單級入軌火箭

長期以來，發射航天器都使用一次性使用的運載火箭.其成本非常高昂，入軌的每千克質量需22000美元。美國半重複使用的航天飛機問世之後,其發射成本也未下降。為了降低發射成本，人們一直希望採用完全可重複使用的運載器，使成本降到每千克入軌質量只需2000美元。隨着結構、材料、工藝、發動機和電子技術的進步，這個設想實現的可行性越來越大了。 ^[2] 

航天運載器代表了進入空間的能力，是開發空間資源的基礎。它不僅是航天發射市場的主力，而且是軍隊戰鬥力的一個組成部分。航天運載器（包括一次性使用的火箭和部分重複使用的航天飛機等），運輸費用很高，安全性、可靠性和使用性能都比飛機要低得多，難於滿足較大規模開發空間資源的要求，也限制了軍用航天系統的能力。為此，有必要進一步改進和發展航天運載器。當前，航天運載器正在向低成本、高可靠性和快速發射的方向發展。各航天大國為改進現有航天運載器和發展新的航天運載器，都作出了很大的努力。發展完全重複使用的火箭是航天運載器發展的一個重要方向，而單級人軌火箭由於運行簡單已作為重複使用火箭的首選目標。 ^[3] 

在80年代初期，美國空軍就認識到了可利用現有結構方案和材料的航天飛機主發動機的潛力來實現到低地球軌道的單級飛行。1982年12月波音公司董事長T.AWilson責成他的公司以每架14億美元的價格建造1/2縮比尺寸的單級入軌火箭樣機。但是美國空軍未選定與波音公司簽定合同，而是僱傭了一些空間承包商來探討用火箭作動力的，可完全重複使用的—空間飛機的可行性。最初，鑑定了單級和兩級兩種運載器，但是經過分析始終認為單級設計方案是比較安全和經濟的。 ^[4] 

1994年8月5日，美國總統克林頓批准了新的航天運載政策，其核心內容是降低美國現有一次性使用火箭的高昂成本。根據這項政策，國防部負責一次性運載火箭的改進;航空航天局負責下一代重複使用的運載系統的技術發展和演示驗證，並希望新的運載系統能在2012年前替代現有的航天飛機和一次性火箭。 ^[5] 

美國航空航天局正在執行的先進運載技術計劃中提出了三種單級入軌火箭的方案，即垂直起降方案、垂直起飛水平降落的翼身組合體方案和升力體方案。這三種方案採用的大部分技術都是相似的。先進運載技術計劃的核心技術可以適用於所有這三種方案。但是，由於不同方案的飛行環境有很大不同，其分系統的技術亦可能有所不同。整個計劃的進度要求1996年底對飛行演示驗證進行決策，1999年底對研製重複使用的運載飛行器進行決策。 ^[5] 

單級入軌火箭近兩年呼聲日高，自NASP收縮以來，已從單級入軌火箭技術(SSRT)發展到了火箭型單級入軌(SST())方案的研究。美國走在最前列，DC-X已進行了多次飛行．使其進入了驗證性研究的第一階段。德日法英俄等國僅處於觀望論證階段，相比之下他們對吸氣式推進的研究要更深入，也更實際，特別是日本，在吸氣式推進方面走得更遠，俄則希望與美合作，特別在三組元發動機方面。 ^[6] 

為了研製出重複使用的單級入軌火箭，必須攻克下列三大關鍵技術：

(1)先進的材料和結構技術。為了減輕結構重量，使火箭的質量比達到單級入軌的要求，並做到重複使用，大部分箭體結構材料將採用非金屬複合材料，例如石墨複合材料蜂窩夾層結構。可重複使用的低温推進劑貯箱一直是研製單級入軌火箭的一個難題。液氧貯箱雖然也可採用和箭體一樣的石墨複合材料，但由於液氧與複合材料之間的化學反應問題不好解決，.液氧貯箱將可能採用鋁鋰合金。低温推進劑貯箱無論是採用鋁鋰合金，還是採用石墨複合材料，都要求貯箱內保持低温和貯箱外表面能承受再入氣動加熱的複雜要求，即貯箱的隔熱性能好，並要求易於檢査和維修。因此，這種箱體、隔熱層、火箭殼體和防熱層的組合結構是十分複雜的。單級入軌火箭的防熱結構，為了既能防熱，又能重複使用和減輕重量，必須根據不同方案的熱環境，在不同部位採用不同的材料和結構。由於單級入軌火箭的翼載比航天飛機小，它在再入時承受的氣動加熱也比航天飛機小。火箭的端頭和機翼的前緣採用先進的抗氧化碳/碳材料。在外表面的高温區和低温區，可採用在美國航天飛機的陶瓷防熱和先進柔性隔熱氈的基礎上發展起來的重量更輕和性能更好的材料和結構，例如可採用陶瓷複合材料和金屬材料的最佳組合。除此以外，防熱材料和結構還要進一步提高耐久性和可維修性。“冒險星”由於採用了升力體力案，在再入時承受的氣動加熱較小，所以綜合各方面的要求後，除端頭和機翼的前緣外，均採用金屬防熱結構。 ^[3] 

(2)發展高性能的推進系統。理想的單級入軌火箭的推進系統，要求有高的比衝、高的推進劑密度和高的推重比。美國航天飛機的主發動機（以液氧為氧化劑，以液氫為燃料）的地面比衝已經達到很高的水平，進一步提高的潛力已不多了，為此需要開發新的火箭發動機。氫氧發動機雖然性能指標高，但液氫的密度小，燃料貯箱的體積大。為了縮小燃料貯箱的體積，從而減輕結構重量，為此，可以採用三組元推進劑，即以液氧為氧化劑，以液氫和烴類燃料(如煤油、甲烷、丙烷等）為燃料。使用三組元推進劑的發動機稱為三組元發動機。三組元發動機一般在低空時使用的燃料大部分為烴類燃料，小部分為液氫；在髙空時使用的燃料全為液氫。當然，三組元發動機的結構要比二組元發動機複雜得多。典型的三組元發動機有單燃燒室和雙燃燒室兩種。前者如俄羅斯研製的RD-701發動機和俄、美聯合研製的RD-704發動機。後者如美國Aerojet公司提出的雙燃燒室雙膨脹發動機。這種發動機採用液氫和丙烷為燃料。估計這種發動機在海平面的推重比可以達到188。顯然，這種發動機對單級入軌火箭更為適合，但這種發動機要採用一些新技術，研製難度很大。研製的另一種新發動機就是塞式噴管發動機，這種發動機採用塞式噴管來提高發動機高空比衝。塞式噴管噴流的外緣是自由邊界，可隨環境壓力的降低而完全膨脹，從而提高了發動機在高空的比衝。若推進劑為液氫、液氧，較低壓力的試驗表明，真空比衝可達455秒。估計在中等壓力下，真空比衝可達470秒。為此，“冒險星”方案就採用了塞式噴管。但是，塞式噴管的流動十分複雜，也會給它的性能帶來一些不確定性。“冒險星”的發動機承包商利用退役的SR-71偵察機，正在對塞式噴管發動機進行一系列的飛行試驗。進一步提高單級入軌火箭發動機的比衝，還可以採用火箭發動機為基礎的組合循環（RBCC)發動機。它可將火箭發動機和吸氣式發動機最佳組合起來。 ^[3] 

(3)髙效的地面操作技術。其目的是簡化地面操作，縮短髮射準備時間，提高其使用性能。作為美國重複使用運載器計劃的一部分，美國繼續支持麥道公司進行垂直起降的單級人軌火箭的試驗飛行器DC-X的改型DC-XA的飛行試驗。麥道公司在發展DC-X的過程中，改變了過去在航天系統的設計中只把提髙飛行性能作為目標，而很少考慮減少地面運行費用和全壽命費用的做法。在制訂對飛行器初步設計的要求時，就把飛行器的可維護性作為主要目標。DC-X要求做到再次發射時間小於7天，地面運行人員不超過35人。在可維護性方面，DC-X要求能與飛機相類似。它將採用艙內的完全自動的故障探測系統，探測故障情況達到可更換組件一級，並將探測故障信息傳到維修控制中心。在飛行器着陸後，可在飛行台上進行維修和更換組件的工作。“冒險星”是垂直起飛水平降落的，其可維護性要比DC-X更好。 ^[3] 

圖一是美國設想的垂直起飛垂直降落可重複使用運載火箭“三角快帆”DC-Y結構簡圖。該火箭髙38.7米，起飛推力5896.7千牛，起飛質量462.9噸，推進劑使用液氫和液氧，空重36.3噸，可見其結構是很輕的。該火箭可將9噸質量的有效載荷送上地球低軌道，橫向機動能力約2500公里，可在軌14天。該火箭可重複使用，使用壽命長，設計要求使用為20年。發動機兩次大修之間至少可重複使用200次，着陸與再發射之間的轉場能力不超過一週，期望每次發射費用不超過1000萬美元，這較之以數億美元計算的航天飛機發射費用大大降低了。 ^[7] 

“三角快帆”火箭在正式研製前，先研製了1/3縮比試驗火箭DC-X，已進行過多次試驗（圖二）。“三角快帆”是垂直起飛的，可把有效載荷送入軌道，返回過程是這樣的：離軌、再入、橫向機動、調整姿態、制動、放下着陸架(此時火箭底部已向下)、着陸。

有翼的飛行器由軌道上返回地面，在通過稠密大氣層滑翔飛行時，飛行速度會因空氣阻力而有效地阻減，而後可水平着陸滑行，速度阻減為零達到飛行器無損的軟着陸。而“三角快帆”DC-Y這種形式的飛行器沒有翼面，在返回大氣層時如果沒有專門的措施，速度也會受到阻減，仍然會象一塊石頭一樣拋落到地面上而被撞擊得粉碎。因此，它在返回時仍需有發動機產生推力，以抵抗地球引力，使飛行速度降低到很低而達到無損着陸，這就要求火箭攜帶為返回時發動機所需的推進劑。這部分質量就相當於有效載荷一樣從地面速度為零加速到入軌速度，這就加重了降低火箭結構重量的苛刻要求。也許有人會提出來使用降落傘，象飛船返回一樣，可達到軟着陸的要求，但着陸後即使經過檢査維修可再用，也會導致使用週期加長，工作過程複雜，而現有的飛船着陸後都不能再用。 ^[7] 

這種飛行器象通常的運載火箭一樣垂直髮射、入軌，由軌道返回地面採用水平着陸方式，類似航天飛機那樣，但只有一級。所以，要達到第一宇宙速度入軌，難度比航天飛機大多了。既然要求水平着陸，飛行器就需要升力面，例如翼體結構或升力體結構（參看圖三）。飛行器在返回地球進行水平着陸時，必須要有足夠大的升力，使之進入軌道。升力增大，可以增大調整軌道機動飛行的能力。具有翼體結構或升力體結構的飛行器，因為有較大的升力面，在返回時就會有橫向機動能力。當預定的機場如氣象條件等不宜降落時，它甚至可選擇其它機場水平降落。飛行器的水平降落避免了垂直降落的兩大缺點，即造成飛行器損傷性着陸衝擊過載和不容易控制的落點散佈。這類結構的飛行器由於再入大氣層相對比較平緩，其航程和飛行的時間相對長一些，總的加熱量大，並且加熱時間也加長了。由於這類結構型式比較複雜，再加之多次重複使用的要求，使其氣動力問題、防熱問題和結構問題變得十分複雜。 ^[7] 

運載器水平起飛的特點是在起飛時使用吸氣式發動機以充分利用空氣中的氧，在稠密大氣層中飛行運載器就要達到很高的入軌速度，這會給發動機的設計和氣動熱防護設計帶來很大困難，大大加大了技術關鍵的難度。因此，就和近期技術水平發展而論，水平起飛垂直降落、水平起飛水平降落方案是不可取的。 ^[7] 

由美國麥道公司提出的方案，採用垂直起降方式。火箭的起飛質量為463t，空重36.2t。高度39m，底部直徑12m，可以把4500kg的有效載荷送入極地軌道，返回過程中的橫向機動能力3000千米，火箭外形及飛行過程見圖4-24。火箭垂直起飛，起飛過載1.3g,上升並達到一定速度後關機，慣性飛行到接近入軌高度後再次起動點火，把火箭送入預定軌道。在軌停留14天后，啓動制動發動機，以小頭向前進入大氣層，下降到15000〜18000m髙度時，火箭掉頭，底部向下，降到6000〜9000m高度時，再啓動發動機，進行有動力垂直着陸。 ^[1] 

由英國羅塔裏火箭公司研製的羅湯方案，採用垂直起降方式。是種由2名航天員駕駛的單級入軌火箭。火箭呈圓錐形，由箭體結構、推進系統、乘員艙、有效載荷艙和螺旋槳等組成(見圖4-25〉。小型航天員艙位於下部，艙內有生命保障系統,足以保障乘員8小時的安全飛行和對付應急情況。火箭高度為20m,最大直徑為6.7m,起飛質量為181.4t,可以把3180kg的有效載荷送入298km的近地球軌道。

火箭箭體結構、各艙段、推進劑箱等均採用碳-環氧複合材料.這樣就使火箭起飛時與燃燒終了時的質量比（

）大大提高，為了防止氧化劑箱中的碳與液氧接觸時引起氧化反應，甚至發生爆炸，羅塔裏火箭公司成功地研製了在氧化劑內壁噴塗液體化學聚合物，試驗表明隔離效果非常好。 ^[1] 

推進系統採用高性能的旋轉式氣動塞式火箭發動機，發動機底部為一旋轉式圓盤，圓盤邊緣環形排列着96個燃燒室（見圖4-25）。有主燃燒室和助推燃燒室兩種。推進劑採用液氧和煤油，起飛推力為2226.87kN，由於煤油密度較大，使結構更加緊湊，推進系統沒有渦輪泵，火箭起飛前，氣動塞式火箭發動機藉助發射台上的液壓馬達高速旋轉，其旋轉速度達720n/min。當圓盤環繞縱軸旋轉時，利用旋轉產生的離心力，將液氧和煤油從推進劑箱注入燃燒室。 ^[1] 

火箭的鼻錐部有4個長度各為8m,用鉻鎳合金製造的螺旋槳，火箭起飛時，錁旋槳呈摺疊狀。再入大氣層後乘員啓動螺旋槳，像直升機那樣自動旋轉下降，下降速度可洚低到小於1m/s，即使螺旋槳出現故障,也能保證安全降落。2000年後投入使用。

由美國NASA和洛克威爾公司提出的兩種有翼單級入軌火萷方案，均採用垂直起飛/水平降落方式。一種方案採用液氫/液氧雙組元發動機，另一種採用三組元發動機（液氫/煤油/液氧）。

有翼單級入軌火箭方案繼承了航天飛機方面的設計經驗.其外形設計特點是箭身採用圓截曲，以提高結構效率,有效載荷艙和航天員座艙位於兩個推進劑箱之間，箭體後部裝三角形機翼，並採用翼端尾翼，提高了控制效率。該方案安裝了7台主發動機及兩台軌道機動發動機。7台發動機的佈局有利於在出現1〜5台發動機故障關機的情況下，調整發動機推力，使火箭能應急返回。每台主發動機的推力調節範圍是65%〜109%。 ^[1] 

由美國洛克希德公司提出的升力體外形火箭方案,採用垂直起飛/水平降落方式。火箭起飛質量726t，機身長38.4m,翼展25.9m,入軌質量86.18t。該方案採用液氫/液氧線性塞式火箭發動機。火箭外形見圖4-27。火箭的平面投影為三角形，鈍前體，平滑下表面，大麴率半徑側向輪廓，機身厚度根據有效載荷艙長度和燃料箱容積要求進行優化選擇。有效載荷艙取圓筒形，直徑4.5m,長度13.5m。有效載荷艙位於中軸線的中部.其前後是前液氧箱和後液氧箱。液氫箱安排在箭體兩側。在尾部安裝線性塞式火箭發動機，塞式噴管外形與箭體後部一體化設計。該發動機的特點是能隨飛行高度自動適應大氣壓力的變化，具空比衝高，而且在相同膨脹比的條件下，可大大縮短噴管長度。 ^[1] 

升力體外形的特點是具有小展弦比，氣動中心與質量中心的距離較近，由機身產生80%的升力,在飛行馬赫數範圍內氣動中心的移動較小(5%)，對實現控制有利。

NASA在一篇題為“進入空間的研究”的報中指出：“美國應當發展一種完全重複使用的單級入軌（SSTO）火箭，以代替正在使用的高成本、低效率的航天飛機和已經落後的一次性運載火箭。這樣，預計到2030年，可以節省600多億美元的支出。 ^[8] 

報告指出，這種單級入軌火箭，可以設計成載人的或不載人的，是一種完全自動飛行的運載器，動力裝置將採用7台俄羅斯研製的液體燃料發動機。運載器在近地軌道上運行，返回時，能象飛機那樣在地面着陸。同時，其地面後勤保障工作量很小，操作簡便，可以很快地再次執行任務。

該研究報告估計，單級入軌火箭大約在2008年左右開始代替美國現有的航天飛機和所有的一次性運載火箭，研製費用雖然高達185億美元，但由於它是完全重複使用，運營成本會大幅度降低。因此，可在7〜9年內收回其投資。 ^[8] 

而且正在使用的火箭缺點較多，如成本太高、可靠性和安全性不夠高、可操作性不好，而且在今後將越來越突出，在國際市場上的競爭力會日益下降。 ^[8] 

此外，該研究報告在進行分析比較後，否定了改進當前航天飛機和一次性火箭及建造一種新的一次性火箭的兩種方案，建議將發展高技術的、可完全重複使用的單級入軌火箭作為NASA的發展目標。

美國前Patrick空軍基地東部航天與導彈中心主任J.Mansur説，航天飛機已完成了大量的任務。同其他型號一樣，它不適應商業應用和商業要求，它太貴、維護操作複雜。這個問題遲早是要解決的。 ^[8]