欧洲空间局的,NASA研究空间站的应急发射工具

美国航天局近日授予安德鲁航天技术公司等四家公司为期90天、价值90万美元的合同,用来对登陆国际空间站的紧急发射系统进行概念和需求研究。这一研究将揭示空间站后备支援系统的潜在性能,扩大提供空间站供给主要运载工具的范围,目前用来进行空间站供给的主要工具包括:美国的航天飞机、俄罗斯进步号飞船、欧洲空间局的自动转移运载器和日本H-II 轨道转移运载器。这些公司将对登陆空间站的可能的替换工具进行概念研究,确定发射服务所需满足的任务需求并提出减小风险方面的具体建议。在主要的运载工具无法提供发射的情况下,这种正在研制的应急发射工具可以在需要时,具备在一周内进行发射的能力,从而提高空间站的工作灵活性。(摘译自8月28日defence-date.com)

Aurora Plan of ESA"奥罗拉"计划(也称为"曙光"计划)是欧洲刚刚开始的一项雄心勃勃的载人太阳系探测计划,它的实施必将给欧洲的科技和社会带来重大影响。目前,还无法预测"奥罗拉"计划究竟能给人类带来什么新的东西,但可以肯定的是,"奥罗拉"计划将像"曼哈顿计划"、"阿波罗计划"一样深刻地影响到人类的社会、经济、军事活动以及日常生活,给人类带来新的曙光进入21世纪以来,国际航天界掀起了一股深空探测的热潮,各航天大国纷纷发射自己的深空探测器或是制定未来的深空探测计划。其中美国宇航局和欧洲空间局的计划最为壮观。欧洲空间局在本世纪初发射了"火星快车"火星轨道器和"SMART-1"月球轨道器,也开始了大规模的深空探测活动。与美国相比,20世纪以来欧洲在科技方面一直处于下风。由于"曼哈顿计划"、"阿波罗计划"以及"国际空间站计划"的实施,使美国在科技的各个领域处于全面领跑的位置,国际上具有重大意义的、原创性的科技成果大多为美国所创造。欧洲不甘心总是跟在美国后面,迫切希望能通过制订自己的重大科技计划,通过各个成员国的努力,在一些领域赶上并超过美国,重新回到科技之巅。在这样的背景下,他们提出了自己的雄心勃勃的载人太阳系探测计划--"奥罗拉"计划。计划的提出"奥罗拉"是古罗马神话中的曙光女神,传说每天早上她用玫瑰色的手指打开天门,让第一缕阳光投射到大地。欧洲空间局将他们的载人太阳系探测计划命名为"奥罗拉"计划,就是希望该计划能给欧洲的科技界带来新的曙光。"奥罗拉"计划是欧空局应其部长级会议的要求,在2000年提出的一个"载人太阳系探测"计划,并于2001年在爱丁堡举行的欧空局部长级会议上获得了一致批准。此后,欧空局组织了大量的人力展开了对"奥罗拉"计划的论证,并在网上广泛开展了新方案、新思想的征集活动。2002年8月,完成了方案的初步论证,并于2003年公布了"奥罗拉"计划的路线图。2003年,欧空局批准了对"阿里安"-5号火箭的改进(A5 ESC-A和A5 ESC-B型两种)所需的9亿欧元的投资,这两种火箭是2009年和2011年无人火星探测所必需的运载工具。A5 ESC-A可将4.5吨质量的载荷运送到火星轨道,而A5 ESC-B型火箭的火星轨道运载能力将达到8吨。根据"奥罗拉"计划路线图的规定,欧洲将在2033年前实现载人火星登陆,在此期间实现火星取样返回、载人登月。欧空局认为,"奥罗拉"计划对技术上的研究与创新,对行星科学、太空生物学、生命科学等领域,是不可替代的源泉;对现在和未来的几代人,是一个鼓舞人心的目标;是教育方面的关键财产,"奥罗拉"计划是能够使欧洲重返世界科技之巅的惟一机会。计划路线图欧空局在2003年公布了"奥罗拉"计划的初步路线图。按路线图规定,从现在起到2015年,将发射机器人探测器到月球和火星,并为载人登陆月球和火星做准备。载人登陆月球是一个中期目标,而载人登陆火星是最终目标。"奥罗拉"计划的头十年,开发和发射几个机器人,开发和检验载人飞行技术;第二个十年,包括大量的技术演示任务,或者自主地、或者在国际空间站的支持下,准备航天员在月面着陆,并检验各种"原位"技术,这是未来火星着陆所必须的技术;最后十年,将展开载人登陆火星任务。路线图确定的具体任务及其时间表如下:1.2007年,发射"进入运载器"的演示器。初步目标是验证载入太空舱的鲁棒性设计,演示高速再入技术,演示未来可能实现的行星保护状况,演示简单回收的操作情况。2.2009年,发射机器人任务中的"外火星"09探测器。3.2011年,实现"火星取样返回"任务的第1次发射。其科学目标是寻找生命的信号,完成火星土壤样品的地质学和矿物学分析;完成火星大气样品的分析;对火星土壤和大气中可能存在的对航天员具有潜在危险的物质进行识别并给出其特性。其技术目标是检验进入、下降、着陆系统,检验火星上升运载器,进行火星大气、火星表层和深层土壤取样,地球和火星的行星保护(即保护行星环境不被污染)研究,往返火星旅行的操作状况研究。4.2014年,实现"火星取样返回"任务的第2次发射,同时发射"载人任务技术演示器"。"火星取样返回"任务中,两次发射的科学目标与技术目标完全相同,第2次发射只是为了保险而进行的备份发射。"载人任务技术演示器"的第一目标是演示为行星任务开展的轨道装配技术,在低地轨道上演示月球任务中的生命支持和月球居住状况,演示"演习"1号任务的舱外活动,在低地轨道上演示对微重力环境的对策,演示从低地轨道返回的再入飞行器,在低地轨道上演示火星对接系统;其第二目标是完成全部操作,完成生命科学实验。5.2018年,完成技术先遣任务。第一目标是演示中间规模任务的气动捕获、气动刹车技术,太阳能电推进技术,受控软着陆技术,演示任务操作过程,验证载人规模任务的气动捕获状况,推进器的原位实验;第二目标是寻找生命存在的信号,完成火星土壤样品的地质学和矿物学分析,完成火星大气样品的分析,对火星土壤和大气中可能存在的对航天员的潜在危险进行识别并给出其特性,放置无线电通信和遥感的下部结构(即布置在火星表面的各种结构)。6.2024年,载人登月。第一目标是生命支持系统演示,行星际轨迹运行时的居住舱的演示,地球再入演示,空间和星球表面的舱外活动演示,重返地球演示,长期孤立状况下乘员组的状况,长期微重力条件下乘员组的性能状况,操作能力演示;第二目标是,完成在月球表面的探测任务,完成在月球表面的科学任务。7.2026年,"自动火星"任务。第一目标是适合载人速率的、完整尺寸的行星际飞船的各种演示,包括推进演示、捕获演示、进入-下降-着陆演示、上升和对接演示;第二目标是表面下层结构的布设(如巡游车、工具、灯塔等),用于未来着陆位置用的气象站的布设、火星表面科学仪器包的布设等。8.2030年,第1次载人火星任务的货舱单元。第一目标是将一个乘员组运送到火星表面,并使他们安全地返回,保证火星和地球两者的行星保护,演示人在火星的能力和支持人在火星需要的条件,利用人在现场这一最大优点来完成探测任务,扩展科学知识,包括选择火星土壤样品等;第二目标是评估人长期在行星上生活的适应性,包括可居住性、资源的可用性、工程约束条件等。9.2033年,载人火星任务的第1次发射。目标同2030年任务。去年发射的"火星快车"火星轨道器(带有"猎兔犬"-2着陆器)和"SMART-1"月球轨道器是为"奥罗拉"计划的第一阶段任务进行的铺路性工作,可惜"猎兔犬"-2着陆器没有成功。而国际空间站计划将为欧洲航天员提供载人飞行经验。整个路线图将随着技术的发展进行调整。其中的关键技术有:●能源和推进系统,包括氢的存贮、二氧化碳的转换,以及核能的产生;●生命支持和再循环系统;●考虑心理影响时,长期居住舱的设计;●低地轨道上的装配;●火星轨道上的交会对接;●图像识别、自动精确导航和着陆;●辐射防护、对长期暴露在微重力下的影响的对策、健康监测;●生物探测、生物防护和杀菌技术。计划中的机器人任务"奥罗拉"计划前10年主要是机器人任务。机器人任务包括两类:"旗舰"任务和"箭"任务。"旗舰"任务是该计划前期的主要部分,本身有明确的科学目标和齐全的设备,而"箭"任务只是进行技术演示验证。 "旗舰"任务"旗舰"任务包括两个子任务,即"外火星"任务和"火星取样返回"任务,都是无人火星着陆任务。"外火星"任务计划在2009年发射探测器。来自世界上30多个国家的580多名科学家参与了"外火星"任务的方案征集活动。根据2002年8月公布的方案,"外火星"任务由一个轨道器、一个下降舱和一个巡游车组成,这三部分在巡航期间可能是一体的,也可能是两体的。轨道器释放下降舱和一个巡游车后,进入适当的轨道,然后负责为登陆器提供中继服务。由于轨道器寿命较长,也可以为后续任务提供服务。下降舱主要是将巡游车运送到火星表面,采用可充气气囊和降落伞系统进行刹车。巡游车使用太阳能电池阵供给能源,可以行走几千米。使用自带的软件、光学敏感器导航,巡游车可以自主操作。巡游车质量为223千克,有效载荷质量为40千克,包括一个取样器和样品处理装置,一套研究过去和现在生命存在的信号的科学装置。"外火星"任务要求许多先进的技术,这些技术主要包括:巡游车系统、着陆系统、可充气刹车装置、能源补给;自治和导航。"火星取样返回"任务是"旗舰"任务的第二个子任务,计划在2011年发射。整个系统由5个部分组成,即一个地/火转移平台、一个火星轨道器、一个下降舱、一个上升舱和一个地平台球再入运载器。由地/火转移平台将整个系统转移到火星轨道,然后与地球再入运载器分离;当轨道器在绕火星的低高度轨道时,下降舱将被释放下降到火星表面,下降舱的着陆由取样器和一个上升舱组成,取回的样品封装在上升舱的密封罐内,然后上升舱上升到火星轨道,同地球再入运载器对接,再由地球再入运载器将上升舱运送到地球轨道,最后回收样品。火星取样返回在2013年进行。 "箭"任务"箭"任务是技术演示任务,目的是减小"旗舰"任务的风险。该任务更灵活、更便宜,技术复杂性小,具有更短的开发时间。将要被批准的头两个演示飞行器是1个地球再入运载器/太空舱和1个火星气动捕获演示器。地球再入运载器/太空舱任务是为"旗舰"任务中的火星取样返回任务进行准备的第一步。1个小的空间飞行器将被放进高度椭圆的地球轨道,然后向地球推进,以便仿真1个由行星轨道返回的太空舱经历的各种情况。火星气动捕获演示器的目的是验证使一个航天器仅仅通过与行星上层大气的摩擦进行刹车,从而进入轨道所需的技术。该技术的使用能够大大减少火星任务的燃料消耗,一旦被验证,将会在未来的"旗舰"任务中使用,最后在载人任务中使用。该任务也可能由一个月球任务所替代。计划的管理与费用"奥罗拉"计划是一个欧空局提出的、多国参与的太阳系探测计划,采用的是非捆绑式参与模式,即每5年为一个阶段,参与国可以在每个阶段结束时决定自己在下一个阶段的参与程度,也可退出该计划。在"奥罗拉"计划中,已经明确分析了潜在的合作伙伴,其中包括美国、俄罗斯、中国、印度等。目前加拿大已经参与了"奥罗拉"计划。"奥罗拉"计划的费用是分阶段预算的,2005~2009年度,估计为9亿欧元。

美国

美国在新型可复用运载器研制方面走在了世界的前列。目前世界上唯一进入使用阶段的可复用运载器就是美国航天飞机。近10年来,美国在其综合航天运输计划的支持下,可复用运载器方案百出,研究活动蓬勃开展。但由于研究经费大大超出预计,美国在2002年10月的2003财年预算修正案中,将SLI无限期搁置。美国可复用运载器将重点发展“轨道航天飞机”和“空间作战飞行器”以及第三代可复用运载器技术。是一种多用途航天器。它将与现有的渐进一次性运载器和未来的可复用运载器兼容,可乘坐4~6人。OSP将承担国际空间站航天员救生和航天员运输任务,从而替换俄罗斯的联盟号飞船,并将航天飞机从人员运输中解放出来。据美国航宇局称,OSP将比联盟号飞船具有更高的安全性和可靠性。NASA局长肖恩·奥基夫称,OSP是建立在现有技术基础之上的,因而风险较小,经济可承受性较好。根据NASA的新计划,OSP将在2010年用EELV发射后,首先作为乘员救生飞行器使用;到2012年再作为航天飞机的补充往返于国际空间站运输人员和少量物资。NASA需在2003财年向OSP项目增加165亿美元,以启动该项目。该局计划在以后5年的时间内花费48亿美元来研制这种新型运载器。NASA宣布,OSP的任务清单将在2003年底最终敲定,2004年开始全面的系统开发工作,2005年进行选择方案评估和OSP初步设计,预计2006年投产,2010年开始服役。为降低技术风险,NASA将采用X-37试验机进行试验,包括进场与着陆、先进防热技术和有翼OSP用EELV发射期间经受的上升动力学等。目前NASA设有一个航天运输备份计划,包括确保进入空间和交会与对接技术等。它将被融入到OSP计划中去。2003年2月,NASA发布了OSP的顶级要求。它是根据ISTP计划所确定的NASA任务而制定的。这些要求为飞行器及相关系统的设计奠定了基础。2003年9月23日,NASA宣布已完成系统需求评估,并为OSP制定了一套更加详细的技术规范。OSP系统定义评估定于2003年11月进行。目前,OSP的方案选择方向趋向于带翼体和弹道密封舱。图1和图2为波音公司的设想图。空间作战飞行器“空间作战飞行器”是一种能按需及时发射的可复用运载器,可将上面级送入近地轨道或仅使上面级达到亚轨道速度。它是“军用航天飞机”系列中的主要飞行器,是一种可用于航天发射、操作、侦察和作战的多功能作战平台,不仅可进行天地往返运输和维修卫星等空间系统,还可摧毁敌方空间系统、拦截弹道导弹和对地进行精确打击。作为具有应急发射能力的可复用运载器,其远期目标是单级入轨,而近期目标是两级入轨。它的上面级可以是能重复使用的空间机动飞行器,或是一次性使用的通用航天航空飞行器和轨道转移飞行器。如它可以直接发射CAV,形成远程对地攻击能力。与远程弹道式导弹相比,由于它能返回并重复使用,从而可节省费用。它也可以发射激光武器、遥感系统和卫星等有效载荷。此外,它将上面级送入轨道后,还具有滞留轨道待命和轨道机动能力。SOV完成发射和在轨任务后,可再入大气层在机场跑道上着陆,并在短时间内重新发射入轨。它集成了航空飞行器和航天器,尤其是可复用航天运载器等方面的设计思想,是航空与航天技术紧密结合的产物。这种飞行器能在飞机和卫星的飞行高度之间完成多种作战任务,可与飞机和卫星等构成完整的空天立体攻防体系。SOV机身长通常在10米左右,总重量约10吨,有效载荷一般不小于500公斤。机体结构主要采用轻质复合材料。主要系统包括防热系统、推进与轨道机动系统、制导/导航/飞行控制/任务管理系统、机载综合电子系统和能源系统等。图3是SOV的概念图。预计SOV可能在2008年启动研发,2014年前后进行试验样机研制。目前,SOV正在进行作战任务确定和发展路径规划研究,空军还在进行关键技术研究。NASA第二代可复用运载器研究计划及X-43等高超声速飞行器计划将支持SOV入轨技术的发展研究。同时,X-40AH和X-37等计划也在支持SOV在轨控制、再入飞行和着陆等相关关键技术的演示验证研究。

欧洲

欧空局于1994年2月制定了欧洲未来航天运输研究计划。FESTIP研究的五大技术领域分别为结构、材料、推进、热处理和气动热力学。欧空局希望借此计划在2015年前研制出能发射中小型卫星的可复用运载器,并将发射成本降低到目前成本的10%。后来欧洲又制定了FESTIP计划的后续计划——未来运载器技术计划。FLTP将利用FESTIP在概念研究和未来运载器技术方面的成果,重点进行欧洲未来可复用运载器的概念研究和技术研究。2003年,欧空局要为FESTIP计划制定一个准备计划,即未来运载器预备计划。FLPP将分两步走,涵盖2003~2010年。第一步为成熟化阶段,焦点集中在关键技术的比较权衡和成熟化。其间将引入一个称为“预先”X、专门用于再入试验的第一代试验飞行器(与德国国家计划“阿斯特拉”和“不死鸟”1平行进行),并将进行需求分析和潜在解决方案分析。第二步为验证阶段,将发展X试验飞行器,并进行飞行验证。在FESTIP计划下提出了“跳跃者”方案(其验证飞行器“不死鸟”1正在德国的“阿斯特拉”计划下进行研制),而在FLPP计划下提出了“预先”X试验飞行器和X飞行器。跳跃者“跳跃者”是一种质量500吨、长50米的有翼飞行器,如图4所示。它由一个4公里长的轨道引导,在一个带推进的磁性橇车上水平发射升空,尔后按亚轨道轨迹飞行到130公里高度,进行高速级间分离,接着释放出一次性使用上面级,将有效载荷推到最终轨道,最后返回发射场自动着陆。“跳跃者”每年发射10~20次,90%发至静地转移轨道,静地转移轨道运载能力为7.5吨。欧洲目前正在利用“跳跃者”的缩比模型“不死鸟”1来验证有翼可复用运载器的自动着陆能力。X飞行器和“预先”X 可重复使用的X飞行器是欧洲研制试验飞行器的第二步,其目的是验证高超声速火箭推进飞行器的可重复使用性、维护性和地面操作。“预先”X是第一代试验飞行器,旨在快速获得飞行试验结果,以证实和校验尚未在典型环境中进行试验的工具、设备、设计和技术解决方案,并保证下一代试验飞行器的安全。“预先”X方案是由欧洲航空防务航天公司提出的,外形如图5。第二代X飞行器分为两类。第一类可能是一个能涵盖着陆前的整个飞行剖面、并能再飞一次的再入有翼飞行器。第二类可能是一个将飞行至马赫6~8、并可重复使用几次的自推进有翼飞行器。“预先”X方案的基本型是在再入期间能进行自动控制的升力飞行器。它将由俄罗斯运载火箭发射后伞降回收。现行的“预先”X定义是:质量约1500公斤,长4米,宽2米,再入期间飞行器由反作用控制系统和气动控制面控制。初步系统评审于2001年成功进行。(作者:中国航天工程咨询中心 江绍东 韩鸿硕)

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