内容简介
航天运输系统及其发展 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。 19世纪末20世纪初，在一些工业比较发达的国家出现了一批航天先驱者，如俄国的齐奥尔科夫斯基、美国的戈达德和德国的奥伯特等。他们在实践和理论的 基础上，着手设计和试验火箭。经过大约半个世纪的努力，德国研制的世界上第一枚弹道导弹V2于1942年发射成功。V2火箭对现代运载火箭技术的发展起到 了奠基作用，是航天运输系统发展史上的重要里程碑。第二次世界大战结束后，苏联和美国分别在V2火箭的技术基础上研制成功了自己的运载火箭，成功地发射了世界上第一颗人造卫星，并且实现了人类登上月球 的梦想，逐步形成了第一代航天运输系统。他们采用的是一次性使用运载火箭和飞船，运载能力从最早的几十公斤，发展到100吨以上；活动范围从近地轨道拓展 到月球、太阳系之外。在国际商业发射市场的驱动下，各主要航天国家不断提出新型运载火箭方案，并对原有火箭进行改进，以进一步提高运载能力，降低成本。20世纪60年代，苏联研制成功了质子号火箭；80年代中期以来，美国、日本和欧空局相继研制了大力神4B、H－2A和阿里安5等大型运载火箭。这些运载火箭基本上是按照高 可靠性、低成本和适用性强的原则设计的。世界上的现役运载工具主要包括欧空局的阿里安、美国的宇宙神、德尔它、大力神和航天飞机，日本的H－2A，俄罗斯 /乌克兰的联盟号、质子号和天顶号以及中国的长征火箭。一次性使用运载火箭的发射服务成本较高。为了降低发射费用，国际上开展了重复使用天地往返运输系统的研究。1981年4月12日，美国哥伦比亚号航天 飞机的成功飞行，实现了天地往返运输工具的部分可重复使用，标志着航天运载器由一次性使用转向重复使用的新阶段。尽管航天飞机在技术上是成功的，但是并没 有达到降低发射费用的目的。相反，由于发射频率低、重复使用未达到要求和载人等原因，使得航天飞机的发射费用远高于一次性运载火箭。之后各国开始了其它重 复使用航天运输系统的研究，包括采用先进的吸气式火箭组合发动机，在大气层飞行时充分利用大气中氧的空天飞机，如美国的国家空天飞机(NASP)计划 (X－30)以及欧洲的霍托尔、使神号和桑格尔等；多级入轨完全重复使用运载器，如基斯特勒宇航公司研制的完全重复使用运载器K－1；以火箭为动力的单级 入轨完全重复使用运载器(RLV)。但到目前为止，除了部分重复使用的航天飞机以外，其它重复使用运载系统距离工程实现还存在较大的距离。总的来看，世界航天运输系统发展的趋势是： ◎运载能力不断提高，模块化设计，大直径，少级数，采用无毒推进剂； ◎发射方式多样化：陆地发射、海上发射、空中发射； ◎冗余设计，提高可靠性； ◎低成本，简化操作； ◎重复使用。目前已经有美国、俄罗斯、法国、中国、英国、日本、印度和以色列等国家拥有或拥有过能发射卫星的航天运输系统。全世界已经先后研制出近百种运载火箭、航天飞机、宇宙飞船等，修建了10多个大型航天器发射场，进行了4000多次航天发射。几十年来的航天活动促进了经济的发展和科学技术的进步，对人类社会 生活产生了深远的影响。航天运输系统是现代科学技术的高度综合。它以科学和技术为基础，集中了现代工程技术的新成就。同时，航天运输系统技术的发展带动了包括力学、热力学、材料学、医学、电子技术、自动控制、推进、计算机、真空技术、低温技术、制造工艺学等领域的发展。这些科学技术在航天运输系统的应用中互相交叉和渗透，相 互促进和发展。航天运输系统发展水平代表着一个国家进入空间的能力，是发展空间技术、开发空间资源的基础，是一种战略性基础设施，在国家经济建设中占有举足轻重的地 位。航天运输系统的发展直接促进了卫星技术的发展，在通信、导航、环境监测、资源勘察、科学研究等方面给国民经济的各部门带来直接的经济效益，并通过新技 术、新产品、新工艺以及新的管理方法的推广给社会带来了巨大的间接效益。中国航天运输系统的发展历程 中国航天运输系统的发展起步于1956年10月。经过长期的努力和探索，中国的长征1号运载火箭于1970年4月24日发射成功，将中国的第一颗人造卫星送入轨道。这是中国航天运输系统发展的重要里程碑。 1975年11月26日，新研制的长征2号丙中型运载火箭成功发射一颗返回式卫星，实现了中国最早的天地往返运输系统。长征2号丙是两级常规液体运载火 箭，主要用于低地球轨道和太阳同步轨道的发射。1993年7月，中国与美国摩托罗拉公司签订了投资和发射服务合同，并在随后几年中用长征2号丙分7次成功 地将2颗模拟星和12颗“铱”星送入轨道。至今长征2号丙系列火箭已经连续成功地发射了24次，发射成功率达到了96％。高可靠性的长征2号丙火箭是中国 大型运载火箭发展的基础。为了满足发射地球同步轨道卫星的需求，我国在长征2号丙运载火箭的基础上研制了采用低温上面级的长征3号运载火箭，并于1984年4月8日成功地发射 了中国的试验通信卫星。长征3号运载火箭的研制成功，表明中国掌握了低温推进技术，使中国进入了具备发射地球同步轨道卫星能力的国家行列。 1990年7月16日，新研制的大型捆绑式运载火箭长征2号E发射成功。长征2号E运载火箭的芯级与长征2号丙基本相同，但在一子级捆绑了4台助推 器。自1990年投入国际商业发射服务后，长征2号E已成功发射了巴基斯坦搭载星、澳普图斯B1、澳普图斯B2、澳普图斯B3、亚星2号和回声星1号等卫 星。 1994年2月8日，新研制的采用低温高能推进剂上面级的长征3号甲运载火箭发射成功，其标准地球同步轨道运载能力达到2.6吨。通过捆绑4个和2个标准助推器，分别组成长征3号乙和长征3号丙火箭，将中国运载火箭的地球同步转移轨道运载能力进一步提高到了5.1吨。 1999年11月20日，新研制的长征2号F载人运载火箭成功发射神舟1号无人飞船，标志着中国载人航天工程进入了新阶段。到2003年10月，长征 2号F火箭已经成功完成了4次试验飞行，并在10月15日把中国的第一位宇航员送入了太空。长征2号F火箭和神舟号飞船的研制成功表明中国已经初步建立了 具备往返能力的航天运输系统。从长征1号到长征3号B和长征2号F，中国的航天运输系统走过了40多年的发展历程，实现了近地轨道运载能力从长征1号的约300公斤到长征3号B的 12吨，从常规液体推进剂发展到低温液氢液氧高能推进剂，从串联式火箭发展到并联式火箭，从单星发射发展到一箭多星发射，从常规货运火箭发展到高可靠的载 人运载火箭。目前中国已经拥有适合各种类型发射任务的长征系列运载火箭家族，详见图3和右表。中国运载火箭在满足国内发射任务要求的同时，也在不断拓展国际发射服务市场。1990年4月7日，长征3号运载火箭将亚星1号准确地送入预定轨道，完 成了长征系列运载火箭的首次国际商业发射。此后，随着长征2号E、长征3号甲和长征3号乙等火箭的相继投入使用，中国拥有了发射卫星重量由小到大、轨道由 低到高的完整运载火箭系列。迄今为止(2004年7月底)，长征火箭共进行了77次发射，70次获得成功，特别是自1996年10月以来，连续35次发射 成功。三、中国航天运输系统未来发展思路 根据国内外一次性运载火箭和可重复使用运载器的现状和趋势，我们设想中国航天运输系统的未来发展可分三步走： ——改进现有一次性运载火箭，保持中国运载火箭的竞争优势； ——研制新一代运载火箭，全面提升中国一次性运载火箭的竞争能力； ——开发新概念航天运输系统，满足中国未来航天发展战略的需要，增强中国未来航天的综合实力。第一步，首先要改进现有一次性运载火箭型号。考虑到中国的现实国情和航天技术水平，在今后相当长的时间内，中国对内对外的主要卫星发射工具还是现役的长征系列火箭。为了满足中国在空间应用、载人 航天、月球探测等任务方面对运载火箭的要求，同时保持中国运载火箭今后10年内在国际上的竞争能力，必须要对现有运载火箭系列进行适应性改进。具体包括：按照“系列化、通用化、组合化”(简称“三化”)的设计思想，改进现有火箭的结构、电气系统和发射支持系统，降低火箭的设计、生产和发射成本，提高可靠性和缩短发射周期。通过改进助推器和增加上面级，提高现有运载火箭的运载能力和适应性，满足中国在空间应用、空间探测、载人航天工程和拓宽对外发射服务市场方面对运载火箭的要求(如长征2号F、长征3号乙增强型、长征2号丙和长征3号乙通用上面级的研制等)。根据用户需要，研制发射小卫星的运载火箭、空射运载火箭等；改进现有的管理体制和设计手段，提高设计、研制和试验水平，提高效率。第二步，要加快研制新一代运载火箭。 《中国的航天》白皮书提出“全面提高中国运载火箭的整体水平和能力。开发新一代无毒、无污染、高性能和低成本的运载火箭，建成新一代运载火箭型谱化系列，增强参与国际商业发射的能力”。我们按照这一要求制定了如下开发中国新一代运载火箭的目标： ◎采用无毒、无污染推进剂； ◎降低成本、提高可靠性、提高火箭的性能：低轨运载能力覆盖1.5～25吨、GTO运载能力覆盖1.5～14吨，满足未来20～30年的国内外需求； ◎实现型号的“三化”设计，建成型谱化系列； ◎保持运载技术的可持续发展，在技术上与未来重复使用航天运输系统有良好的衔接。以新一代运载火箭的研制和试验为契机，在突破技术本身的同时，进一步改革和完善现有的管理体系，改善设计手段，提高设计水平。新一代运载火箭模块演化示意见图4和图5，5米和3.35米直径火箭组合示意图见图6和图7。第三步，研究开发先进概念的航天运输系统。要完成未来的空间探测和空间应用任务，保持中国航天运载器的持续发展，应该瞄准新概念航天运输系统的前沿。未来的航天运输系统要求具有快速进入空间、在轨灵活机动、具有长时间在轨飞行能力、能自由再入返回等特点。可重复使用运载器代表了未来航天运输系统的发展方向，包括可重复使用的运载工具、可重复使用的轨道机动飞行器、可重复使用的再入飞行器等。我们将瞄准未来航天的发展方向，循序渐进，从易到难、从简单到复杂、从演示验证样机到全尺寸样机的研制、从部分重复使用到完全重复使用，以掌握核心关 键技术为突破口，在部分重复使用运载火箭、跨大气层飞行器、天地往返运输系统等领域努力开拓新的局面。从中国的现实情况出发，当前应以串联式两级入轨重复 使用的航天运输系统起步。我们要加大国际合作力度，在新概念航天运输系统的研究和开发方面，积极参与国际合作。中国已经加入世贸组织，进入到了一个国际化的大市场中。经济全球化的迅猛发展使航天产业与全球经济的结合越来越紧密，参与国际合作，是大势所趋。□
