天地往返運輸系統

在載人航天發展的初期，它的主要任務是突破載人航天的基本技術，包括將人安全地送入軌道，在軌道上創造必要的生活和工作的條件，將人安全地送回地面，以及軌道機動、交會對接和航天員艙外活動等基本技術。在這基礎上進行了空間生命科學、空間對地觀測和空間材料加工的初步試驗。

隨着空間利用的深入開展，出現了長期在地球低軌道(軌道高度為300-500公里)上運行的空間站(長期有人)和空間實驗室(短期有人照料)。形成了較配套的空間基礎設施，如大型運載火箭、天地往返運輸系統、空間站(空間實驗室)、跟蹤與數據中繼衞星等，較配套的地面基礎設施，如地面測量控制網、發射場、返回場等和各個用户中心。此時，天地往返運輸系統就成為空間站(空間實驗室)工程大系統的一個重要組成部分。它的任務是在地面和空間站(空間實驗室)之間往返運輸人員和貨物(如推進劑及共它消耗性物資、儀器設備、實驗用的原材料及成品等)。較大的天地往返運輸系統(如美國的航天飛機)還可以發射和維護其它的航天器(如衞星等)。 ^[1] 

載人航天史上幾起機毀人亡的事故，不僅造成巨大的經濟損失，延誤了整個計劃進度，而且產生了巨大的政治影響，因此必須要求天地往返運輸系統具有很高的安全性和可靠性。另一方面，提高安全性與可靠性又受到經費、進度制約。為此，在研製天地往返運輸系統時必須正確地處理提高安全性、可靠性與實現技術進步以及經費、進度之間的關係。

2．低的運輸費用。

對於載人，要求低的每次飛行的費用；對於載貨，要求低的運送每公斤有效載荷的費用。對於一次性使用的天地往返運輸系統，要求低的額定運輸量下的總費用；對於重複使用的天地往返運輸系統，要求低的全壽命總費用。總費用包括研製費、生產費和使用維護費用。

這包括好的使用維護性能，短的地面週轉時間和發射和返回時需要的輔助設備少等。 ^[1] 

美國在20世紀60年代實現了阿波羅登月計劃，在這之後，它集中力量進行了航天飛機的研製。1972年1月，美國政府正式批准了航天飛機計劃。它的第一架航天飛機在1981年4月12日首次做軌道飛行，是世界上第一個可部分重複使用的天地往返運輸系統。美國航天飛機包括軌道器、外掛貯箱和兩個固體火箭助推器。軌道器可將29.5 t的有效載荷送入軌道。可從軌道攜帶16t載荷返回地面。到1986年1月，航天飛機共完成24次飛行，挑戰者號失事以後，迫使美國重新投產一架，費用高達28億美元。自1970至1989年總費用達396.3億美元，美國從發展航天飛機中所得到的教訓是：

1)推動科學、技術進步，但降低發射成本的目標未能實現。原先預計航天飛機滿載時每千克有效載荷人軌費用為352美元，高達6 700～11 000美元。因此，航天飛機與一次性使用的運載火箭相比，並沒有顯著降低發射費用。

2)航天飛機的實踐表明，採用“運人與運貨合一”的做法，的做法，不是降低航天運輸費用的有效辦法。

3)挑戰者號失事使美國政府認識到，一個國家不能依靠單一的發射系統從事航天活動，從而調整航天政策，建立起航天飛機與一次性使用的發射器相結合的混合型發射體系。

美國21世紀所用的天地往返運輸工具尚無定論，里根總統宣佈要發展空天飛機(NASP)。1986年2月，美國批准研究試驗型空天飛機X-30，計劃的主要內容是，驗證以超聲速燃燒衝壓發動機為主體的吸氣式組合循環推進系統、先進材料、計算空氣動力學及主動冷卻結構等先進技術，在90年代中期研製出能在常規跑道水平起降、單級入軌的高超聲速續航試驗機。政府批准的投資額為33億美元。在X-30試驗成功的基礎上，2000年以後將開展全尺寸實用型空天飛機研製，其有效載荷係數將達到7.5%左右，並設想其運輸費用可降到航天飛機的5%。

NASP類型的空天飛機將提供洲際導彈的速度、轟炸機的機動性和重複使用性。可以預計，空天飛機的出現將改變載人航天飛機的面貌，並具有巨大的潛在的軍事價值。 ^[2] 

蘇聯遵循“循序發展，穩步提高”的方針，使得蘇聯在載人航天領域取得世界領先地位。

1971年4月發射了第一個禮炮號實驗型空間站，而後又相繼發射了六艘，形成了不間斷的以禮炮號為中心，以聯盟號載人飛船和進步號貨船為主要運輸手段的載人空問站系統，利用空問環境開展了大量的探索性研究。初期解決了三個主要問題：

1)載人飛船與空間站交會對接技術；

2)航天員出艙活動技術；

3)環境控制與生保技術。

1986年2月蘇聯又發射了長期工作的和平號空間站，並與聯盟號載人飛船、進步號貨船和量子號天文物理試驗飛船對接，組成了龐大的空間軌道複合體，總質量達60餘噸，在建立空間站大系統方面，領先於世界。這是蘇聯在空間開發初期，充分利用飛船作為主要運載工具，達到他們主要目的的一個成功範例。

同期，蘇聯亦大力發展新一代天地往返運輸系統。1988年11月蘇聯發射了耗資100億美元的暴風雪號可部分重複使用的航天飛機。蘇聯認為，航天飛機的主要任務是在軌服務、發射大型設備，以便在軌道上建立大型射電望遠鏡、大型天線系統、太陽能軌道發電站等空間設施，並可維修和回收衞星。作為一般使用，暴風雪號不優於一次性使用的火箭系統。蘇聯正考慮如何合理地運用航天飛機和飛船兩類運輸工具。蘇聯航天飛機在科技發展中起了帶頭作用。許多重大成就開始應用於國民經濟各部門，它的自動着陸控制系統已應用於民航客機和貨機的全天候着陸控制上。

據悉，蘇聯也在大力研究採用超聲速燃燒衝壓發動機為主動力的高超聲速飛行器。無疑，這將為蘇聯發展經濟的、可完全重複使用的單級入軌天地往返運輸系統建立技術基礎。

1987年6月2日，歐洲航天局正式通過使神號小型航天飛機計劃，並於1988年4月1日開始實施，計劃總投資45億。這是基於：利用歐洲航天局各成員國的航天技術成果，搞小型航天飛機在經濟上是可行的；按照歐洲航天局各成員國的財政能力，發展小型航天飛機在經濟上是可以承受的；建立歐洲獨立的航天體系，為確定航天大國地位所必需。

使神號小型航天飛機擬用大型運載火箭阿里安-5發射。它開始是按美國航天飛機縮比六分之一規劃的，選擇人軌質量為17噸、有效載荷為5噸、宇航員為5人的方案。任務是在軌道上進行生物等試驗、維修衞星和為空間站接送人員及貨物。但由於方案考慮不周，加之挑戰者號航天飛機失事，歐洲航天局不得不修改原方案規劃，增設宇航員救生艙。另外，其原設想採用更新的防熱材料亦未能如願，便得結構重量增大，超出了阿里安-5的運載能力，鑑於上述原因。擬採取如下措施：

1)縮小“使神號”的服務範圍，僅限於為有人照料平台和空間站接送人、貨。

2)修改方案。入軌時質量改為23 t，有效載荷改為3t，宇航員改為3人；返回時質量15 t，有效載荷為1.5 t；將原設想的小型航天飛機分為兩個部分，即由有效載荷艙的一半、軌道維持系統、人軌離軌動力系統組成資源艙，返回時分離並在大氣層中燒燬；餘者組成水平着陸、可重複使用的有翼滑翔飛行器。

使神號小型航天飛機計劃在1990年進行方案審定，19 98年前後進行首次不載人飛行。計劃執行情況能否順利尚待實踐檢驗。

小型航天飛機不是作為最終的天地往返運輸系統，而是一種過渡，其發射費用昂貴，每次高達1.5億歐洲貨幣。歐洲的長遠目標仍在積極尋求可完全重複使用的天地往返運輸系統。西歐在研製使神號的同時，開展“未來歐洲空間運輸系統研製計劃”( FESTIP)，投資額達11. 31億歐洲貨幣（約為使神號工程研製費的四分之一），進行更經濟的可完全重複使用的下一代天地往返運輸系統的預先研究。

1986年西德MBB公司提出Sanger二級水平起降的空天飛機方案，並得到了4億馬克資助進行為期五年（1988～1992）概念論證。方案的出發點是：

1)降低運費，使其達到現有運費20%的水平。使用吸氣式發動機穿越大氣層，避開火箭發動機要自帶氧化劑的弊病，具有可重複使用、機場起降、使用維護費用低等優點。

2) Sanger的第一級可發展為客機，設230座，巡航馬赫數4.4，航程可達l l 600 km。這種飛機亦有明顯的軍事價值。

3)採用成熟技術和經過證實的關鍵技術，以減少技術風險。軌道器繼承使神號技術，衝壓發動機採用亞聲速燃燒。結構材料的809《選用已有的材料等。

4)計劃在2004～2008年投入應用。

Sanger方案第一級用吸氣式發動機（渦輪衝壓發動機），軌道級用火箭發動機，預計只要航程大於3 500 km，就可以從歐洲各機場起飛，達到28.5‘傾角的低軌道，第一級與軌道器在馬赫數6.8，高度30 km分離，兩級均可水平返回。

Sanger方案的特點之一是將運人和運貨分開。運人軌道器為Horus，載2-3人，貨物2-4t。運貨軌道器為CARGUS，可運貨15t。 ^[2] 

天地往返運輸系統是航天技術領域中最活躍的一個系統。它標誌着國家航天技術水平。美國把謀求與保持“空間領先”地位作為國家的最高目標，並以此帶動其他領域科學技術的發展。蘇聯採取積極慎重、循序漸進的發展方針，追求與美國保持平衡地位，形成了與美國各有所長的態勢。西歐為擺脱對美國的依賴，採取西歐聯合，獨立自主發展航天技術的道路，已取得同等對話的地位。日本採取迎頭趕上的戰略，準備立足本土，爭當21世紀空間強國。很明顯，航天技術的發展水平是國際地位和國家的綜合實力的一種標誌。

蘇聯實現了第一次載人航天飛行，美國第一次實現登月計劃；蘇聯建立了長期工作的空間站，美國發射了可部分重複使用的航天飛機，他們都是發揮本國技術優勢，揚長避短，在各自發展戰略的指導下，取得國際領先的優勢。

西歐越過載人飛船的發展階段，直接發展小型航天飛機； 日本設想通過發展微型航天飛機，直接進入發展空天飛機的階段。這也由發揮本地區、本國的技術優勢所決定的。

按照本國具體情況辦事，可以減少風險，取得最大效益。

在建立載人航天系統的初期試驗階段，由於發射次數、運人和運貨的數量都較少，使用一次性的、小型天地往返運輸系統仍然是有效的手段。蘇聯利用大型運載火箭和飛船建立了空間站系統就是一個例證。美國在挑戰者號航天飛機失事後，感到減少和停止生產一次性使用的運載工具是明顯的失誤。

隨着載人航天技術的發展，發射次數、運人運貨的數量都將迅速增加。隨之而來的是要求降低單位運輸成本，提高發射和運輸的效率，這是影響未來航天技術發展的關鍵所在。各航天國家競相研究更經濟的新一代的天地往返運輸系統。

降低天地往返運輸系統使用費用及降低單位運輸成本的有效措施是：

1)硬件由一次性使用發展為重複使用；

2)儘量採用大氣的氧氣作為氧化劑，使用吸氣式發動機；

3)利用空氣可產生的升力，採用有翼飛行器，以減少起飛推重比；

4)採用先進的材料和結構，減少飛行器的結構質量；

5)減少地面設備；

6)提高發射頻率。

空天飛機滿足了以上大部分要求，美國的NASP計劃和西德的Sanger方案正是代表了未來天地往返運輸系統的發展趨勢。

我國應吸取世界上各國天地往返運輸系統發展的經驗，制訂我國的發展規劃。 ^[2]