[科普中國(guó)]-可回收助推器

基本概念

美國(guó)踢奧科爾公司研制的美國(guó)航天飛機(jī)固體助推器是用于載人航天的特大型分段式可回收固體助推器。它是世界上第一個(gè)可回收并可多次重復(fù)使用的特大型固體助推器，一般金屬件按照設(shè)計(jì)可重復(fù)使用20次，柔性噴管的柔性接頭可重復(fù)使用10次。目前金屬殼體和噴管部件等已實(shí)現(xiàn)了可多次回收并重復(fù)使用。

“能源”號(hào) 運(yùn)載火箭助推器的回收蘇聯(lián)“能源”號(hào)的助推器是可回收的，在每個(gè)助推器組件底部有一個(gè)獨(dú)特的折疊槳葉形減速板。減速板由一個(gè)簡(jiǎn)單的雷管煙火裝置起動(dòng)，由氣動(dòng)力保持工作狀態(tài)。減速板使已熄火的助推器脫離開“能源”號(hào)主體，第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和有效載荷則繼續(xù)飛向軌道。1

已熄火的助推器不僅速度減慢下來，而且還作翻轉(zhuǎn)，直至減速板位于朝上位置，此時(shí)降落傘展開，助推器以一受控速度朝地面落去。當(dāng)?shù)竭_(dá)一預(yù)定的高度時(shí)，制動(dòng)火箭由近炸引信點(diǎn)火，這減緩了助推器的下降速度，助推器則拋去其頭部的其它部件，包括一次性使用的液氫貯箱。貯箱最后壓扁，助推器主體（包括發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪和燃料計(jì)量裝置）保持豎直位置而完好無損?；厥盏闹破髦恍枰M(jìn)行檢驗(yàn)和測(cè)試，就可掛上貯箱再次起飛。1

俄羅斯試驗(yàn)可回收式助推器為了減少航天運(yùn)輸費(fèi)用，德國(guó)戴姆勒-奔馳公司( DASA) 正在與俄羅斯合作進(jìn)行一項(xiàng)新的再入技術(shù)研究，稱之為可充氣再入和下降技術(shù)( IRDT) ，其最終目的是使各種航天系統(tǒng)具備再入能力。另外，可使上面級(jí)乃至衛(wèi)星都可重復(fù)使用，從而實(shí)現(xiàn)高效費(fèi)比的航天運(yùn)輸，而且能夠使用在對(duì)那些有大氣層的星球探測(cè)計(jì)劃上，如火星著陸等。第1次試驗(yàn)進(jìn)行一種輕型俄羅斯保護(hù)材料和“弗雷加特” ( Fregat )助推器返回地球大氣層試驗(yàn)，內(nèi)容是用來返回一個(gè)1.8t的上面級(jí)和一個(gè)歐洲的小型有效載荷(遙感器) 以及做其他試驗(yàn)，在著陸時(shí)不是使用降落傘，而是使用充有氣體的可膨脹外罩使火箭和有效載荷免受極高的溫度損害及著陸時(shí)的沖擊。

試驗(yàn)于2月9日北京時(shí)間07：20進(jìn)行，當(dāng)時(shí)從拜科努爾航天中心成功地發(fā)射了一枚攜有可回收式火箭助推器Fregat和模擬衛(wèi)星的聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭，當(dāng)火箭進(jìn)入600km高度時(shí)，上面級(jí)釋放一顆模擬衛(wèi)星，將其送入遠(yuǎn)地點(diǎn)600 km、近地點(diǎn)150 km、傾角為64. 9°的橢圓形預(yù)定軌道。在繞地球飛行5圈后，上面級(jí)開始制動(dòng)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火2次，來證明其具有發(fā)射歐空局( ESA) 的CLUSTER衛(wèi)星的能力。當(dāng)火箭高度降到150km時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)又點(diǎn)火2次使上面級(jí)和模擬衛(wèi)星在返回時(shí)能準(zhǔn)確定位，然后上面級(jí)與模擬衛(wèi)星分離。這時(shí)這個(gè)小型負(fù)載的防熱罩充滿氦氣，從直徑0.8m左右的環(huán)型膨脹為底面直徑約2.4m的錐形，進(jìn)入大氣層。當(dāng)大氣密度變高時(shí)，負(fù)載進(jìn)行第2次充氣，其底面擴(kuò)大為直徑3.6m的錐形，其意圖為減小下降速度，到著陸時(shí)為10m/s，充氣防熱罩起到了降落傘的作用，使所載的“貨物” 安全返回地面并實(shí)現(xiàn)軟著陸。助推器也以同樣方式返回地面。

按計(jì)劃助推器和模擬衛(wèi)星應(yīng)該在發(fā)射后8h后返回到地球上，但由于無線電信標(biāo)出現(xiàn)故障，火箭和衛(wèi)星返回地球后失蹤了。俄羅斯的幾個(gè)發(fā)射搜尋小組于2月14日在莫斯科東南800km處找到了Frega助推器，但該助推器攜帶的一顆模擬衛(wèi)星尚未找到。俄羅斯有關(guān)負(fù)責(zé)人認(rèn)為，衛(wèi)星和火箭返回地球就表示此次發(fā)射的第2項(xiàng)試驗(yàn)獲得成功。

Fregat助推器作為運(yùn)載火箭的前部與衛(wèi)星直接相連。這種新型助推器的外殼僅有108 mm厚，凈重僅有1t，因此它有良好的性能，可攜帶的燃料達(dá)5350kg，可把4.2t衛(wèi)星送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道( GEO)。助推器采用三軸穩(wěn)定系統(tǒng)，其發(fā)動(dòng)機(jī)可在一次飛行期間幾次發(fā)動(dòng)和關(guān)閉，最多能開關(guān)20次。此外，它有一個(gè)特殊的充氣式錐形防熱罩，可保護(hù)它返回稠密大氣層時(shí)不被燒毀，返回時(shí)的最高溫度有2000°C。所以對(duì)外殼的材料要求很高，DASA公司說這種材料能廣泛應(yīng)用在空間站、火星計(jì)劃和可重復(fù)使用火箭上，但還沒有飛行驗(yàn)證過。因此這是對(duì)這種材料的一次考驗(yàn)，而俄羅斯想驗(yàn)證其助推器的性能及返回時(shí)進(jìn)入大氣的角度和位置。新型助推器可單獨(dú)返回地面，也可與衛(wèi)星一起返回地面。俄航天專家指出，可回收和多次使用的助推器Fregat有多種用途，可配備在“聯(lián)盟”、“天頂”、“質(zhì)子” 和“安加拉” 等型號(hào)的運(yùn)載火箭上，它能將衛(wèi)星送入太陽同步軌道、高橢圓軌道、地球同步軌道，并可以與SS-18導(dǎo)彈合用發(fā)射小衛(wèi)星，因此具有廣泛的應(yīng)用前景，DASA公司已與俄羅斯簽署意向書來廣泛探求它的使用領(lǐng)域。

俄羅斯拉沃奇金生產(chǎn)聯(lián)合體從1992年就開始研制這種助推器，并在多國(guó)火星-96計(jì)劃中采用，但是因?yàn)?996年11月質(zhì)子號(hào)火箭沒有進(jìn)入軌道而沒有得到驗(yàn)證。在空間和地面上的測(cè)試表明其有較高的可靠性。拉沃奇金生產(chǎn)聯(lián)合體對(duì)Fregat助推器有較高的期望，因此在試驗(yàn)中盡量驗(yàn)證其各種商業(yè)應(yīng)用能力，如多進(jìn)行兩次發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)試驗(yàn)等。

如果這次任務(wù)得到肯定，F(xiàn)regat 或Fregat-2火箭將定于今年6月和7月為ESA進(jìn)行兩次四顆衛(wèi)星的發(fā)射。2