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航天运载系统发展历程概述(1)
Author: 余力
Issued Date: 2018-05-16
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一、引言

火箭在人类摆脱地球、征服空间的历史中取得了巨大的成功。从上世纪50年代苏联的人造卫星和飞船上天环绕地球飞行开始,美国阿波罗登月计划、航天飞机以及各种各样的科学和应用卫星探测器无一不需要依靠能产生巨大推力的火箭发动机。然而,这种火箭发动机只能使用一次,造成居高不下的发射费用及安全隐患,逐渐成为人类进一步征服太空、实现“宇航梦”的巨大障碍。

研发更先进航天发射系统的努力几十年来一直未曾停止。如上世纪80年代兴起的以超声速燃烧冲压发动机为代表的吸气式发动机(SCRIM)、或以它为中心的组合发动机(TBCC和RBCC),它们将水平起降的一级或二级入轨作为目标,人们对这些先进航天发射系统所付出的努力不可谓不大。无奈,面对航天运载系统的应用,这种吸气式的超燃冲压发动机受到飞行马赫数不够宽的制约(推阻比/推重比不够大),与涡轮或火箭发动机的组合也存在诸多难以克服的技术困难。总之,组合发动机要成为可以服役的航天运载系统尚需时日。然而,人们追求更加便捷、更加便宜地(负担得起)进入空间的美好愿望和努力是不会罢休的。

目前,航天运载系统研发的趋势基本是两种技术发展途径:一种是以火箭发动机为动力的运载系统;另一种是以吸气式组合发动机为动力的天地往返系统。后者能像飞机一样水平起降,虽然它的技术成熟程度与前者相比尚在初级发展阶段,但组合发动机既具有在大气层内吸气的航空发动机功能优势,又有在真空环境下火箭发动机的功能优势,显然更为理想。现代科技进步如此之快,很难说它以后就不会后来居上!?英国一家发动机公司(Reaction engine Com.)研发的吸气式火箭近几年就有所突破。总之,从长远来看,两条技术路线都有各自的显著优势,它们应该可以互相取长补短,形成双赢的竞争关系。

所谓“三十年河东三十年河西”,攻克火箭发动机弊端的努力在最近十年里有了重大突破。有一个美国人埃隆·马斯克(Elon Musk)敢想敢干,致力于火箭的重复使用,不惧几经失败的挫折,终于获得成功,此举将对未来航天发射系统带来颠覆性的影响。实际上,火箭发射费用高和存在安全隐患的弊端,归根到底的原因在于不能重复使用。实际上,吸气式组合发动机的最大优势就在于可重复使用。如果火箭也能做到,则进一步征服太空的最大障碍就不复存在,前往太空也就不会无比昂贵,人类未来宇宙航行的前途将无可限量。

时至今日,在国际航天发射市场颇具实力者,除中国、俄罗斯外,主要有美国的联合发射联盟(United Launch Alliance)、蓝源(Blue Origin)、太空技术开发(SpaceX)和欧洲的阿利安太空公司(Arianspace)四家。虽然目前在役运载系统仍沿用清一色的火箭发动机为动力,但是美国三家公司的研发目标已转向火箭的重复使用。如ULA的火神运载系统(Vulcan),Blue Origin的新格勒运载系统(New Glenn),和SpaceX的猎鹰9运载系统(Falcon 9)。它们的火箭发动机BE4、梅林1D和猛禽Raptor所采用的概念和技术或可代表重复使用火箭未来发展的方向。

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Content Type: 科普文章
URI: http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/77526
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