利用轨道发射卫星

摘 要：本文分析了现代航天器发射方式和美国SpaceX公司的一级火箭回收技术存在的弊端，提出了利用轨道替代一级火箭发射火箭的思路，并利用齐奥尔科夫斯基的理想火箭推进公式计算了发射效率。

关键词：航天器；轨道发射；卫星

中图分类号：V412.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0248-01

1 现代航天发射卫星的基本原理

现代航天器发射基本采用三级运载火箭方式，其中一级火箭可以在发射后120至160秒的时间内将二级＼三级火箭以及卫星（以下简称航天组合体）推送出大气层，然后与航天组合体脱离，昂贵的一级火箭坠落大海成为残骸。

2 存在的主要问题

以长征5号运载火箭为例，火箭总重834吨，一级火箭重784吨，占总发射重量的90%以上；而火箭最大任务载荷仅有23吨。由于发射方式的低效，导致发射卫星非常昂贵；低轨道小型卫星的发射费用在2000万美元以上，高轨道大型卫星的发射费用则可达到数亿美元，其中一级火箭可占到总发射费用的80%以上。美国SpaceX公司“猎鹰9号”火箭的制造成本高达6000万美元，燃料成本仅为20万美元。通常太空公司的每一次发射任务，都需要花费数千万美元生产全新火箭。如果能找到一种廉价可靠的发射方式替代目前的三级运载火箭中的第一级，将为人类开辟进入太空的捷径。

3 美国人的解决思路

美国SpaceX公司提出了一级火箭在完成发射任务后通过动态控制成功落回地面的回收技术，希望能达到一级火箭安全回收的目的，然后只需对一级火箭进行翻修，重复灌入燃料，即可执行多次发射任务，从而大大降低火箭的发射成本。但究竟能降低多少成本呢？且不说火箭回收是一件高风险的任务。从理论上讲，“猎鹰9号”在飞行时经历了大幅的温度变化，而且要承受极高的压力和振动等环境中的诸多极端因素的影响。这些因素都会对火箭本身造成磨损，所以，回收之后的火箭或许需要进行维修和更新，才能再次执行发射任务。翻修火箭引擎往往成本高昂。如果翻修时间太长，SpaceX就无法频繁地发射。从以往航天发射案例中也可看到翻修成本是航天飞机成本高昂的主要原因之一。航天飞机使用巨大的一次性燃料箱和两个可以重复使用的火箭助推器完成发射。一旦完成太空任务，航天飞机可以像飞机一样在返回地面。航天飞机的可反复使用设计是为了节约资金，因为除了外部燃料箱外，其他的组件都可以反复使用。“可惜的是，并没有达到预期效果。”美国宇航局委员会成员兼航前天飞机项目主管维恩・海勒（Wayne Hale）表示，“这是一台极其复杂的设备，需要进行大量翻修才能再次升空。”航天飞机的主要引擎经过几次发射之后必须更换。这种飞行器还需要在两次任务之间展开许多检修。另外，在从海洋中回收之后，其火箭助推器也需要不断更新，而且每次都要使用新的外部燃料箱。总体而言，这将把每次发射任务的成本推升到4.5亿至15亿美元之间。

4 利用轨道发射卫星的基本设想

解决卫星发射的最重要的是能否不使用一级火箭，由一种方式将航天组合体加速到一定的高度和速度。

本文认为可以采用现代航母电磁弹射飞机的思路，在长距离轨道上运行装载航天组合体的列车以常规动力先将航天组合体加速到一定的速度和高度，在轨道末端航天组合体的运载火箭点火，与发射轨道脱离，进入太空；运载列车反向刹车，逐步返回发射起点。

具体方式如下：

（1）在一座海拔6000米以上的高山内修建一个长达100km的斜坡隧道，内部铺上轨道，轨道末端敞口于山体反斜面，轨道仰角可达60度，见图1。

（2）航天组合体先由发射列车采用电磁推力或航空发动机以5g到6g均匀加速，在轨道末端，火箭点火脱离轨道进入太空。由于轨道长达100km，发射列车可获得近57秒的运行时间，航天组合体可获得3400m/s的初始速度和6000m左右的初始高度，这样只需两级火箭就可将卫星送入地球轨道。

5 基本理论计算

根据齐奥尔科夫斯基的理想火箭推进公式

V-V0=Vtln（m0/mk）

式中V为火箭在喷射完全部可喷射物质时的瞬间速度，V0为火箭起飞速度，Vt为火箭发动机喷口气体喷射速度，mk为火箭结构质量，m0为火箭结构质量+全部可喷射物质。

现代火箭发射时，由于V0=0，在现代技术条件约束下火箭发动机喷口气体喷射速度Vt可视为常数，因此要想获得更大的飞行速度，只能依靠更大的m0/mk之比。

已知第一宇宙速度为7900m/s，设Vt为3000m/s；当V0=0时，要求ln（m0/mk）>=（7.9/3），火箭才能达到第一宇宙速度。此时不难计算出m0/mk要达到14以上。

如果V0=3400m/s，则ln（m0/mk）>=（（7.9-3.4）/3），此时m0/mk只要达到4.5以上，就可使火箭达到第一宇宙速度。如果换算到发射23吨的卫星，则火箭总重只需达到120吨即可。

6 风险与优点

6.1 风险

6.1.1 l射列车的动力问题

发射列车的推动方式可以选择的方式包括航空发动机推送或电磁弹射为基本方式，现代双发重型战斗机的重量大约是45吨以上，航空发动机可以产生使其达到7～8g加速度的推力，考虑到航天组合体的总重可达120吨以上，载荷可达20吨以上，因此使用4-6个航空发动机作为基本推力是适合的。电磁弹射的优点是不用装载燃油，电能更加便宜且不产生污染，但长距离电磁弹射技术较为复杂，近期难以成熟。

6.1.2 发射列车的运行方式

发射列车的运行方式较为复杂，由于发射列车运行的末期速度高达10马赫，因此如何保证发射列车在轨道上的平稳运行是发射成功的关键。磁悬浮技术可能是解决问题的一个理想方案。

6.1.3 高速运动中的火箭发射技术

由于火箭在隧道内高速奔驰时，最高速度可达10马赫，此时火箭会受到巨大的空气阻力，可以通过密封隧道并抽成近似真空解决此问题；但在火箭从隧道口脱离轨道时，仍然会遇到巨大的空气阻力，如何克服这一阻力是轨道发射卫星必需解决的难题。

6.2 优点与前景

采用轨道助推发射火箭的方式将完全取消一级运载火箭，没有火箭回收和翻新火箭的费用和风险。发射列车在脱离火箭后制动刹车，可在完整安全回收后多次使用，加上推进动力使用电力或燃油动力，因此发射费用低廉。

发射准备工作快，一次发射完毕后，只要检查轨道和发射列车的技术状态正常就可以进行下一次航天发射。相信在克服具体工程难题后，这一发射方式将成为今后卫星发射的主要方式。

如果以轨道发射卫星的方式得以实现，人类将进入大规模开发太空的时代，发射卫星费用将大幅降低，建设新一代空间站甚至太空城都将成为可能；太空旅游也将不再是极少数富豪的专利，普通人花个几十万完成一次太空旅行将成为可能；在太空中组装前往月球、火星探险的庞大飞船也将不再是难事。

参考文献

[1]方群，李国新.航天飞行动力学[J].西北工业大学出版社，2015.

[2]伏欣.超声速、高超声速非线性气动弹性问题研究[J].上海科学技术文献出版社，1982.

[3]何值岱.高等飞行动力学[J].西北工业大学出版社，1990.