利用軌道發(fā)射衛(wèi)星

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SpaceX公司的一級火箭回收技術存在的弊端，提出了利用軌道替代一級火箭發(fā)射火箭的思路，并利用齊奧爾科夫斯基的理想火箭推進公式計算了發(fā)射效率。

關鍵詞：航天器；軌道發(fā)射；衛(wèi)星

中圖分類號：V412.4 文獻標識碼：A 文章編號：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)射基本采用三級運載火箭方式，其中一級火箭可以在發(fā)射后120至160秒的時間內(nèi)將二級＼三級火箭以及衛(wèi)星（以下簡稱航天組合體）推送出大氣層，然后與航天組合體脫離，昂貴的一級火箭墜落大海成為殘骸。

2 存在的主要問題

以長征5號運載火箭為例，火箭總重834噸，一級火箭重784噸，占總發(fā)射重量的90%以上；而火箭最大任務載荷僅有23噸。由于發(fā)射方式的低效，導致發(fā)射衛(wèi)星非常昂貴；低軌道小型衛(wèi)星的發(fā)射費用在2000萬美元以上，高軌道大型衛(wèi)星的發(fā)射費用則可達到數(shù)億美元，其中一級火箭可占到總發(fā)射費用的80%以上。美國SpaceX公司“獵鷹9號”火箭的制造成本高達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，都需要花費數(shù)千萬美元生產(chǎn)全新火箭。如果能找到一種廉價可靠的發(fā)射方式替代目前的三級運載火箭中的第一級，將為人類開辟進入太空的捷徑。

3 美國人的解決思路

美國SpaceX公司提出了一級火箭在完成發(fā)射任務后通過動態(tài)控制成功落回地面的回收技術，希望能達到一級火箭安全回收的目的，然后只需對一級火箭進行翻修，重復灌入燃料，即可執(zhí)行多次發(fā)射任務，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險的任務。從理論上講，“獵鷹9號”在飛行時經(jīng)歷了大幅的溫度變化，而且要承受極高的壓力和振動等環(huán)境中的諸多極端因素的影響。這些因素都會對火箭本身造成磨損，所以，回收之后的火箭或許需要進行維修和更新，才能再次執(zhí)行發(fā)射任務。翻修火箭引擎往往成本高昂。如果翻修時間太長，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成本高昂的主要原因之一。航天飛機使用巨大的一次性燃料箱和兩個可以重復使用的火箭助推器完成發(fā)射。一旦完成太空任務，航天飛機可以像飛機一樣在返回地面。航天飛機的可反復使用設計是為了節(jié)約資金，因為除了外部燃料箱外，其他的組件都可以反復使用。“可惜的是，并沒有達到預期效果。”美國宇航局委員會成員兼航前天飛機項目主管維恩·海勒（Wayne Hale）表示，“這是一臺極其復雜的設備，需要進行大量翻修才能再次升空。”航天飛機的主要引擎經(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。總體而言，這將把每次發(fā)射任務的成本推升到4.5億至15億美元之間。

4 利用軌道發(fā)射衛(wèi)星的基本設想

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

本文認為可以采用現(xiàn)代航母電磁彈射飛機的思路，在長距離軌道上運行裝載航天組合體的列車以常規(guī)動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載火箭點火，與發(fā)射軌道脫離，進入太空；運載列車反向剎車，逐步返回發(fā)射起點。

具體方式如下：

（1）在一座海拔6000米以上的高山內(nèi)修建一個長達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)動機以5g到6g均勻加速，在軌道末端，火箭點火脫離軌道進入太空。由于軌道長達100km，發(fā)射列車可獲得近57秒的運行時間，航天組合體可獲得3400m/s的初始速度和6000m左右的初始高度，這樣只需兩級火箭就可將衛(wèi)星送入地球軌道。

5 基本理論計算

根據(jù)齊奧爾科夫斯基的理想火箭推進公式

V-V0=Vtln（m0/mk）

式中V為火箭在噴射完全部可噴射物質時的瞬間速度，V0為火箭起飛速度，Vt為火箭發(fā)動機噴口氣體噴射速度，mk為火箭結構質量，m0為火箭結構質量+全部可噴射物質。

現(xiàn)代火箭發(fā)射時，由于V0=0，在現(xiàn)代技術條件約束下火箭發(fā)動機噴口氣體噴射速度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Vt為3000m/s；當V0=0時，要求ln（m0/mk）>=（7.9/3），火箭才能達到第一宇宙速度。此時不難計算出m0/mk要達到14以上。

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

6 風險與優(yōu)點

6.1 風險

6.1.1 發(fā)射列車的動力問題

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

6.1.2 發(fā)射列車的運行方式

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

6.1.3 高速運動中的火箭發(fā)射技術

由于火箭在隧道內(nèi)高速奔馳時，最高速度可達10馬赫，此時火箭會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，仍然會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)點與前景

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

發(fā)射準備工作快，一次發(fā)射完畢后，只要檢查軌道和發(fā)射列車的技術狀態(tài)正常就可以進行下一次航天發(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)星的方式得以實現(xiàn)，人類將進入大規(guī)模開發(fā)太空的時代，發(fā)射衛(wèi)星費用將大幅降低，建設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、火星探險的龐大飛船也將不再是難事。

參考文獻

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