武衛(wèi)東++武卓成++李俊智

摘 要：本文分析了現(xiàn)代航天器發(fā)射方式和美國(guó)SpaceX公司的一級(jí)火箭回收技術(shù)存在的弊端，提出了利用軌道替代一級(jí)火箭發(fā)射火箭的思路，并利用齊奧爾科夫斯基的理想火箭推進(jìn)公式計(jì)算了發(fā)射效率。

關(guān)鍵詞：航天器；軌道發(fā)射；衛(wèi)星

中圖分類號(hào)：V412.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）06-0248-01

1 現(xiàn)代航天發(fā)射衛(wèi)星的基本原理

現(xiàn)代航天器發(fā)射基本采用三級(jí)運(yùn)載火箭方式，其中一級(jí)火箭可以在發(fā)射后120至160秒的時(shí)間內(nèi)將二級(jí)＼三級(jí)火箭以及衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱航天組合體）推送出大氣層，然后與航天組合體脫離，昂貴的一級(jí)火箭墜落大海成為殘骸。

2 存在的主要問題

以長(zhǎng)征5號(hào)運(yùn)載火箭為例，火箭總重834噸，一級(jí)火箭重784噸，占總發(fā)射重量的90%以上；而火箭最大任務(wù)載荷僅有23噸。由于發(fā)射方式的低效，導(dǎo)致發(fā)射衛(wèi)星非常昂貴；低軌道小型衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用在2000萬美元以上，高軌道大型衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用則可達(dá)到數(shù)億美元，其中一級(jí)火箭可占到總發(fā)射費(fèi)用的80%以上。美國(guó)SpaceX公司“獵鷹9號(hào)”火箭的制造成本高達(dá)6000萬美元，燃料成本僅為20萬美元。通常太空公司的每一次發(fā)射任務(wù)，都需要花費(fèi)數(shù)千萬美元生產(chǎn)全新火箭。如果能找到一種廉價(jià)可靠的發(fā)射方式替代目前的三級(jí)運(yùn)載火箭中的第一級(jí)，將為人類開辟進(jìn)入太空的捷徑。

3 美國(guó)人的解決思路

美國(guó)SpaceX公司提出了一級(jí)火箭在完成發(fā)射任務(wù)后通過動(dòng)態(tài)控制成功落回地面的回收技術(shù)，希望能達(dá)到一級(jí)火箭安全回收的目的，然后只需對(duì)一級(jí)火箭進(jìn)行翻修，重復(fù)灌入燃料，即可執(zhí)行多次發(fā)射任務(wù)，從而大大降低火箭的發(fā)射成本。但究竟能降低多少成本呢？且不說火箭回收是一件高風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)。從理論上講，“獵鷹9號(hào)”在飛行時(shí)經(jīng)歷了大幅的溫度變化，而且要承受極高的壓力和振動(dòng)等環(huán)境中的諸多極端因素的影響。這些因素都會(huì)對(duì)火箭本身造成磨損，所以，回收之后的火箭或許需要進(jìn)行維修和更新，才能再次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。翻修火箭引擎往往成本高昂。如果翻修時(shí)間太長(zhǎng)，SpaceX就無法頻繁地發(fā)射。從以往航天發(fā)射案例中也可看到翻修成本是航天飛機(jī)成本高昂的主要原因之一。航天飛機(jī)使用巨大的一次性燃料箱和兩個(gè)可以重復(fù)使用的火箭助推器完成發(fā)射。一旦完成太空任務(wù)，航天飛機(jī)可以像飛機(jī)一樣在返回地面。航天飛機(jī)的可反復(fù)使用設(shè)計(jì)是為了節(jié)約資金，因?yàn)槌送獠咳剂舷渫?，其他的組件都可以反復(fù)使用?！翱上У氖牵]有達(dá)到預(yù)期效果?！泵绹?guó)宇航局委員會(huì)成員兼航前天飛機(jī)項(xiàng)目主管維恩·海勒（Wayne Hale）表示，“這是一臺(tái)極其復(fù)雜的設(shè)備，需要進(jìn)行大量翻修才能再次升空?！焙教祜w機(jī)的主要引擎經(jīng)過幾次發(fā)射之后必須更換。這種飛行器還需要在兩次任務(wù)之間展開許多檢修。另外，在從海洋中回收之后，其火箭助推器也需要不斷更新，而且每次都要使用新的外部燃料箱?？傮w而言，這將把每次發(fā)射任務(wù)的成本推升到4.5億至15億美元之間。

4 利用軌道發(fā)射衛(wèi)星的基本設(shè)想

解決衛(wèi)星發(fā)射的最重要的是能否不使用一級(jí)火箭，由一種方式將航天組合體加速到一定的高度和速度。

本文認(rèn)為可以采用現(xiàn)代航母電磁彈射飛機(jī)的思路，在長(zhǎng)距離軌道上運(yùn)行裝載航天組合體的列車以常規(guī)動(dòng)力先將航天組合體加速到一定的速度和高度，在軌道末端航天組合體的運(yùn)載火箭點(diǎn)火，與發(fā)射軌道脫離，進(jìn)入太空；運(yùn)載列車反向剎車，逐步返回發(fā)射起點(diǎn)。

具體方式如下：

（1）在一座海拔6000米以上的高山內(nèi)修建一個(gè)長(zhǎng)達(dá)100km的斜坡隧道，內(nèi)部鋪上軌道，軌道末端敞口于山體反斜面，軌道仰角可達(dá)60度，見圖1。

（2）航天組合體先由發(fā)射列車采用電磁推力或航空發(fā)動(dòng)機(jī)以5g到6g均勻加速，在軌道末端，火箭點(diǎn)火脫離軌道進(jìn)入太空。由于軌道長(zhǎng)達(dá)100km，發(fā)射列車可獲得近57秒的運(yùn)行時(shí)間，航天組合體可獲得3400m/s的初始速度和6000m左右的初始高度，這樣只需兩級(jí)火箭就可將衛(wèi)星送入地球軌道。

5 基本理論計(jì)算

根據(jù)齊奧爾科夫斯基的理想火箭推進(jìn)公式

V-V0=Vtln（m0/mk）

式中V為火箭在噴射完全部可噴射物質(zhì)時(shí)的瞬間速度，V0為火箭起飛速度，Vt為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴口氣體噴射速度，mk為火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量，m0為火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量+全部可噴射物質(zhì)。

現(xiàn)代火箭發(fā)射時(shí)，由于V0=0，在現(xiàn)代技術(shù)條件約束下火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴口氣體噴射速度Vt可視為常數(shù)，因此要想獲得更大的飛行速度，只能依靠更大的m0/mk之比。

已知第一宇宙速度為7900m/s，設(shè)Vt為3000m/s；當(dāng)V0=0時(shí)，要求ln（m0/mk）>=（7.9/3），火箭才能達(dá)到第一宇宙速度。此時(shí)不難計(jì)算出m0/mk要達(dá)到14以上。

如果V0=3400m/s，則ln（m0/mk）>=（（7.9-3.4）/3），此時(shí)m0/mk只要達(dá)到4.5以上，就可使火箭達(dá)到第一宇宙速度。如果換算到發(fā)射23噸的衛(wèi)星，則火箭總重只需達(dá)到120噸即可。

6 風(fēng)險(xiǎn)與優(yōu)點(diǎn)

6.1 風(fēng)險(xiǎn)

6.1.1 發(fā)射列車的動(dòng)力問題

發(fā)射列車的推動(dòng)方式可以選擇的方式包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)推送或電磁彈射為基本方式，現(xiàn)代雙發(fā)重型戰(zhàn)斗機(jī)的重量大約是45噸以上，航空發(fā)動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生使其達(dá)到7～8g加速度的推力，考慮到航天組合體的總重可達(dá)120噸以上，載荷可達(dá)20噸以上，因此使用4-6個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為基本推力是適合的。電磁彈射的優(yōu)點(diǎn)是不用裝載燃油，電能更加便宜且不產(chǎn)生污染，但長(zhǎng)距離電磁彈射技術(shù)較為復(fù)雜，近期難以成熟。

6.1.2 發(fā)射列車的運(yùn)行方式

發(fā)射列車的運(yùn)行方式較為復(fù)雜，由于發(fā)射列車運(yùn)行的末期速度高達(dá)10馬赫，因此如何保證發(fā)射列車在軌道上的平穩(wěn)運(yùn)行是發(fā)射成功的關(guān)鍵。磁懸浮技術(shù)可能是解決問題的一個(gè)理想方案。

6.1.3 高速運(yùn)動(dòng)中的火箭發(fā)射技術(shù)

由于火箭在隧道內(nèi)高速奔馳時(shí)，最高速度可達(dá)10馬赫，此時(shí)火箭會(huì)受到巨大的空氣阻力，可以通過密封隧道并抽成近似真空解決此問題；但在火箭從隧道口脫離軌道時(shí)，仍然會(huì)遇到巨大的空氣阻力，如何克服這一阻力是軌道發(fā)射衛(wèi)星必需解決的難題。

6.2 優(yōu)點(diǎn)與前景

采用軌道助推發(fā)射火箭的方式將完全取消一級(jí)運(yùn)載火箭，沒有火箭回收和翻新火箭的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)射列車在脫離火箭后制動(dòng)剎車，可在完整安全回收后多次使用，加上推進(jìn)動(dòng)力使用電力或燃油動(dòng)力，因此發(fā)射費(fèi)用低廉。

發(fā)射準(zhǔn)備工作快，一次發(fā)射完畢后，只要檢查軌道和發(fā)射列車的技術(shù)狀態(tài)正常就可以進(jìn)行下一次航天發(fā)射。相信在克服具體工程難題后，這一發(fā)射方式將成為今后衛(wèi)星發(fā)射的主要方式。

如果以軌道發(fā)射衛(wèi)星的方式得以實(shí)現(xiàn)，人類將進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)太空的時(shí)代，發(fā)射衛(wèi)星費(fèi)用將大幅降低，建設(shè)新一代空間站甚至太空城都將成為可能；太空旅游也將不再是極少數(shù)富豪的專利，普通人花個(gè)幾十萬完成一次太空旅行將成為可能；在太空中組裝前往月球、火星探險(xiǎn)的龐大飛船也將不再是難事。

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