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澳大利亞的低成本衛星發射系統

當美國的SpaceX公司忙於 「獵鷹9號」第一級火箭的各種回收試驗時,澳大利亞衛星發射服務公司(ASLSC)針對小型衛星的發射市場,也研製了一種稱作「澳大利亞運載火箭」(ALV)的系統,它不僅能將重量小於150kg的小衛星送入距地球570km的太陽同步軌道(SSO),而且能降低發射成本。

澳大利亞的低成本衛星發射系統

基本原理


在這種由三級運載火箭組成的ALV系統中,第一級和第二級運載火箭都可以回收,由第三級(上面級)運載火箭負責把有效載荷(衛星)送入SSO。由於第一和第二級運載火箭95%的系統都可以重複使用,因而節省了發射成本。同時這種方式也減少了對發射架的依賴,且入軌的衛星在全球都可以很容易監測到。

第一級運載火箭由超燃衝壓發動機提供動力,垂直發射到大約25km的高空並加速到Ma5,待第二級運載火箭的超燃衝壓發動機點火後,第一級運載火箭脫離後進行再入大氣層飛行,藉助於其後掠機翼和頭部的活塞發動機驅動的螺旋槳以傳統的滑翔方式返回基地著陸;第二級運載火箭繼續將ALV系統加速到Ma10並升至大約40km的高空後,第二級運載火箭也脫離並進行再入大氣層飛行,然後以傳統的滑翔方式返回基地著陸;ALV系統在第三級一次性使用的運載火箭推動下繼續加速,將有效載荷送入SSO。


第一級運載火箭的外形布局與美國空軍的X-37B有些類似,採用了全動式的V型尾翼和圓錐形的機身,不同的是X-37B前機身兩側的小三角機翼換成了一個可以繞機身轉動的後掠式機翼,類似於美國航空航天局(NASA)的AD-1後掠式機翼驗證機,並在機頭安裝了一個槳葉可摺疊的螺旋槳。在ALV發射時,後掠機翼處於與運載火箭機身平行的位置,在與ALV系統脫離後,後掠機翼開始打開並逐漸轉至與機身垂直的位置,同時機頭的槳葉打開並啟動,驅動飛行器在基地跑道上著陸。


以超燃衝壓發動機為動力的第二級運載火箭飛行器稱為斯巴達(Spartan),是「可重複使用技術升級的超燃衝壓動力加速器」的首字母縮寫,飛行器機長約22m,有一個大後掠角三角翼,在機腹密集安裝了4台超燃衝壓發動機。當ALV系統的第一級運載火箭脫離後,斯巴達發動機開始起動,並將系統的速度加速到Ma10後,半埋在斯巴達機背內的第三級一次性液體燃料火箭點火將衛星送入軌道。


研製計劃

整個ALV系統的研製基本分為3個階段,從2015年12月開始的第一階段,主要進行第一級運載火箭的縮比驗證機(編號ALV-0)的飛行試驗,飛行器翼展約3m,試驗中能像普通飛機一樣從跑道上起飛。


在第一次飛行中,ALV-0由螺旋槳驅動繞著試驗場飛行了大約10min,只是由於受當地空域的限制,飛行器飛行的最大高度被限在100m以下。試驗首先要確定飛行器在不帶超燃衝壓發動機時的飛行特性,即模擬飛行器在著陸回收模式下的性能,包括後掠機翼轉動機構特性和機翼在轉動時的氣動特性,然後逐漸擴展飛行包線,包括失速速度、起飛和著陸速度、最大飛行速度等。試驗還將證明機翼可以在任何高度和可能的淺俯衝下能完全打開(傾斜角為0°)和閉合(傾斜角為90°),同時確定在機翼完全收起後僅用V尾翼控制飛行器的能力,在試驗中一旦發生飛行失控,試驗人員可以打開一個安裝在飛行器後方的降落傘回收。降落傘在正常的試驗中也將作為模擬超燃衝壓發動機的壓艙物,以模擬真正飛行器的重量和布局。


在第一階段試驗完成後,第二階段主要研製尺寸更大的帶超燃衝壓發動機動力的驗證機(編號為ALV-1),包括ALV-1的垂直發射,並在速度達到超聲速後完成一個可控的再入飛行,同時打開機翼開啟螺旋槳電機,啟動回收程序到著陸。


未來第三階段將主要研製全尺寸的驗證機(編號ALV-2)和用於商業使用的系統(編號ALV-3),飛行試驗將包括返回和著陸在內的全任務飛行軌跡,以驗證ALV系統有足夠的商業發射能力,最終目標是研製出一種完整可靠的組合ALV-3(一級)、斯巴達(二級)和一次性使用的液體運載火箭(三級)的全尺寸系統,並將重量為50~150kg的小衛星送入SSO。(徐德康/編譯)

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