航天運輸系統

航運輸系統及展 航運輸系統指返球空軌及軌軌運輸各效載荷運輸具系統稱。包括載貨運飛船及運載火箭、航飛、空飛、急救飛器各輔助系統(圖)。航運輸系統復類型。 紀末紀初，業較達批航驅，俄齊奧科基、戈達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，我國在長征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，積極參與國際合作。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。□