“胎死腹中”的MG-19核動力空天飛機(jī)

文/王凱欣

空天飛機(jī)是航空技術(shù)與航天技術(shù)高度結(jié)合的飛行器，它的誕生把宇宙空間開發(fā)推向了一個(gè)新的階段。在空天飛行器的研究上，20世紀(jì)的蘇聯(lián)可以說是位于領(lǐng)先地位，其提出的“螺旋計(jì)劃”也是人類最早的“空天飛機(jī)”計(jì)劃之一。

大膽的設(shè)計(jì)方案

1976年2月17日，蘇共中央委員會及蘇聯(lián)部長會議通過了第132-51號決議，決定建立多次使用航天系統(tǒng)，這也是蘇聯(lián)航天飛機(jī)項(xiàng)目以文件形式確定下來的最早的源頭。決議中批準(zhǔn)了暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)和黎明號運(yùn)載火箭（后來改稱能源號運(yùn)載火箭）的設(shè)計(jì)工作，蘇聯(lián)人希望用這種既能航空也能航天的飛機(jī)，對外太空的敵方衛(wèi)星進(jìn)行打擊，以此來終結(jié)美蘇之間的太空競賽。

基于特定的時(shí)代背景，蘇聯(lián)研究人員在空天飛機(jī)的構(gòu)想上做了很多種方案，如米高揚(yáng)設(shè)計(jì)局提出的米格-105空天飛機(jī)、圖波列夫設(shè)計(jì)局提出的OOS空天飛機(jī)以及安東諾夫設(shè)計(jì)局提出的MAKS空天飛機(jī)等等，這其中還存在著更為大膽、也更具科幻性的設(shè)計(jì)方案，就是由米亞西舍夫提出的MG-19核動力空天飛機(jī)方案。

1974年，米亞西舍夫開展了采用液氫作為燃料的空天飛機(jī)的方案研究，方案代號19，為了解決當(dāng)時(shí)空天飛機(jī)運(yùn)載效率低的問題，需要在動力系統(tǒng)的研制上形成一個(gè)全新的、顛覆性的方案，而他所想到的，就是使用核反應(yīng)堆發(fā)動機(jī)作為空天飛機(jī)的推進(jìn)裝置，空天飛機(jī)也因此被命名為MG-19，M代表米亞西舍夫，G則代表了當(dāng)時(shí)在第50中央科學(xué)研究所領(lǐng)導(dǎo)這方面工作的古爾科。

按照米亞西舍夫的設(shè)計(jì)，MG-19空天飛機(jī)長69米、翼展50米、高15.2米，貨艙容積320立方米，最大載荷40噸、飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量125噸、液氫燃料重220噸，起飛質(zhì)量500噸，可搭乘3～7名航天員。

MG-19空天飛機(jī)在動力方面采用了10臺吸氣式組合動力發(fā)動機(jī)（渦噴發(fā)動機(jī)+超燃沖壓發(fā)動機(jī)），外加1臺液體核動力火箭發(fā)動機(jī)。單臺吸氣式組合動力發(fā)動機(jī)的推力約250千牛，而液體核火箭發(fā)動機(jī)的推力可高達(dá)3200千牛。

米格-105空天飛機(jī)

外形酷似航天飛機(jī)的MAKS空天飛機(jī)

復(fù)雜的飛行模式

MG-19空天飛機(jī)需要從長度不小于4千米的跑道起飛，首先由吸氣式組合動力發(fā)動機(jī)產(chǎn)生推力，同時(shí)，以液氫作為反應(yīng)堆的載熱劑，將熱量導(dǎo)向10臺渦噴發(fā)動機(jī)。隨著空天飛機(jī)的飛行速度和高度的進(jìn)一步提高，液氫通過管路輸送至渦噴發(fā)動機(jī)的加力燃燒室參與燃燒，再被輸送至沖壓發(fā)動機(jī)。最后，空天飛機(jī)達(dá)到50千米高度及16馬赫以上的飛行速度時(shí)，啟動核火箭發(fā)動機(jī)，攜帶著40噸的有效載荷，前往高度185千米的基準(zhǔn)空間軌道。

MG-19空天飛機(jī)執(zhí)行完任務(wù)后，可通過核火箭發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)有動力返回，且最大橫向機(jī)動范圍可達(dá)4500千米，這樣可以更為靈活地規(guī)劃行動方案，甚至可以在大氣層內(nèi)進(jìn)行機(jī)動后再度借助核動力發(fā)動機(jī)返回空間軌道。根據(jù)載荷設(shè)計(jì)方案，MG-19甚至有抵達(dá)月球軌道的可能。

從總體方案可以看出，MG-19核動力空天飛機(jī)是一種采用組合動力的單級入軌飛行器。

豐富的技術(shù)積累

蘇聯(lián)的沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展在當(dāng)時(shí)處于絕對領(lǐng)先地位。其國內(nèi)有大量的科研院所長期開展高超聲速技術(shù)基礎(chǔ)理論、超燃沖壓發(fā)動機(jī)、超燃沖壓發(fā)動機(jī)用燃料、耐高溫材料、數(shù)值模擬技術(shù)等多維度的關(guān)鍵技術(shù)，并從中安排了4項(xiàng)飛行試驗(yàn)，以對其技術(shù)發(fā)展進(jìn)行驗(yàn)證：

米亞西舍夫與MG-19核動力空天飛機(jī)模型

10臺吸氣式組合動力發(fā)動機(jī)與液體核動力火箭發(fā)動機(jī)布局示意圖

液體核動力火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

“冷”計(jì)劃

“冷”計(jì)劃是蘇聯(lián)啟動最早的高超聲速飛行試驗(yàn)。該計(jì)劃由巴拉諾夫中央航空發(fā)動機(jī)研究院與茹科夫斯基中央空氣流體動力研究院等多家單位聯(lián)合進(jìn)行研究，該項(xiàng)目主要對軸對稱型超燃沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)行研究，燃料采用液氫。經(jīng)過了長時(shí)間的研究論證，“冷”計(jì)劃在1991年至1998年共開展了5次飛行試驗(yàn)，取得了最大飛行速度6.5馬赫、最長工作時(shí)間77秒的成果。

“鷹”計(jì)劃

“鷹”計(jì)劃同樣由巴拉諾夫中央航空發(fā)動機(jī)研究院與茹科夫斯基中央空氣流體動力研究院牽頭開展研究。該計(jì)劃主要研究的是升力體構(gòu)型的高超聲速飛行器，其超燃沖壓發(fā)動機(jī)依然采用液氫為燃料，并結(jié)合液氫的再生冷卻以期實(shí)現(xiàn)長時(shí)間飛行?！苞棥庇?jì)劃在前期開展了大量的地面試驗(yàn)和風(fēng)洞吹風(fēng)試驗(yàn)，取得了大量的研究成果，但由于資金問題并未開展飛行試驗(yàn)就宣布了計(jì)劃的終止。

“彩虹-D2”計(jì)劃

“彩虹-D2”計(jì)劃由蘇聯(lián)中央空氣流體動力研究院與彩虹設(shè)計(jì)局聯(lián)合開展，具體分工為由蘇聯(lián)中央空氣流體動力研究院負(fù)責(zé)超燃沖壓發(fā)動機(jī)的研制，彩虹設(shè)計(jì)局負(fù)責(zé)飛行器的研制。該計(jì)劃超燃沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道采用三級斜面設(shè)計(jì)，試飛器設(shè)計(jì)由機(jī)載平臺發(fā)射，與“鷹”計(jì)劃的結(jié)果相似，在開展了大量的地面試驗(yàn)后并未最終開展飛行試驗(yàn)。

“鷹-31”計(jì)劃

“鷹-31”計(jì)劃由圖拉耶夫聯(lián)盟設(shè)計(jì)局、火炬設(shè)計(jì)局、米格和莫斯科飛機(jī)生產(chǎn)聯(lián)合企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行，由聯(lián)盟設(shè)計(jì)局研制發(fā)動機(jī)，火炬設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)飛行器，并最終在米格-31戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)。其超燃沖壓發(fā)動機(jī)為二維雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)，燃料采用氫與煤油，設(shè)計(jì)飛行速度5～6馬赫，由于采用了大量的成熟設(shè)備，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小，成本較低，因此得到了較好的發(fā)展。

通過多個(gè)渠道開展超燃沖壓發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)的研究，蘇聯(lián)在超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)方面取得了大量的技術(shù)積累，這些技術(shù)都可以支撐MG-19核動力空天飛機(jī)的研制。

核動力火箭發(fā)動機(jī)方面，蘇聯(lián)于1950年就開始研發(fā)核熱火箭推進(jìn)技術(shù)，從1970年到1988年，蘇聯(lián)共進(jìn)行過30次核熱火箭發(fā)動機(jī)的模擬試驗(yàn)，均取得了成功，研制了推力3.5噸的RD-0410和70噸的RD-0411兩種核發(fā)動機(jī)。

核火箭發(fā)動機(jī)是1965年至1980年代開發(fā)的使用液氫推進(jìn)劑的核熱火箭發(fā)動機(jī)。采用開式膨脹循環(huán)，發(fā)動機(jī)高3.5米、直徑1.6米，重2噸，推力3.5噸，真空比沖達(dá)到910秒。

從性能上看，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)的核火箭發(fā)動機(jī)也具備了一定的成熟度，足以支撐核動力空天飛機(jī)的發(fā)展。為了避免空天飛機(jī)意外墜落而造成核污染，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，核反應(yīng)堆殼體能夠承受住以每秒300米的速度與地面撞擊，且不發(fā)生核泄漏。米亞西舍夫又選擇了不會被“傳染”放射性的液氫作為反應(yīng)堆載熱劑和核火箭發(fā)動機(jī)工質(zhì)，進(jìn)一步降低了核事故隱患。

RD-0410核火箭發(fā)動機(jī)

暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)

蘇聯(lián)時(shí)期的“冷”計(jì)劃項(xiàng)目

無奈的最終結(jié)局

在設(shè)計(jì)策劃上，MG-19核動力空天飛機(jī)計(jì)劃于1980年制造出技術(shù)模型，1982年制訂各類技術(shù)要求，1981-1988年進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，從1986年起陸續(xù)制造3架樣機(jī)，并于1982-1986年開展相應(yīng)的地面試驗(yàn)，于1986年起陸續(xù)進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

按照這樣的計(jì)劃，批量生產(chǎn)出的MG-19空天飛機(jī)就已經(jīng)能夠滿足蘇聯(lián)數(shù)十年的空間站貨物運(yùn)輸需要，直至21世紀(jì)中期為止。

盡管米亞西舍夫提出了可行的設(shè)計(jì)方案與策劃，但由于核動力空天飛機(jī)需要攻克的技術(shù)難關(guān)太多，包括小型核動力火箭發(fā)動機(jī)、應(yīng)用低溫推進(jìn)劑的吸氣式發(fā)動機(jī)以及與之匹配的飛行器和結(jié)構(gòu)熱防護(hù)材料等，預(yù)計(jì)耗費(fèi)的資金和時(shí)間都非?？捎^，而蘇聯(lián)同期研發(fā)的暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)只需克服較少的技術(shù)難題，就能達(dá)到近似的效果，這也注定了MG-19核動力空天飛機(jī)無奈的結(jié)局……