人在太空:冯.布劳恩的运输火箭之梦

联合帝国 2015-04-21 14:10:30
人在太空:冯.布劳恩的运输火箭之梦

请勿转载



火箭专家沃纳.冯.布劳恩(Wernher von Braun)在20世纪50年代的航天科普活动中曾提出过一系列特征明显、极具代表性的航天器设计方案。本文中将剖析其中的一个项目:向地球轨道运送人员与货物的三级运输火箭。



运输火箭经历过三种主要形式。最初是1948年,冯.布劳恩与其他在回形针行动(Operation Paperclip)中被美军网罗并安置于新墨西哥沙漠基地中的德国专家共同设计的,它相对粗短。1952年,作为冯.布劳恩火星项目中的一部分,它被刊登在了一本德国航天刊物上,并于次年编成一本小册子在美国发行,此火箭的第一级呈鼓形,直径20米,高29米,装有宽大的稳定翼,干重700吨,加注推进剂后总质量4800吨。

因此其第一级的重量超出阿波罗登月任务中土星5火箭第一级两倍(作为人类至今发射过的最大最重的运载火箭,三级构型的土星5质量大约3000吨,其中第一级加注推进剂后总质量2290吨)。如果加上第二级和第三级,则运输火箭的起飞总质量将高达6400吨,其中推进剂占到5583吨。

因为自己的方案重量太大,所以在推进剂的选择上,冯.布劳恩比较保守,运输火箭准备采用肼燃料,氧化剂将使用硝酸。之所以没有采用更有力及更有效的低温推进剂(诸如液氢与液氧),主要是由于当时对肼燃料和硝酸的了解更多一些,也方便处理,比如,在室温下不会汽化与散逸。相比之下,1967年首飞的土星5火箭则在三级中完全使用液氧作为氧化剂,并在第二级和第三级上采用了液氢作为燃料。

火箭第二级从其底部算起只有14米高,装置于第一级上方。在直径9.8米的第二级上面则安装有第三级,外形为一锥体,突出了1948年运输火箭方案底大头小的特征。第二级干重只有70吨,加注推进剂后,总质量700吨,它也是此火箭三级构形中唯一没有大型控制面或稳定翼的一级。

有翼的第三级,在设计上用于到达轨道并返回地球,从头到尾长15米,翼间距52米。冯.布劳恩将其方案比作一枚“粗短炮弹。”他将内部空间划分为两个主要部分:一个6.5米长的后隔段包括推进剂、火箭发动机以及阀门和泵;另一个是8.5米长,7.5米宽的前隔段,用于人员乘坐和货物运输。

在与完成任务的第二级于64千米高度分离后,第三级质量为78.5吨。一旦到达远地点(其椭圆轨道的最高点),第三级将启动其火箭发动机,进行一次17秒的“适应性机动”以提升近地点(其位于地球大气层上方的轨道低点)。经过适应性机动,火箭第三级质量将减至66.6吨,然后它会进入距地球1730千米高的近圆轨道,运行周期为每两小时绕地球一圈。

在释放25吨货物后,第三级将会转向,整个发动机指向其运动方向。一旦完成这一步骤,火箭将燃烧5.2吨推进剂,以进行一个14.8秒的在轨返回机动,重量进一步下降至27吨,其中有5吨是返回地球的非特定货物。在再入地球大气层后,火箭第三级以滑翔方式飞行,并于时速105千米下依靠三点式起落架在发射场附近的一处混凝土跑道上着陆。



1951年10月于纽约市海登天文馆举行的空间旅行研讨会上,冯.布劳恩的运输火箭方案引起了《科利尔》杂志(Collier)编辑们的注意,接下来,在他们1952年3月22日发行的杂志上,包括有一个名为“不久人们将征服太空”的专题,用28张彩页概述了海登天文馆研讨会上的内容。其中,占9页的冯.布劳恩火箭方案侧重于在航天方面对民众进行科普并激发他们的热情;此外,冯.布劳恩的轮状空间站方案、太空医疗与空间法律问题也有专门章节论述。

“不久人们将征服太空”一文大受欢迎,以至其内容被增加到147页后,编成了一本名为《跨越空间疆界》的书,于1952年底发行。其中对冯.布劳恩运输火箭方案的详细解读占了全书内容的三分之一以上。





值得注意的是,冯.布劳恩在“不久人们将征服太空”和《跨越空间疆界》中描述的运输火箭与他在海登天文馆研讨会火星项目里提到的并不相同。与冯.布劳恩密切合作的艺术家罗尔夫.克莱普(Rolf Klep)和切斯利.博尼斯泰尔(Chesley Bonestell)则在绘制的艺术概念图中改变了1948年运输火箭方案的粗短外形,使其变成了更优美的尖锥体,在他们的画作中,涂作银色的这种运输火箭正飞行于热带岛屿或海岸发射场的上空。1952年的设计也被模型制造师和模型历史学家阿伦.B.尤里(Allen B. Ury)制成了模型。

为了打动那些不具备专业知识的美国民众,冯.布劳恩在新的运输火箭描述中摒弃了公制,这也是在材料中使用度量单位时的常见做法。

1952年运输火箭方案将会环游地球轨道并最终回到一座庞大装配大楼中。这种火箭的三级叠置在一起(没有推进剂),安放于一个矩形移动发射平台上,平台中间有一个直径70英尺的大洞。这个平台下面有四条平行轨道,一直通到发射场,移动过去后,便会在那里加注推进剂。

第一级带翼锥体高120英尺,基座宽65英尺,不带推进剂质量770吨。第二级高68英尺,基座部分直径44英尺,空重77吨,要在装配大楼内用起重机吊到第一级上方安装。位于火箭第二级上方的是第三级,其翼展156英尺,基座部分宽19英尺,从头至尾长77英尺,空重78.5吨。

为了避免被发射事故波及,装配大楼被建在距运输火箭发射场几英里以外的地方。总之,1952年型运输火箭全高265英尺,将会装在移动发射平台上沿四条轨道运至发射场,它比1948年型运输火箭高了75英尺(相当于一栋24层的大楼)。抵达发射场后,工作人员将把移动平台上的洞对准下方的隧道排气口,这个排气口用于将运输火箭第一级发动机启动后燃烧的火焰导到远离火箭更安全的地方。接下来便是加注肼燃料和硝酸氧化剂组成的推进剂,第一级将加注5250吨,第二级770吨,第三级90吨,每一级的氧化剂箱都位于燃料箱的上方。

现代不少运载火箭都选择安装几部大型发动机,而非由众多小型发动机来提供推力。可当时冯.布劳恩却为其运输火箭第一级选择了51台发动机,第二级34台,第三级5台,他这样做的目的主要是想让运输火箭三级采用同一种发动机类型,从而通过批量生产来节约成本。

在每一级推进剂箱与火箭发动机之间都布置有环形过氧化氢箱,过氧化氢将被催化剂分解,以产生高温蒸气,蒸气驱动涡轮泵,然后涡轮泵会以惊人速率向火箭发动机输送推进剂。

冯.布劳恩指出第一级的51部发动机可以产生近2800万磅的推力,仅用84秒便可用尽第一级中的5250吨推进剂,即速率大约为61吨/秒。火箭第二级发动机总推力1750吨,可以6.1吨/秒的速率在124秒内耗尽其推进剂。

首先,火箭第一级将缓慢爬升,而到它关机时,被安全带固定在保护加速椅上的六名航天员将承受等同于近9倍地球引力的加速度。火箭第二级达到最大加速度时,航天员们则会承受近8倍于地球引力的加速度。依靠自动驾驶仪的制导,运输火箭向东北飞去,沿着预定飞行方向,在5256英里/小时的速度下,其第一级将在距发射场31.1英里处关机,此时高度为24.9英里,现在,运输火箭的上升角已从90度转为20.5度,然后一级分离,为第二级点火做好准备。第一级关机后,航天员们会感觉片刻失重,接着第二级发动机将启动,顷刻间,在火焰中,上方是锥形护盾的第一级分离出来,而第二级将迅速承载着第三级飞远。

在分离之后,第一级会立即从其底座部署一套217英尺宽的钢网“环形带状降落伞”。在部署高度,所受空气阻力最小,该级在惯性下将继续上滑,一直到40英里高度,然后掉头朝着大海下落,锥形防爆护盾将帮助其应对在再入过程中遭遇的气动加热。它的下降速度将达到150英尺/秒,直到距水面150英尺的高度,此时,小型固体推进剂发动机将点火燃烧2秒,以放缓第一级的下落,使之坠入距发射场189英里的大海中。

一艘在预定位置准备回收火箭第一级的大型回收船,将迅速抵达落海点,冯.布劳恩将之设想为一种专用的“远洋船坞”,通过在甲板箱中注满海水,它会下沉一定深度,然后将干船坞移到正随海浪颠簸的火箭一级下方,通过从甲板箱抽出海水,从而把火箭一级移出大海。回收船接下来会沿一条航线驶往发射场附近的一处专用港口,在那里,将对火箭一级进行检查、翻新和再利用。冯.布劳恩指出,这座港口也将为向发射场运输数千吨推进剂的那些运输舰提供服务。



1952年型运输火箭的第二级将于39.8英里的高度关机,在航向上距发射场332英里,此时速度为14364英里/小时。在与第三级分离时,其上升角会进一步减至2.5度。在第三级发动机启动,带着顶部护盾的第二级分离出来后,它将部署一套直径75英尺的环形钢网降落伞。第二级通过启动固体推进剂制动发动机,将会滑向距发射场906英里的大海(此时距运输火箭发射升空8分钟)。一艘专用回收船会接近落入海中的第二级,然后将之打捞出来,运往发射场附近的港口。

带翼的第三级实际上构成了冯.布劳恩的有人驾驶轨道飞船,它将启动5台发动机,在自动驾驶仪控制下飞行84秒,由此将消耗该级91.3吨推进剂中的65吨,航天员将承受两倍于地球引力的加速度。经过以18468英里/小时的速度动力飞行后,在距发射场705英里处,第三级关闭发动机,此时高度为63.3英里。

依靠动量,第三级将向着1075英里的运行高度飞去,虽然已经关机,但它上面那5台发动机的使命并未结束。随着高度的爬升,第三级速度会减慢,此外,其环绕地球的轨道是一个近地点只有63.3英里的椭圆。

为了圆化其轨道并恢复速度,在第三级到达远地点时,自动驾驶仪将再度启动发动机工作15.4秒,这将消耗上面26.3吨推进剂中的12.1吨,之后,它便会进入一条1075千米高的圆形轨道,载着36吨货物以15840英里/小时的速度环绕地球运行。

冯.布劳恩设想组织一批运输火箭,在1075英里高的近极地轨道上组装一个250英尺的轮状空间站,他认为花费40亿美元可以令火箭舰队和空间站在1963年投入使用,并估算,要发射和装配所有必要的空间站组件可能需要12枚运输火箭。在空间站完工后,将会成为运输火箭舰队在太空中的唯一目标,然而火箭永远不会完全接触空间站。在冯.布劳恩的计划中,航天员操纵的第三级将与空间站保持一个安全距离,以确保火箭发动机的启动不会对其造成损害。在对接点,空间站上驶出的加压运输器将负责火箭第三级与空间站间人员和货物的运输。

结束轨道任务后,运输火箭第三级将转回箭上自动驾驶仪控制,利用动量轮把飞行方向转往后方,接着,5台发动机启动14.8秒(此机动时火箭非常接近于经过发射场上方),需耗费5.7吨推进剂,以轻推第三级进入一条近地点为49.7英里的椭圆轨道。



第三级要耗时51分钟,以18500英里/小时的速度滑向距离着陆场半个世界的近地点,也就是说速度快到足以再次爬升到1075英里高的远地点,为了避免出现这种情况,第三级会利用其翼面在进入大气层时进行控制,它将以13650英里的速度滑翔下降,气动加热会令其表面温度达到华氏1350度,从而泛出樱桃红色。为了处理热量方面的挑战,冯.布劳恩提出在壳体与乘员舱外壁间循环使用冷却剂,冷却剂也将流经航天员座舱罩的玻璃窗口间。

在14.9英里高度,第三级的速度将减至音速(740英里/小时)。不久后,29.7吨的滑翔器将伸出其起落架,以65英里/小时的速度在距发射场几英里的一条混凝土跑道上着陆。

“不久人们将征服太空”是两年中《科利尔》杂志刊登的由8部分组成的太空系列文章里的第一篇。1955年3月9日,在《科利尔》杂志这一系列文章结束后,沃尔特.迪斯尼工作室播出了与冯.布劳恩及其同事威利.雷(Willy Ley)和恩斯特·施图林格(Ernst Stuhlinger)合作的教育片《人在太空》,这部电影中包含有人火箭进入地球轨道的动画。



为了保证其相对有限的任务目标,冯.布劳恩的1955年迪斯尼运输火箭方案比起他之前的设计要更小一些,其桶形第三级只装有一部火箭发动机,且与三角翼的航天员运输滑翔器不同,滑翔器没有明显的货舱段,但它有一套用于太空行走的气闸以及准备进行天文与地球观测实验的窗式仪器,它们将为发展空间站的伸缩式地球监视相机和大型空间望远镜铺平道路。

在地球大气层再入方面,1955年迪斯尼运输火箭方案中抛弃了用完的第三级,只在滑翔器的尾部装了一台发动机。根据影片中的信息,我们无从判断运输火箭各部分的回收情况。随着现实航天技术的发展,冯.布劳恩的宏伟蓝图有了进展,在《人在太空》首播后几个月内,美国和苏联宣布准备在1957年7月1日开始的国际地球物理年(IGY)里发射小型科研卫星。







冯.布劳恩20世纪50年代的航天员舱弹射设计
联合帝国
作者联合帝国
384日记 28相册

全部回应 5 条

添加回应

联合帝国的热门日记

豆瓣
免费下载 iOS / Android 版客户端