航天运载器的发展前景

近年来，美国、意大利、日本等国都在加紧研制新一代可多次重复使用的航天运载器，以替代现有的航天飞机。

雄心勃勃的发展蓝图

在长期对航天飞机的使用中，美国得出如下结论：尽管航天飞机轨道器可重复使用多次，但因为其燃料箱只能使用1次，所以航天飞机单位重量载荷的发射费用并没有降低。因此，从20世纪90年代开始，美国便开始拟定研制新一代航天飞机的计划。根据该计划，这种航天运载器，其轨道器和火箭助推器，都能多次重复使用。1997年，美国国家航空航天局起草了一份题为《航空和航天技术——三项成果之柱》的纲领性文件，进一步确定了美国未来航空航天科学技术的主要发展方向，以确保其在世界航空航天市场的领先地位。根据该文件，2010年前，美国必须将发射1公斤载荷的费用由原先的22000美元，减少到2200美元；2020年以前，该项费用还将进一步降低。2002年11月，美国前国会议员沃克在给美国总统布什的一份报告中指出：“美国要想在21世纪把握国际航空航天主动权，就必须不遗余力地发展航空航天事业。”

针对美国的航空航天计划，欧盟航空航天专家也拟定了一份《星21》报告。这份报告号召欧盟加强联合，共同开发航空航天技术，以缩小与美国的差距。

2003年2月1日，美国“哥伦比亚”号航天飞机失事，夺走了7名宇航员的生命。这个事件虽给近期航天飞机的开发和研制造成一定的负面影响，但对包括美国在内的其它各国开发和研制可多次重复使用的航天运载器并无什么影响。

2003年上半年，美国国家航空航天局完成了对新一代可多次使用的航天运载器技术标准，即RLV(可多次使用运载火箭)计划的审核工作。据美国国家航空航天局负责人透露，RLV计划的审定工作原应于2002年秋天结束，但由于在给国际空间站拨款和研制新型火箭助推器的问题上，与空军意见不一，故使RLV的审核期限一再推迟。此外，美国国家航空航天局和空军对运载火箭的设计方案也有不同的要求：美国空军需要的是一种可把9吨质量的有效载荷送上地球轨道的运载火箭；而美国国家航空航天局需要的运载火箭能够把23～28吨的有效载荷送上地球轨道。为满足双方的要求，研制单位提出了既可把人，又可把货物送上地球轨道的若干种型号火箭助推器的设计方案。在借鉴“哥伦比亚”号失事的教训后，新一代可多次使用的运载火箭增加了飞行救生系统。美国拟用5年时间拨款48亿美元完成该项计划。

在近2年内，美国波音、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼等公司已提出了数十项新一代航天运载器的方案，并选出其中最优秀的设计方案作为本公司的发展方向。预计到2006年，上述公司方案的竞标工作将结束；2012～2013年，新一代航天运载器将进行首次发射；2015～2016年，新型航天运载器将投入使用。据介绍，这种航天运载器不仅降低了单位重量载荷的发射费用，而且其安全性能也有提高。假设美航天飞机每发射500次发生1次故障的话，(实际上“挑战者”号航天飞机发射不到50次就发生了故障)，那么新一代航天运载器发射的故障率为1／10000。但美国航空航天专家认为，如此低的机率理论上虽成立，但要在技术上达到这一标准还要经过不懈的努力。

2002年，美国国家航空航天局、空军、航天指挥部，在研制既可满足民用又可满足军用的航天运载器问题上达成了共识。其中美国空军还将其作为可在2小时内抵达地球任何地域的侦察打击系统的组成部分。

新一代双级入轨可重复使用航天运载器简称TSTO。它的启动标志着美国早期拟定的SSTO，即单级入轨可重复使用航天器计划的终止。

早在1995年，美国洛克希德·马丁公司即开始研制“冒险星”单级入轨可重复使用的航天运载器。为保证“冒险星”项目的顺利进行，该公司还研制了X-33航天技术验证飞机。X-33的大小只是“冒险星”的一半，靠自身携带的火箭动力入轨；完成任务后用滑翔方式返回大气层，并以航天飞机方式完成水平着陆。后由于X-33液氢燃料贮箱的复合材料工艺问题以及其质量比未得到解决，该机被打入了冷宫。

诱人的双级入轨航天运载器

目前，美国各公司主要推出了以下几种双级入轨的航天运载器。

波音公司推出的一种双级入轨运载器(见图一)，采用垂直发射。它由第一级——火箭助推器和第二级——轨道器组成。在第一级上还安装了辅助涡扇发动机，以保证其返回发射地点和在跑道上降落。第二级在入轨后，主要承担将有效载荷运送至轨道的任务。轨道器外形与放大了的X-37航天技术验证飞机十分相似，装有一个长13.7米，宽4.6米的货舱。该舱可容纳机组人员或货物。波音公司代表称，该公司选择的多次重复使用的航天运载器能够完成的任务范围很广。其中包括：为航天飞机和不同用途的卫星服务，并在不使用辅助火箭助推器的条件下将卫星送往同步卫星轨道。

诺思罗普·格鲁曼公司选择的也是一种垂直发射、双级入轨的航天运载器(见图二)。该运载器第一级装有2台带有折叠式机翼、长25～30米的分离式火箭助推器，并装有辅助涡扇发动机，以助其返回地面和着陆。第二级——轨道器主发动机和第一级——分离式火箭助推器分别采用液氢和煤油作为推进剂。该公司认为，使用分离式火箭助推器可在动力载荷相对较小的有利条件下帮助其完成分离。航天运载器的第二级——轨道器能把货舱和有效载荷送入轨道；或将位于轨道器头部的小型航天飞机送入轨道。目前，美国OSC公司正在研制这种小型航天飞机。

洛克希德·马丁公司选定的双级入轨航天运载器见图三。在与第二级——轨道器分离后，第一级——火箭助推器借助涡扇发动机返回发射点。其有效载荷在轨道器整流罩内。整流罩打开，与有效载荷分离后，轨道器返回大气层，并在跑道上降落。

美国上述几家公司推出的双级入轨航天运载器一个共同的特点是：将使用一种新型的液体燃料火箭发动机。据悉，这种新型液体燃料火箭发动机50次飞行后进行一次大修，并可重复使用100多次。为此，美国国家航空航天局拨款13亿美元用于研制四种液体燃料火箭发动机方案。

普拉特·惠特尼公司与航空喷气发动机公司合作研制了一种推力为300吨力的“眼镜蛇”液体燃料火箭发动机，采用液氢作推进剂。波音公司洛克达因分公司正在研制推力为325吨力的“洛克达因”液体燃料火箭发动机以及推力为550吨力的液体燃料火箭发动机，此外，美国TRW公司正在研制与洛克达因公司相似的推力为500吨力的液体燃料火箭发动机。

美国安德鲁斯·施佩斯与杰克罗杰(AST)公司正在研制“狮身鹰头兽像”TSTO双级入轨航天运载器，以将货物和人送往空间站(见图四)。AST公司的专家认为，他们的设计方案既廉价又安全，可以把各种货物送往近地轨道，以进行有关太空研究的商业开发和太空旅游的发展。该公司专家还称，“狮身鹰头兽像”航天运载器的发射费用较普通多次使用的航天运载器减少二分之一。2001年10月，美国AST公司的代表在法国图卢兹市举行的国际天文学联合会上，首次披露了“狮身鹰头兽像”双级入轨航天运载器的设计方案。该航天运载器的第一级是一种可多次重复使用的航天飞机，外形尺寸与波音747客机相同：动力装置由6台涡扇发动机和2台液体燃料火箭发动机组成。在第一级的上部装有第二级；带有效载荷舱时的有效载荷9.1吨。

喜忧参半的航天技术验证机

在积极研制和开发双级入轨航天运载器的同时，美国还大力研制各种航天技术验证机和试验飞行器。

1999年，美国洛克希德·马丁公司开始研制X-33无人驾驶航天技术验证机，目的是为研究采用垂直发射的“冒险星”单级入轨航天器的工艺提供理论和技术依据。该公司本拟制造X-33，但因为液氢燃料贮箱等问题，这项投资约13亿美元的航天运载器的研究项目于2001年3月被取消。

1996年，该公司与美国国家航空航天局还签署了研制X-34航天技术验证飞机的合同，以对未来可多次使用的航天运载器的关键部件进行研究。该公司制造了3架这种验证机，并进行了三次试验飞行。X-34的研制计划于2001年3月取消，原因是研究经费超支了2.05亿美元。

X-37小型航天技术验证机由美国波音公司范托姆·沃克斯分公司研制。1999年7月，该公司与美国航空航天局签署了一份总价值1.73亿美元的研制计划。根据该计划，X-37拟借助火箭助推器或航天飞机被送往地球轨道；将在轨道上滞留21天；然后以25马赫的速度返回大气层，并在普通跑道上降落。X-37的首飞原定于2004年进行。现已取消。

研制X-38的目的是用于解救宇航员。欧洲航天局也参加了X-38的研制工作，并造出了一架缩比运载器，其尺寸只有原型机的五分之四。1998～2001年，X-38曾借助B-52战略轰炸机投放了8次。在该计划被取消前，用于轨道飞行的第3架X-38已完成生产。

X-40无人验证机最初是为美国空军研究一种先进的高机动性航天飞机而制作的，后用于研究X-37小型航天飞机的工艺(见图五)。与X-31不同的是，X-40没有安装热保护层-和发动机。研制x-40还有一个目的，即验证在低速飞行条件下的动力特征和自动着陆系统。X-40共完成了8次试验飞行。它被直升机带往4000米以上高空，并完成投放。

X-41和X-42验证机是美国空军秘密研制的一种高机动性、返回式试验飞行器，可携带特种装置沿轨道飞行。实际上，研制该机的真正目的是为空军制造一种可携带450公斤弹头的高机动性能航天飞机做准备。这种弹头可对地层很深的目标实施攻击或摧毁6枚小型导弹。

X-43试验飞行器主要用于研究多次重复使用航天运载器的高超音速工具。根据计划，将制造4架X-43，并为其安装各种型号的高超音速冲压式喷气发动机进行试验，速度为6～10马赫。目前，已制造了2架X-43A，第三架处于研制阶段。对美国来说，X-43是最有希望的一项计划。

日、意等国奋起直追

在美国积极发展多次重复使用航天器的同时，日本和意大利等国也在加紧进行这个项目的研究。尽管HOPE-X无人驾驶航天飞机计划被取消，但日本宇宙科学研究所和宇宙开发事业团已开始HSFD无人驾驶飞行器的研究，以便为研制未来航天飞机做准备。

HSFD是HOPE-X方案的一个组成部分，真正开始是在2002年春季。日本富士公司生产了2架无人驾驶飞行器，外形十分相似。第一架没有装发动机；第二架装了一台小型涡喷发动机。这2架无人驾驶飞行器重量500～735公斤。HSTD的第一次试飞是在2002年10月。该机装了一台小型涡喷发动机(见图六)，从太平洋圣诞群岛的王子礁岛机场起飞飞行一段时间后，顺利返回原机场。2002年12月以前，该机又进行了几次起飞试验。2003年，将对未装涡喷发动机的HSTD，从30公里高空借助高空气球作投放试验。投放后，HSTD将加速到超音速，并利用降落伞着陆。尽管已为研制航天飞机成立了相应机构并制造了HSTD，但日本并不打算在近期研制多次重复使用的航天器，目前主要是为研制一种小型航天飞机做准备。

2002年10月，在美国佛罗里达州举行的“国际高超音速工艺和航天飞机学术研讨会”上，意大利代表做了“关于使用高超音速工艺开发多次重复使用航天运载器”的学术报告。目前，意大利正在开展2项多次重复使用航天运载器的研究。第一项是PRORA多次使用无人航天飞行器计划。在此基础上，再进行多次重复使用火箭助推器的设计；第二项是FAST-2计划，以研究并制造多次重复使用火箭助推器的工艺。目前，意大利主要要解决的是双级入轨航天器的问题：第一级为飞行速度6～8马赫的火箭助推器；第二级是轨道器。PRORA计划始于2000年，2002年初被意大利政府批准通过。根据该计划，意大利将研制4架FTB一次使用的高速无人驾驶飞行器。预计2003年12月～2004年8月，对FTB-1进行2次试飞。FTB-1重1250公斤，将借助高空气球运至24.2公里高空投放。在进行短暂的超音速飞行后，这两架FTB-1将在地中海上空溅落。试验FTB-1的目的是为研制FTB-2验证机积累经验，其演示飞行将于2005年8月进行。届时，FTB-2(见图七)先由高空气球送35公里高空投放；随后其涡扇发动机开始工作，并进入120公里的亚轨道飞行。

2006年，意大利还将进行FTB-3的高超音速飞行试验。FTB-3先由气球运至35公里高度投放；待涡扇发动机工作后，进入30公里高空水平飞行；此时火箭助推器启动使其加速到马赫数7的速度。意大利相信，FTB-3将是欧洲的第一架高超音速飞行器，并可打破美国X-15火箭飞机1967年创造的飞行速度纪录。

责任编辑：艾　天

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