巧用旋翼返回地球

蔡汝鴻

從人類進(jìn)入太空的最初嘗試到宇宙飛船的出現(xiàn)，不管是載人發(fā)射還是不載人發(fā)射，在發(fā)射后都必須廢棄運載器?，F(xiàn)在的宇宙飛船不能重復(fù)使用，而且返回地球時落點散布很大，航天員承受的過載也很大，所以它不經(jīng)濟(jì)、不實用，也不甚安全。于是，美國從1972年起開始研制可部分重復(fù)使用、水平著陸的載人航天運載器——航天飛機。但它也只能部分重復(fù)使用，而不能全部重復(fù)使用。美國一些公司正在研制可全部重復(fù)使用的運載器，例如，美國旋轉(zhuǎn)火箭公司的“旋子”運載器和洛克希德·馬丁公司的X－33“冒險星”運載器等。這些運載器方案包括垂直發(fā)射、水平起飛、單級或雙級入軌等內(nèi)容。

一些勇于探索的工程師發(fā)現(xiàn)，航天運載器再入大氣層和返回地面，能夠應(yīng)用直升機利用旋翼自轉(zhuǎn)著陸的原理。運載器利用直升機旋翼返回地球，要比使用降落傘安全得多，而且落點也準(zhǔn)確。與航天飛機以固定翼飛機水平滑跑著陸方式相比，它不需要很長的滑行跑道，也經(jīng)濟(jì)實用。美國的旋轉(zhuǎn)火箭公司根據(jù)這種想法，推出了“旋子”運載器方案。該運載器有人駕駛，垂直發(fā)射，單級入軌，用于運載衛(wèi)星進(jìn)入近地球軌道、中地球軌道或地球同步軌道。

美國航空航天局在探討“阿波羅”登月計劃時，就曾產(chǎn)生過把旋翼自轉(zhuǎn)的概念用于運載器著陸的想法。在五六十年代，該航空航天局與卡曼直升機公司合作，完成了速度高達(dá)3馬赫數(shù)的風(fēng)洞試驗。其試驗得到的數(shù)據(jù)至今仍被作為進(jìn)一步研究的基準(zhǔn)。

“旋子”結(jié)構(gòu)布局

從外形上看，“旋子”運載器象一座錐形高塔，它被直立地支撐在4個起落架上，由旋翼系統(tǒng)、液氧箱、商載艙、乘員艙、煤油箱、驅(qū)動裝置、底盤等部分組成。

旋翼系統(tǒng)取自西科斯基公司S－58直升機，但作了修改，它位于運載器的頂端。在旋翼槳葉槳尖處，裝有以過氧化氫為燃料的推力器，這些推力器在運載器返回地球的著陸階段工作，產(chǎn)生使旋翼旋轉(zhuǎn)的推力。在“旋子”運載器返回地球著陸過程中，旋翼起方向操縱及減速作用。

在“旋子”運載器發(fā)射升空和飛行時，旋翼的4片槳葉沿運載器殼體朝下折疊。在運載器以底朝下快要進(jìn)入大氣層之前，折疊的槳葉才展開。在進(jìn)入大氣層后的下降過程中，從旋翼下方來的氣流會驅(qū)動旋翼槳葉轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生升力，它可抵消掉運載器的部分重力，明顯減小運載器的下降速度。在下降到8530米高度時，下降速度將足夠低，能夠滿足繼續(xù)下降和最終著陸的要求。該運載器的旋翼由常規(guī)總距和周期變距操縱桿控制，偏航則由3個偏航推力器來控制。在運載器快要接地之前，航天員啟動槳尖推力器來驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)，以使運載器在較大的升力作用下平穩(wěn)著陸。這樣，也可減輕起落架所承受的重量，從而減輕其結(jié)構(gòu)重量。

在運載器進(jìn)入大氣層后，槳葉將在攝氏1370度的高溫環(huán)境下工作，所以必須在其表面涂上耐熱涂層，而且這種涂層應(yīng)能承受住槳葉彎曲運動引起的變形。

液氧箱位于運載器的上部三分之一處，由碳纖維復(fù)合材料制成。至今尚無其它運載器使用這種材料來制造液氧箱，因為這里有一個難題，即該材料的可燃性石墨環(huán)氧樹脂與液氧接觸會燃燒或爆炸。旋轉(zhuǎn)火箭公司宣稱，它已經(jīng)研究出一種保護(hù)層，可以避免燃燒和爆炸。

煤油箱位于運載器的下部，驅(qū)動裝置的正上方。

底盤由碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成，其上有裝96個推進(jìn)燃燒室的新型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)速為720轉(zhuǎn)/分，其推進(jìn)燃燒室已完成了首次短時間試驗運行。

“旋子”運載器的Jet－A煤油噴氣發(fā)動機，可產(chǎn)生2224千牛推力，推重比為83∶1。它與液氫燃料發(fā)動機不同，能供100次飛行使用。運載器利用一種廉價的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，代替了一般運載器動力裝置中那種昂貴的高壓渦輪燃料泵。此裝置僅僅靠離心力，就可以產(chǎn)生把燃料供給燃燒室所需的力。由碳纖維復(fù)合材料制成的轉(zhuǎn)盤圓周上，總共布置有96個推進(jìn)燃燒室。每個燃燒室約與垂線成1.5度角安裝，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置運轉(zhuǎn)時，推進(jìn)噴嘴也產(chǎn)生側(cè)向力，并驅(qū)動底盤在兩個支撐軸承上轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，通過特氟隆制的環(huán)形密封件，即可把燃料及氧化劑引向燃燒室。

乘員艙是埋入式的，可乘坐兩人。由于乘員艙是在“旋子”運載器的重心下面，航天員在操縱運載器時，存在一個相反運動感覺的問題。例如，運載向左橫滾，有乘員艙向右移動的錯覺，此時如果航天員用左周期變距來補償，這就會加劇運載器的橫滾，所以航天員必須注意扭轉(zhuǎn)這種錯覺并集中精力關(guān)注運載器的姿態(tài)。

“旋子”運載器沒有增穩(wěn)設(shè)備，在啟用旋翼飛行時，運載器獨特的構(gòu)型又存在難以控制飛行的弊病。其旋翼仍采用常規(guī)直升機那種周期變距和總距變距桿來操縱，由腳蹬控制樞軸安裝的一組過氧化氫推力器來進(jìn)行偏航操縱。具有細(xì)長結(jié)構(gòu)的運載器主體，其偏航慣性較小，也易于轉(zhuǎn)動。

“旋子”運載器的俯仰與橫滾慣性較高。懸掛在旋翼下方的19.2米高的主體，就象鐘擺一樣容易擺動。不過，一旦出現(xiàn)這種擺動，它會引起航天員的注意。而且，擺動周期也較長，約10秒鐘，航天員是容易控制的。

大氣層試驗飛行器

旋轉(zhuǎn)火箭公司為了驗證“旋子”運載器方案的可行性，于1999年3月2日在莫哈維制造了“大氣層試驗飛行器”。它又是“旋子”運載器的全尺寸原型機，將用于進(jìn)行自轉(zhuǎn)再入大氣層、下降和帶動力著陸試驗。

該飛行器空重4445公斤，19.2米高的主體采用錐形石墨復(fù)合材料殼體，殼體頂上裝西科斯基公司S－58直升機的旋翼系統(tǒng)及其傳動裝置，旋翼直徑17.1米。整個飛行器由4個起落架支撐直立。機組人員2名，飛行中，他們可通過靠近底部的圓形窗對外界觀察。

“大氣層試驗飛行器”旋翼系統(tǒng)，采用4臺159公斤推力的過氧化氫槳尖推力器來驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)。飛行器可帶足夠的燃料供在全油門狀態(tài)下飛行5分鐘。但該飛行器沒有裝用于垂直發(fā)射的噴氣發(fā)動機。

最初的飛行試驗，將由槳尖推力器驅(qū)動旋翼使飛行器從莫哈維起飛，在爬升到2438米高度后，關(guān)閉槳尖推力器并進(jìn)入自轉(zhuǎn)下降；在著陸之前，再次啟動槳尖推力器，以模擬飛行器從軌道再入大氣層最后階段的飛行。直徑17.1米的旋翼可使該飛行器下降速度降低到12米/秒，最大下滑速度為75公里/小時。

在實施飛行器試驗之前，將首先進(jìn)行地面開車試驗，然后作系留試驗，最后再作飛行試驗。

1999年5月，該飛行器進(jìn)行了第一次地面試驗，試驗中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速傳感器故障；6月23日進(jìn)行了第二次地面試驗，歷時7分鐘，一切順利；此后，在進(jìn)行了離地幾米高度的系留懸停試驗以后，于同年7月28日進(jìn)行了首次試飛。當(dāng)日，一共進(jìn)行了3次短暫的懸停飛行，總飛行時間為4分40秒，離地高度2.4米。由于槳尖推力器的推力不足，這次并未進(jìn)行連續(xù)懸停飛行。這次試驗是由“旋子”運載器的主管工程師馬爾特·薩勒居爾克利、飛行試驗主任布里安·比尼駕駛進(jìn)行的。這兩人都是美國海軍前直升機試飛員。試驗證明：乘員艙的高度表能有效、正確指示飛行器的下降高度，這樣航天員的注意力便可集中在對外觀察上；起落架在單點接地時也完全能承受撞擊載荷。

正駕駛員負(fù)責(zé)操縱旋翼周期變距、總距桿和腳蹬。由于沒有旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，副駕駛員則負(fù)責(zé)控制旋翼轉(zhuǎn)速。因為旋翼工作存在轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的問題，例如旋翼轉(zhuǎn)速越大，向槳尖推力器輸送過氧化氫的離心力就越大，這就會增加推力器推力，從而加速旋翼旋轉(zhuǎn)。因此，副駕駛員應(yīng)控制其轉(zhuǎn)速，使其保持在200轉(zhuǎn)/分至260轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)。這也是該飛行器采用兩人制機組的原因之一。

1999年9月16日，換裝了更大功率槳尖推力器的“大氣層試驗飛行器”進(jìn)行了第二次試飛，歷時2.5分鐘，高度6.1米。10月12日，進(jìn)行了第三次試飛，這也是該飛行器的首次水平飛行試驗。飛行速度達(dá)到了85公里/小時，飛行距離1310米，歷時3分47秒，前飛時間1分50秒，懸停時間1分57秒。試飛是在莫哈維機場沿30號跑道進(jìn)行的，飛行高度23米，當(dāng)時機場無風(fēng)。這次飛行試飛員也是薩勒居爾克利和比尼。他們說，駕駛“大氣層試驗飛行器”與駕駛直升機或固定翼飛機很不相同，但通過綜合駕駛艙模擬器進(jìn)行訓(xùn)練后即能平穩(wěn)駕駛。

以后飛行試驗的內(nèi)容是，利用旋翼槳尖過氧化氫推力器驅(qū)動旋翼爬升到3048米高度，然后關(guān)閉推力器作自轉(zhuǎn)下降，在接近地面時再重新點燃槳尖推力器，以利用較大的旋翼升力實現(xiàn)飛行器平穩(wěn)著陸。

如果飛行試驗順利，“旋子”運載器研制工作以后的目標(biāo)是：將亞軌道試驗飛行器在2000年9月至12月發(fā)射到96公里高度進(jìn)行試驗，在2000年12月至2001年3月，將運載器發(fā)射到250公里高度軌道，并在同年投入使用。

“旋子”運載器主要數(shù)據(jù)

全高：19.2米

最大直徑：6.7米

重量：<182.5噸

機組人員：2人

動力裝置：旋轉(zhuǎn)火箭公司的噴氣發(fā)動機（6個驅(qū)動裝置，共96個燃燒室），推力2224千牛頓

燃料：煤油/液氧

商載艙尺寸：（直徑×高）3.66米×5.08米

商載能力：3.2噸（飛行高度260公里，軌道傾角50度）