巧用旋翼返回地球

2000-06-07蔡汝鸿

航空知识 2000年3期

蔡汝鸿

从人类进入太空的最初尝试到宇宙飞船的出现，不管是载人发射还是不载人发射，在发射后都必须废弃运载器。现在的宇宙飞船不能重复使用，而且返回地球时落点散布很大，航天员承受的过载也很大，所以它不经济、不实用，也不甚安全。于是，美国从1972年起开始研制可部分重复使用、水平着陆的载人航天运载器——航天飞机。但它也只能部分重复使用，而不能全部重复使用。美国一些公司正在研制可全部重复使用的运载器，例如，美国旋转火箭公司的“旋子”运载器和洛克希德·马丁公司的X－33“冒险星”运载器等。这些运载器方案包括垂直发射、水平起飞、单级或双级入轨等内容。

一些勇于探索的工程师发现，航天运载器再入大气层和返回地面，能够应用直升机利用旋翼自转着陆的原理。运载器利用直升机旋翼返回地球，要比使用降落伞安全得多，而且落点也准确。与航天飞机以固定翼飞机水平滑跑着陆方式相比，它不需要很长的滑行跑道，也经济实用。美国的旋转火箭公司根据这种想法，推出了“旋子”运载器方案。该运载器有人驾驶，垂直发射，单级入轨，用于运载卫星进入近地球轨道、中地球轨道或地球同步轨道。

美国航空航天局在探讨“阿波罗”登月计划时，就曾产生过把旋翼自转的概念用于运载器着陆的想法。在五六十年代，该航空航天局与卡曼直升机公司合作，完成了速度高达3马赫数的风洞试验。其试验得到的数据至今仍被作为进一步研究的基准。

“旋子”结构布局

从外形上看，“旋子”运载器象一座锥形高塔，它被直立地支撑在4个起落架上，由旋翼系统、液氧箱、商载舱、乘员舱、煤油箱、驱动装置、底盘等部分组成。

旋翼系统取自西科斯基公司S－58直升机，但作了修改，它位于运载器的顶端。在旋翼桨叶桨尖处，装有以过氧化氢为燃料的推力器，这些推力器在运载器返回地球的着陆阶段工作，产生使旋翼旋转的推力。在“旋子”运载器返回地球着陆过程中，旋翼起方向操纵及减速作用。

在“旋子”运载器发射升空和飞行时，旋翼的4片桨叶沿运载器壳体朝下折叠。在运载器以底朝下快要进入大气层之前，折叠的桨叶才展开。在进入大气层后的下降过程中，从旋翼下方来的气流会驱动旋翼桨叶转动，从而产生升力，它可抵消掉运载器的部分重力，明显减小运载器的下降速度。在下降到8530米高度时，下降速度将足够低，能够满足继续下降和最终着陆的要求。该运载器的旋翼由常规总距和周期变距操纵杆控制，偏航则由3个偏航推力器来控制。在运载器快要接地之前，航天员启动桨尖推力器来驱动旋翼旋转，以使运载器在较大的升力作用下平稳着陆。这样，也可减轻起落架所承受的重量，从而减轻其结构重量。

在运载器进入大气层后，桨叶将在摄氏1370度的高温环境下工作，所以必须在其表面涂上耐热涂层，而且这种涂层应能承受住桨叶弯曲运动引起的变形。

液氧箱位于运载器的上部三分之一处，由碳纤维复合材料制成。至今尚无其它运载器使用这种材料来制造液氧箱，因为这里有一个难题，即该材料的可燃性石墨环氧树脂与液氧接触会燃烧或爆炸。旋转火箭公司宣称，它已经研究出一种保护层，可以避免燃烧和爆炸。

煤油箱位于运载器的下部，驱动装置的正上方。

底盘由碳纤维环氧树脂复合材料制成，其上有装96个推进燃烧室的新型旋转驱动装置。旋转驱动装置转速为720转/分，其推进燃烧室已完成了首次短时间试验运行。

“旋子”运载器的Jet－A煤油喷气发动机，可产生2224千牛推力，推重比为83∶1。它与液氢燃料发动机不同，能供100次飞行使用。运载器利用一种廉价的旋转驱动装置，代替了一般运载器动力装置中那种昂贵的高压涡轮燃料泵。此装置仅仅靠离心力，就可以产生把燃料供给燃烧室所需的力。由碳纤维复合材料制成的转盘圆周上，总共布置有96个推进燃烧室。每个燃烧室约与垂线成1.5度角安装，因此当旋转驱动装置运转时，推进喷嘴也产生侧向力，并驱动底盘在两个支撑轴承上转动。旋转产生的离心力，通过特氟隆制的环形密封件，即可把燃料及氧化剂引向燃烧室。

乘员舱是埋入式的，可乘坐两人。由于乘员舱是在“旋子”运载器的重心下面，航天员在操纵运载器时，存在一个相反运动感觉的问题。例如，运载向左横滚，有乘员舱向右移动的错觉，此时如果航天员用左周期变距来补偿，这就会加剧运载器的横滚，所以航天员必须注意扭转这种错觉并集中精力关注运载器的姿态。

“旋子”运载器没有增稳设备，在启用旋翼飞行时，运载器独特的构型又存在难以控制飞行的弊病。其旋翼仍采用常规直升机那种周期变距和总距变距杆来操纵，由脚蹬控制枢轴安装的一组过氧化氢推力器来进行偏航操纵。具有细长结构的运载器主体，其偏航惯性较小，也易于转动。

“旋子”运载器的俯仰与横滚惯性较高。悬挂在旋翼下方的19.2米高的主体，就象钟摆一样容易摆动。不过，一旦出现这种摆动，它会引起航天员的注意。而且，摆动周期也较长，约10秒钟，航天员是容易控制的。

大气层试验飞行器

旋转火箭公司为了验证“旋子”运载器方案的可行性，于1999年3月2日在莫哈维制造了“大气层试验飞行器”。它又是“旋子”运载器的全尺寸原型机，将用于进行自转再入大气层、下降和带动力着陆试验。

该飞行器空重4445公斤，19.2米高的主体采用锥形石墨复合材料壳体，壳体顶上装西科斯基公司S－58直升机的旋翼系统及其传动装置，旋翼直径17.1米。整个飞行器由4个起落架支撑直立。机组人员2名，飞行中，他们可通过靠近底部的圆形窗对外界观察。

“大气层试验飞行器”旋翼系统，采用4台159公斤推力的过氧化氢桨尖推力器来驱动旋翼旋转。飞行器可带足够的燃料供在全油门状态下飞行5分钟。但该飞行器没有装用于垂直发射的喷气发动机。

最初的飞行试验，将由桨尖推力器驱动旋翼使飞行器从莫哈维起飞，在爬升到2438米高度后，关闭桨尖推力器并进入自转下降；在着陆之前，再次启动桨尖推力器，以模拟飞行器从轨道再入大气层最后阶段的飞行。直径17.1米的旋翼可使该飞行器下降速度降低到12米/秒，最大下滑速度为75公里/小时。

在实施飞行器试验之前，将首先进行地面开车试验，然后作系留试验，最后再作飞行试验。

1999年5月，该飞行器进行了第一次地面试验，试验中出现了转速传感器故障；6月23日进行了第二次地面试验，历时7分钟，一切顺利；此后，在进行了离地几米高度的系留悬停试验以后，于同年7月28日进行了首次试飞。当日，一共进行了3次短暂的悬停飞行，总飞行时间为4分40秒，离地高度2.4米。由于桨尖推力器的推力不足，这次并未进行连续悬停飞行。这次试验是由“旋子”运载器的主管工程师马尔特·萨勒居尔克利、飞行试验主任布里安·比尼驾驶进行的。这两人都是美国海军前直升机试飞员。试验证明：乘员舱的高度表能有效、正确指示飞行器的下降高度，这样航天员的注意力便可集中在对外观察上；起落架在单点接地时也完全能承受撞击载荷。

正驾驶员负责操纵旋翼周期变距、总距杆和脚蹬。由于没有旋翼转速调节器，副驾驶员则负责控制旋翼转速。因为旋翼工作存在转速不稳定的问题，例如旋翼转速越大，向桨尖推力器输送过氧化氢的离心力就越大，这就会增加推力器推力，从而加速旋翼旋转。因此，副驾驶员应控制其转速，使其保持在200转/分至260转/分范围内。这也是该飞行器采用两人制机组的原因之一。

1999年9月16日，换装了更大功率桨尖推力器的“大气层试验飞行器”进行了第二次试飞，历时2.5分钟，高度6.1米。10月12日，进行了第三次试飞，这也是该飞行器的首次水平飞行试验。飞行速度达到了85公里/小时，飞行距离1310米，历时3分47秒，前飞时间1分50秒，悬停时间1分57秒。试飞是在莫哈维机场沿30号跑道进行的，飞行高度23米，当时机场无风。这次飞行试飞员也是萨勒居尔克利和比尼。他们说，驾驶“大气层试验飞行器”与驾驶直升机或固定翼飞机很不相同，但通过综合驾驶舱模拟器进行训练后即能平稳驾驶。