良好的銜接。   以新一代運載火箭的研製和試驗為契機,在突破技術本身的同時,進一步改革和完善現有的管理體系,改善設計手段,提高設計水平。   新一代運載火箭模塊演化示意見圖4和圖5,5米和3.35米直徑火箭組合示意圖見圖6和圖7。   第三步,研究開發先進概念的航天運輸系統。   要完成未來的空間探測和空間應用任務,保持中國航天運載器的持續發展,應該瞄準新概念航天運輸系統的前沿。未來的航天運輸系統要求具有快速進入空間、在軌靈活機動、具有長時間在軌飛行能力、能自由再入返回等特點。   可重複使用運載器代表了未來航天運輸系統的發展方向,包括可重複使用的運載工具、可重複使用的軌道機動飛行器、可重複使用的再入飛行器等。   我們將瞄準未來航天的發展方向,循序漸進,從易到難、從簡單到複雜、從演示驗證樣機到全尺寸樣機的研製、從部分重複使用到完全重複使用,以掌握核心關 鍵技術為突破口,在部分重複使用運載火箭、跨大氣層飛行器、天地往返運輸系統等領域努力開拓新的局面。從中國的現實情況出發,當前應以串聯式兩級入軌重複 使用的航天運輸系統起步。   我們要加大國際合作力度,在新概念航天運輸系統的研究和開發方面,積极參与國際合作。中國已經加入世貿組織,進入到了一個國際化的大市場中。經濟全球化的迅猛發展使航天產業與全球經濟的結合越來越緊密,參與國際合作,是大勢所趨。□
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