K-1航空運載器

降低發射成本和重復使用，是航天運載器領域追求的目標。目前，除了美國航宇局在研制X－33單級入軌運載器外，數家私營公司也在研制各類可重復使用的運載器，其中基斯特勒航宇公司研制的K－1運載器，就是近期有希望實現可重復使用的一種航天運載器。

基斯特勒公司成立于1995年，其主要任務是研制和管理K－1航天運載器。該運載器可將各種衛星送上低地球軌道，為用戶提供一種在價格上有競爭力的可靠的發射能力。

K－1運載器及其飛行軌道

K－1是一種兩級運載器，由第一級或叫發射助推平臺（LAP）和第二級（包括有效載荷艙）或叫軌道飛行器（OV）組成，它們的直徑分別為6.62米和4.21米。K－1的起飛重量為378噸，第一、二級均可重復使用。第一級是利用為俄羅斯載人登月計劃制造的三臺NK－33液氧／煤油發動機作動力裝置，其總起飛推力為459噸。在起飛后130秒內，第一級將第二級送上大約40公里的高度，并與第二級分離。之后，第一級重新定向，其中心發動機再次啟動，使第一級在發射后約12分鐘，借助降落傘和氣囊的作用在原發射場著陸。第二級采用一臺NK－43發動機，它是第一級NK－33適用于空間條件下使用的改進型號，推力為118.9噸。在與第一級分離后，NK－43發動機點火，將第二級送入橢圓軌道。在滑行到遠地點后，采用液氧和酒精作為推進劑的軌道機動系統發動機點火，使飛行軌道圓化，然后調整第二級的姿態，打開有效載整流罩并釋放有效載荷。為防止對有效載荷的干擾，在等待足夠時間后，軌道機動系統發動機又再次點火，將第二級送入調整方向的軌道。在經過長達24小時的第二個滑行段后，第二級再重新定向，用軌道機動系統發動機完成脫軌飛行，并靠防熱系統保護再入地球大氣層。第二級也用降落傘和氣囊完成自主精確著陸機動而返回發射。返回地面的運載器經過檢修，再裝上有效載荷，最快可以在9天內為下次飛行作好準備。一般情況下，只要進行某些消耗品的補充，如加注推進劑（只需4小時），電池重新充電、安裝新的發動機啟動器，為一、二級更換降落傘和氣囊等。兩次飛行之間主發動機只需作有限的清洗。按設計要求，一臺主發動機可進行20次點火，但每點火10次后需作一次大檢修。K－1的有效載荷能力見下圖，如可將3000公斤的有效載荷送入高800公里、傾角37度的低地球軌道。

為了發射不同尺寸和外形的有效載荷，K－1將提供標準型和加長型兩種有效載荷艙。基斯特勒公司已選定了澳大利亞的伍梅拉發射場和美國的內華達發射場進行K－1的發射和著陸。這兩個發射場已分別于1998年和1999年破土動工。

K－1的設計準則

1本過驗證的技術組合K－1的設計主要選用了其它成功的航宇計劃和應用中的現成技術。如NK－33和NK－43發動機在前蘇聯進行了廣泛的研制性試驗，點火試驗達50多小時，超過了美國載人航天計劃中所用過的大部分發動機記錄；液氧貯箱利用了X－33和航天飛機外掛貯箱的設計和制造技術，制導、導航和控制使用了航天飛機和國防部計劃的計算機軟件和硬件。

2．廣泛采用模擬在K－1的設計和研制中采用了有效的模擬和計算。研制K－1的制導和控制軟件時，采用了“6自由度模擬”，它直接有助于結構設計的最佳化以及飛行控制軟件的開發。還對K－1飛行器環路中的硬件進行模擬，使實際的K－1電子部件和子系統在模擬的任務條件下（包括出現故障和失靈）運行。用了這些模擬技術還可確定和分析性能風險，并檢驗初始飛行的軟件和硬件。

3奔虻ァ安全和可維護性K－1運載器的簡單和安全特性可從以下幾方面看出。NK－33和NK－43發動機的推力都很大，且都采用煤油作燃料。與液氫相比，用煤油作燃料具有許多優點。煤油可裝在非低溫貯箱內，無需特殊的隔熱措施，這樣煤油貯箱可以做得比較小，從而使K－1的結構更加緊湊。而且，用煤油作燃料，地面設施和地面處理程序就簡單得多，潛在危險性也比液氫小得多。

操作和設計中簡單化的目的是為了高可靠性和降低維護成本。K－1的總體布局包括其內部系統和部件的配置，都是為了便于地面檢修而實現最佳化。許多關鍵系統可以通過運載器的兩端進去，維護人員容易進入分系統，這就節省了維護時間，并最終減少了維護費用。K－1的設計還使有效載荷與運載器之間、運載器的分系統之間的接口最少。由于減少了每個在線可更換單元（LRU）之間的實際接頭數量，K－1的設計可減少裝配和試驗每種分系統所需的時間。K－1是水平裝配的，其有效載荷同樣以水平狀態裝配，這樣可減少地面和發射輔助設施。

4鋇繾由璞傅淖災饜院捅阜蕕撓τ肒－1設計的另一關鍵要素是從發射前一直到著陸，運載器完全由箭上計算機控制，包括三重備用箭上計算機。它們是在現有商用硬件的基礎上研制的。這些計算機從慣性導航系統（也是三重備用）接收空間的方位信息，并接收來自全球定位系統接收機的數據進行修正。在再入前，軌道飛行器用星跟蹤器（雙重備用）重新確定其在軌姿態。用跟蹤與數據中繼衛星系統的收發機來提供有效載荷下行線的狀況，并接收著陸區上行線風的情況。慣性導航系統、全球定位系統接收機、星跟蹤器和跟蹤與數據中繼衛星系統收發機都是經過驗證的成熟技術。

5．可靠性對K－1正常狀態的監視與一般運載火箭有些差別。裝在第一、第二級內的正常狀態監視系統（VHMS），在每次飛行后，用它來報告飛行及其各系統的狀態。類似于正常狀態監視系統的概念也用于下一代商用飛機上，如波音777。在每一級著陸后，將正常狀態監視系統插入地面計算機，然后，該系統便向地面計算機報告運載器上各系統的情況，并確定需要作怎樣的檢修。由于該運載器是采用在線可更換單元的概念制造的，所以，各硬件單元都可以在發射場進行更換。同樣的正常狀態監視系統也用于飛行前的檢測。K－1的可靠性準則遵循這樣一個前提：如果某個硬件在飛行中工作正常，運載器上的自動化系統在著陸時也報告情況正常，則該硬件在下次飛行時仍能工作。寫文：綺云■