空間運輸系統

完成綜合性航天任務所需要的運載器、太空飛行器和各輔助系統的總和。空間運輸系統有美國的空天飛機(NASP)、英國的霍托爾(Hotol)和德國的桑格爾(Sanger)。

基本介紹

• 中文名：空間運輸系統
• 外文名：STS,Space Transportation System 
• 系統結構：運載器、太空飛行器和各輔助系統

簡介

美國計畫中的空間運輸系統由太空梭、空間試驗室、空間拖船和各輔助系統組成。蘇聯的載人飛船、貨運飛船、航天站和各輔助系統實際上也可看作空間運輸系統。近期的空間運輸系統這一概念的含義是不再需要一次性使用的垂直起飛的系統，像太空梭、暴風雪或赫爾姆斯(HermeS)那樣。更確切地說，新的空間運輸系統完全能重複使用，能夠水平起飛和著陸，和在地球上任何地方具有最短轉場時間。研製這類太空飛行器最為鼓舞人的是有希望降低把有效載荷送入軌道的成本,能把當前高得可怕的2萬美元/公斤降低到構想的2千美元/公斤。整個世界都對此頗感興趣,美國、西歐、印度、日本、也許還有蘇聯都是如此。

NASP、Hotol和Sanger的概貌

NASP

NASP是一種真正有雄心的單級入軌太空飛行器，它用超音速燃燒衝壓噴氣發動機來推進，馬赫數可達到25。它是一種比較新的推進系統。就空天飛機來說，它必須達到它的理論上的上限值，要付出很高的成本和冒很大的險。即便是如此，是否僅藉助於超音速燃燒衝壓噴氣發動機能使NASP抵達軌道，這一間題仍未得到解決。

除了發動機的研製極其複雜之外，機架結構本身也是一種挑戰,這主要是由動能加熱造成的，這種動能加熱在上升階段要比於降階段更為關鍵，它能使駐點溫度達到2500℃以上，為此在材料選擇上要有相應的要求。

西歐方案要求略低，部分原因是由於財政上的限制，部分是由於其技術基礎略為遜色。

Hotol和Sanger兩者都是預想用渦輪和衝壓噴氣組合推進系統來達到M=5.7，接著是使用火箭推進系統。

Hotol

英國的Hotol方案是共種單級入軌飛行舞，預期的載荷能力為7噸，不載人，其主要任務是把衛星放置在低地球軌道。Hotol將使用一種非常獨特的發動機，該發動機可以從衝壓噴氣推進轉換成火箭推進,也可以從後者轉換成前者。研製這種超輕型的發動機，並且以四台或六台一組組裝在機架中，這是一項具有挑戰性的任務。

機身前面部分包含液氫箱,機身截面有點呈圓筒形，通過貫穿式翼(Carry一throughwings)和發動機短艙來防護再入氣動加熱。氧氣貯箱是一個安置在翼結構內的自備式容器並由翼支撐萬水平起飛藉助於火箭推進運輸系統。

有關雙功能發動機的細節目前知道得很少。據報導有一種RB545型發動機推力較大，並且與Concorde’s Olympus發動機相比要輕1000公斤，不過可能它已被較新的產品(Satan)所取代。

應當指出的是，Hotol方案主要是由英國航宇公司和羅爾斯羅伊斯公司提供資金。直到1988年才從政府方面得到了斷斷續續和少得可憐的支持。

Hotol方案確實有它的優點，但它的最大的缺點是其可實現的有效載荷的裕量幾乎沒有增加潛力，它可能由於意想不到的設計更改和加工問題而受到嚴重危害。

Sanger

德國Sanger方案是一種兩級入軌系統，其原始方案的年代可追溯到1940年，而再次由德國宇航工業將EngenSanger的理想復興則是在1985年。

Sanger的下面級在技術上沒有多大問題，一台渦輪衝壓噴氣發動機組將它推進到M=6.8,此時上面級與之離。機體主要部位的最高溫度為60。℃,局部熱點達到1100℃。從材料角度考慮：應付這樣高的溫度只有使用帶有矽塗層的欽合金才能完成。氣動載入與超音速運輸機差不多,只是分離階段除外。

看來第二級必須先向上飛行，然後受分離時具有火箭發動機功能的液壓作動筒的作用進入傾斜狀態。這一機動飛行，可能是在上升過程中兩個級之間的空氣動力的相互影響將是問題的主要方面。分離之後,載人的卞面級將返回並在普通的跑道上著陸。

上面級，它可以是有效載荷重量為7噸的載人型，或者是有效載荷重量為10噸的載貨型,非常類似於Hermes和其它再入飛行器，並將得益於現已在使用的技術。

德國看到Sanger方案的兩個明顯的優點：1)兩級是在人們所熟知的環境中獨立工作，2)下面級可隨時轉變成超音速運輸機。因此，下文的論證僅能在下列假設條件下才能有效，即假如存在有一個超音速運輸機商業市場,而且在Sanger取得成果之前,美國和自本產品仍然沒有取得優先地位。

不言而喻，沒有一個西歐國家將會或能夠承擔獨立研製一種新的空間運輸系統的沉重的財政負擔。它必然要求一些歐洲國家在歐洲空間局的主持下集資聯營,或者更好的是與美國和西歐共同努力。

空間往返運輸系統的意義與必要性

隨著空間開發的集中化、多樣化、大量化的發展，為了能有效地並且自由地開展空間活動，今後要建立多項共同任務為基礎的系統，即把建設“天基”作為重要的課題。

在天基建設中，承擔運送人員和物資的運輸系統是其最重要的組成要素，但考慮到21世紀多樣化的空間開發活動時，不是使用過去從地面向空間單向運輸的一次性運載系統，而是使用雙向運送的(將來可能重複使用)一次性運載系統。

(1)在中低高度軌道上有助於穩定地完成日本的空間活動。

①軌道上服務

例如在中低高度軌道上觀測領域，存在衛星大型化和開發經費增大的傾向，但是目前延長衛星壽命受到限制。通過空間往返運輸系統，實施軌道上的服務(檢查、修理、補給、交換、回收)，克服延長衛星壽命的限制。此外，出故障後任務的完成，交換新的任務儀器等，使各領域的衛星套用的效率提高。

②利用空間環境的實驗與觀測

利用空間環境進行實驗與觀測的機會，今後會越來越多。

通過空間往返運輸系統，就能自由地且適時地進行實驗與觀測,更能穩定地完成這些任務。

③空間站等業務

有關向空間站運送人員與物資，評估美國太空梭的作業,指出也要有效利用其它的運輸手段。日本應具有空間運輸手段，為有效利用空間站日本艙(JEM),必須有自己的太空梭來填平補齊。

(2)維持並發展以空間活動為中心運輸系統的技術基礎。

從維持並發展運輸系統的技術基礎(技術人員、知識、設備等)的觀點出發,空間往返運輸系統是繼世界高水平的大型火箭技術之後,又邁上更為重要的新台階。

通過發展未來型完全能重複使用的空間運輸系統,有助於大幅度降低運輸成本和實現空間開發活動的整個“重複循環系統”。

(3)科學技術振興

正當開發空間往返運輸系統之際,不但使航空技術和航天技術融合在一起,而且集新材料、電子學、機械學等廣泛尖端技術之大成,這些新技術的開發為日本科學技術振興作出很大貢獻。

空間往返運輸系統尖端技術的開發,反過來也促進了航空工業的發展。

配圖