K-1航空運載器

降低發(fā)射成本和重復使用，是航天運載器領(lǐng)域追求的目標。目前，除了美國航宇局在研制X－33單級入軌運載器外，數(shù)家私營公司也在研制各類可重復使用的運載器，其中基斯特勒航宇公司研制的K－1運載器，就是近期有希望實現(xiàn)可重復使用的一種航天運載器。

基斯特勒公司成立于1995年，其主要任務(wù)是研制和管理K－1航天運載器。該運載器可將各種衛(wèi)星送上低地球軌道，為用戶提供一種在價格上有競爭力的可靠的發(fā)射能力。

K－1運載器及其飛行軌道

K－1是一種兩級運載器，由第一級或叫發(fā)射助推平臺（LAP）和第二級（包括有效載荷艙）或叫軌道飛行器（OV）組成，它們的直徑分別為6.62米和4.21米。K－1的起飛重量為378噸，第一、二級均可重復使用。第一級是利用為俄羅斯載人登月計劃制造的三臺NK－33液氧／煤油發(fā)動機作動力裝置，其總起飛推力為459噸。在起飛后130秒內(nèi)，第一級將第二級送上大約40公里的高度，并與第二級分離。之后，第一級重新定向，其中心發(fā)動機再次啟動，使第一級在發(fā)射后約12分鐘，借助降落傘和氣囊的作用在原發(fā)射場著陸。第二級采用一臺NK－43發(fā)動機，它是第一級NK－33適用于空間條件下使用的改進型號，推力為118.9噸。在與第一級分離后，NK－43發(fā)動機點火，將第二級送入橢圓軌道。在滑行到遠地點后，采用液氧和酒精作為推進劑的軌道機動系統(tǒng)發(fā)動機點火，使飛行軌道圓化，然后調(diào)整第二級的姿態(tài)，打開有效載整流罩并釋放有效載荷。為防止對有效載荷的干擾，在等待足夠時間后，軌道機動系統(tǒng)發(fā)動機又再次點火，將第二級送入調(diào)整方向的軌道。在經(jīng)過長達24小時的第二個滑行段后，第二級再重新定向，用軌道機動系統(tǒng)發(fā)動機完成脫軌飛行，并靠防熱系統(tǒng)保護再入地球大氣層。第二級也用降落傘和氣囊完成自主精確著陸機動而返回發(fā)射。返回地面的運載器經(jīng)過檢修，再裝上有效載荷，最快可以在9天內(nèi)為下次飛行作好準備。一般情況下，只要進行某些消耗品的補充，如加注推進劑（只需4小時），電池重新充電、安裝新的發(fā)動機啟動器，為一、二級更換降落傘和氣囊等。兩次飛行之間主發(fā)動機只需作有限的清洗。按設(shè)計要求，一臺主發(fā)動機可進行20次點火，但每點火10次后需作一次大檢修。K－1的有效載荷能力見下圖，如可將3000公斤的有效載荷送入高800公里、傾角37度的低地球軌道。

為了發(fā)射不同尺寸和外形的有效載荷，K－1將提供標準型和加長型兩種有效載荷艙?；固乩展疽堰x定了澳大利亞的伍梅拉發(fā)射場和美國的內(nèi)華達發(fā)射場進行K－1的發(fā)射和著陸。這兩個發(fā)射場已分別于1998年和1999年破土動工。

K－1的設(shè)計準則

1本過驗證的技術(shù)組合K－1的設(shè)計主要選用了其它成功的航宇計劃和應(yīng)用中的現(xiàn)成技術(shù)。如NK－33和NK－43發(fā)動機在前蘇聯(lián)進行了廣泛的研制性試驗，點火試驗達50多小時，超過了美國載人航天計劃中所用過的大部分發(fā)動機記錄；液氧貯箱利用了X－33和航天飛機外掛貯箱的設(shè)計和制造技術(shù)，制導、導航和控制使用了航天飛機和國防部計劃的計算機軟件和硬件。

2．廣泛采用模擬在K－1的設(shè)計和研制中采用了有效的模擬和計算。研制K－1的制導和控制軟件時，采用了“6自由度模擬”，它直接有助于結(jié)構(gòu)設(shè)計的最佳化以及飛行控制軟件的開發(fā)。還對K－1飛行器環(huán)路中的硬件進行模擬，使實際的K－1電子部件和子系統(tǒng)在模擬的任務(wù)條件下（包括出現(xiàn)故障和失靈）運行。用了這些模擬技術(shù)還可確定和分析性能風險，并檢驗初始飛行的軟件和硬件。

3奔虻ァ安全和可維護性K－1運載器的簡單和安全特性可從以下幾方面看出。NK－33和NK－43發(fā)動機的推力都很大，且都采用煤油作燃料。與液氫相比，用煤油作燃料具有許多優(yōu)點。煤油可裝在非低溫貯箱內(nèi)，無需特殊的隔熱措施，這樣煤油貯箱可以做得比較小，從而使K－1的結(jié)構(gòu)更加緊湊。而且，用煤油作燃料，地面設(shè)施和地面處理程序就簡單得多，潛在危險性也比液氫小得多。

操作和設(shè)計中簡單化的目的是為了高可靠性和降低維護成本。K－1的總體布局包括其內(nèi)部系統(tǒng)和部件的配置，都是為了便于地面檢修而實現(xiàn)最佳化。許多關(guān)鍵系統(tǒng)可以通過運載器的兩端進去，維護人員容易進入分系統(tǒng)，這就節(jié)省了維護時間，并最終減少了維護費用。K－1的設(shè)計還使有效載荷與運載器之間、運載器的分系統(tǒng)之間的接口最少。由于減少了每個在線可更換單元（LRU）之間的實際接頭數(shù)量，K－1的設(shè)計可減少裝配和試驗每種分系統(tǒng)所需的時間。K－1是水平裝配的，其有效載荷同樣以水平狀態(tài)裝配，這樣可減少地面和發(fā)射輔助設(shè)施。

4鋇繾由璞傅淖災(zāi)饜院捅阜蕕撓τ肒－1設(shè)計的另一關(guān)鍵要素是從發(fā)射前一直到著陸，運載器完全由箭上計算機控制，包括三重備用箭上計算機。它們是在現(xiàn)有商用硬件的基礎(chǔ)上研制的。這些計算機從慣性導航系統(tǒng)（也是三重備用）接收空間的方位信息，并接收來自全球定位系統(tǒng)接收機的數(shù)據(jù)進行修正。在再入前，軌道飛行器用星跟蹤器（雙重備用）重新確定其在軌姿態(tài)。用跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的收發(fā)機來提供有效載荷下行線的狀況，并接收著陸區(qū)上行線風的情況。慣性導航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)接收機、星跟蹤器和跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)收發(fā)機都是經(jīng)過驗證的成熟技術(shù)。

5．可靠性對K－1正常狀態(tài)的監(jiān)視與一般運載火箭有些差別。裝在第一、第二級內(nèi)的正常狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)（VHMS），在每次飛行后，用它來報告飛行及其各系統(tǒng)的狀態(tài)。類似于正常狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的概念也用于下一代商用飛機上，如波音777。在每一級著陸后，將正常狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)插入地面計算機，然后，該系統(tǒng)便向地面計算機報告運載器上各系統(tǒng)的情況，并確定需要作怎樣的檢修。由于該運載器是采用在線可更換單元的概念制造的，所以，各硬件單元都可以在發(fā)射場進行更換。同樣的正常狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)也用于飛行前的檢測。K－1的可靠性準則遵循這樣一個前提：如果某個硬件在飛行中工作正常，運載器上的自動化系統(tǒng)在著陸時也報告情況正常，則該硬件在下次飛行時仍能工作。寫文：綺云■