连接天与地的大力神

 新闻资讯     |      2020-07-05 10:41

自从1961年4月12日尤里·加加林乘坐“东方1号”飞船进入外层空间、实现人类进军太空的梦想之后,如何解决载人航天器使用上的经济性问题成为了摆在有志将航天员送入太空的国家免签的一个难题。载人航天飞船和空间实验室虽然能解决航天员进入太空和返回大气层内的问题,但从设计上来说属于一次性航天器,可以说在经济上不太划算。而1977年“企业”号航天飞机的研制成功,则为这个问题提供了一个较为圆满的解决方案。不过,航天飞机虽然能够重复运用,但其在应用上仍然存在一些麻烦,其中航天飞机在不同任务区域的调动、以及在大气层内进行试验时如何升空,是一个相当关键的问题。而为了解决这个问题,航天飞机运载机这种非常特殊的大型飞机应运而生,并见证了航天飞机的兴起与落幕。

□由波音747-100客机改装的NASA905驮运“企业”号航天飞机起飞。使用大型飞机运输航天飞机,是人类对航空器与航天器有机组合的最初尝试

虽然航天飞机名义上是一种兼具在大气层内外飞行能力的航天器,但事实上航天飞机在大气层内飞行时限制很多。航天飞机在设计上主要考虑作为可重复使用的载人航天器、以将航天员安全地送入外层空间或撤回大气层内为主要任务,同时还要执行轨道载人航天器的各类任务,因此机上有很多不利于在大气层内飞行的“死重”、且气动设计仅仅考虑了升空时尽量降低空气阻力和返回时能依托自身机翼和机体受到的升力安全滑翔着陆,而没有考虑过依靠自身动力从地面滑跑起飞并在大气层内飞行的问题。所以,航天飞机虽然像固定翼飞机一样拥有机翼和尾翼,但事实上航天飞机并不具备在大气层内飞行的能力。

□完成最后一次飞行任务后着陆的“发现”号航天飞机。从该机面积狭小的机翼、空气阻力不小的“方盒”型机身和发动机短舱,不难明白航天飞机在大气层内的飞行能力是个什么水平

在航天飞机难以实现大气层内飞行的问题上,航天飞机的发动机选取也是一个很重要的原因。美国的航天飞机配用的RS-25D发动机本质上是一种火箭发动机、用途局限于调整飞行姿态、并在发射升空时提供部分推力。而苏联虽然计划为“暴风雪”号和后续的航天飞机配装AL-31涡扇发动机(即苏-27战斗机的动力装置)来改善大气层内飞行性能,但在“暴风雪”号的发射试验中并没有采用这一设计,其后因苏联解体导致航天飞机计划被打断并最终流产,这种设想再也没有实践的机会。当然,考虑到“暴风雪”号航天飞机与它的美国同行们一样基本没有考虑大气层内的空气动力学问题,所以即便安装了AL-31发动机,其在大气层内飞行的能力也不会太好。因此,如果要让航天飞机在不同的部署地点进行机动,寄希望于其能像固定翼飞机一样在一个机场起飞升空、再进行长距离飞行降落到另一个机场是不现实的(这是空天飞机才具有的能力),而必须依靠外力。

□与“能源”号助推火箭进行连接组合中的“暴风雪”号航天飞机。虽然该机有配装涡扇发动机改善大气层内飞行能力的打算,但这个设想最终未能实现

为了解决航天飞机在大气层内,特别是发射场、降落场、维修保障基地之间的转运问题,美国国家航空航天局(NASA)在“企业”号研制的同时,选择了使用大型飞机运载航天飞机作为机动手段。这一构想并不新鲜,这种使用大型飞机背驮小型飞机形成组合式飞行器的概念,早在二战期间就已经出现过。当时,德国空军为空袭欧洲大陆上的重要目标,采用了战斗机与装载炸药的自杀式轰炸机组合的“槲寄生”组合,并执行了多次作战任务。从概念上来说,“槲寄生”与航天飞机运载机存在显著区别,特别是其控制终端在被背负的小型飞机上、大型飞机仅作为载重平台和被控制机体的设计,与航天飞机运载机恰好相反。但“槲寄生”的成功实践,证明使用大型飞机背负小型航空器飞行能确保结构稳定、对飞行性能的影响也有限,因此可以认为“槲寄生”侧面证实了使用大型飞机背负运载航天飞机的可行性。

□Me109战斗机和改装后的Ju88自杀式轰炸机组成的“槲寄生”飞行体。这种看起来怪模怪样的组合,却是组合式飞行体概念的鼻祖

而在航天飞机运载机的选取上,当时NASA面临着很多种选择。“企业”号航天飞机长37.2米,宽23.8米,高17.4米,空重72.6吨,理论上载重能力超过100吨的大型运输机都可以用于“企业”号的运载。在众多平台当中,NASA选择了当时还很新锐的波音747-100客机。这种客机全长70.6米、最大起飞重量超过330吨、可进行超过10000千米的远程飞行,同时便于采购零件进行维护保养,因此很适合作为航天飞机的运载机平台。1974年,代号NASA905的航天飞机运载机改装完毕,与其他波音747-100相比,该机在外观上最显著的区别在于水平尾翼两端增加了防止背负航天飞机时产生的扰流干扰稳定的垂直稳定器,另外在机身背部安装了用于对接航天飞机的Mate-Demate Device(MDD)设备。1977年2月18日,“企业”号首次由NASA905背负升空,证明了这种组合的可行性。此后,NASA905与另一架波音747-100改装而来的NASA911成为美国仅有的两架航天飞机运载机。值得一提的是,虽然在“发现”号航天飞机于2011年3月9日完成最后一次飞行任务之后航天飞机暂时退出了历史舞台,但NASA905却仍然继续服役、并“改行”成为了无人机运载平台。老实说,考虑到无人机与航天飞机在重量和体积上的差异,这未免有点大材小用了。

□NASA905背负波音公司的“幻影射线”无人机。对于以背负航天飞机为最初设计任务的NASA905来说,驮运这种“小不点”实在是小菜一碟

而说起NASA905在苏联的“同行”和竞争对手,人们想到的往往是曾背负“暴风雪”号航天飞机的安-225重型运输机,但实际上安-225并非唯一一架设计上用于运载航天飞机的苏联飞机。1977年,米亚西舍夫设计局获批在米亚-4“野牛”远程轰炸机的基础上设计了VM-T特种运输机,用于大型航天器组件运输。1981年4月,VM-T首飞成功。在服役期间,三架VM-T曾运送航天器150余次,并多次承担大型天然气罐的空运任务,可谓功劳赫赫。而在苏联的航天飞机发展历程中,VM-T也起到了不可替代的作用。1982年3月15日,VM-T成功运输了装载有航天飞机动力系统的运输舱。同年12月28日,又运输了载有航天飞机前后整流罩的运输容器。1983年3月1 日,VM-T成功搭载航天飞机全尺寸机体样机升空,证明使用该机运载航天飞机是可行的。1988年3月23日,VM-T承担了向拜科努尔发射场运送“暴风雪”号航天飞机的任务,虽然飞行期间发生了一些问题,但最终任务圆满完成,这为“暴风雪”号成为美国航天飞机以外唯一成功发射的可重复利用载人航天器起到了关键性的作用。

从实践来看,VM-T用于航天飞机运载是合格的,但限于米亚-4轰炸机的先天设计限制,该机机体宽度较窄、对航天飞机支撑能力相对较差,同时VM-T又继承了米亚-4航程较短的缺陷(背负31.5吨载荷时航程仅有1700千米),因此苏联在“暴风雪”号航天飞机的研制期间,就已经决定采用规模更大的运输机来运载航天飞机。当时,苏联生产的飞机当中吨位和规格最大的是安-124“鲁斯兰”,这种1982年首飞的重型运输机在机身尺寸、飞行性能上都与波音747相当,而载重能力还超过了波音747,因此用改装后的安-124运载“暴风雪”理论上是可行的。但考虑到航天飞机运载任务的特殊性,同时运载航天飞机进行远距离飞行需要性能更好的平台,苏联最终选择以安-124为基础设计吨位更大的安-225。安-225从外观上看最具特色的方面在于其“H”型尾翼和机翼下多达6台的发动机,而该机巨大的体积则更为人所津津乐道。1989年5月12日,安-225成功背负“暴风雪”号航天飞机进行了飞行试验。然而不曾令人所想到的是,这一次飞行竟然是安-225唯一一次实现了其设计中的预定任务。

□背负“暴风雪”号航天飞机起飞的安-225。从两者体积的对比,不难看出安-225的的巨大程度

如今,曾经叱咤风云的航天飞机已经“英雄迟暮”,而当年为运载航天飞机而设计的NASA905和安-225却仍然活跃在、并有了各自全新的任务领域,这种始料未及的结局,实在令人不禁慨叹。平心而论,无论是航天飞机还是NASA905、安-225其实都有冷战时代美苏两国争霸在载人航天和航空工程技术方面的投射,在冷战时代落幕后航天飞机解甲归田、并与航天飞机运载机“劳燕分飞”也实属必然。但无论从航天工程还是航空工程的角度来说,航天飞机与航天飞机运载器的组合体,仍然堪称是当代最伟大的飞行器设计之一。今天回顾这种航空器与航天器的完美组合,我们仍会对当年航空航天工程技术人员的创举感到惊奇,而这些难能可贵的技术探索,则已经成为人类进军太空进程的一块块奠基石。