张帆

　　可隐藏翼式天地往返太空梭

　　HWS(Hidable Wings Spaceshuttle)可隐藏翼式天地往返太空梭是融合于现代航天器最新设计理念而诞生的一种可重复使用载人／货运高可靠性、高安全性的飞行器(见左下飞

行效果图)。

　　HWS的最大特点是在机身两侧添加了侧翼整流罩，在发射过程中，活动的机翼可以完全收放在整流罩内，避免了机翼受到意外撞击的危险(见后面空端-天羽联合体三视图)。HWS又充分利用了整流罩增加空间，加装了两台轨道转移发动机(OTES)，使飞行器在更广范的轨道上进行工作。HWS的L&G返回方式，可以减少飞行器返回过程中的风险。而在整个发射到返回过程中，外界环境对机翼的磨损程度也大大减少，因此它对机翼的设计要求不会太高。这样，平时的维护费用也会有较大的降低。所以它是一种比较廉价、经济，可快速投入使用的高效航天器。此外HWS还有像航天飞机一样的有效载荷舱，可以装载大型航天载荷(如空间站对接舱、大型卫星、空间平台、空间探测器等)(见下图)。

　　HWS 完全能取代航天飞机，在未来对太空的资源进行开发和利用。这种优势是美国现在研制的“乘员检索飞行器”(CEV)和俄罗斯的“快船”号新型载人飞船所不具备的。因此HWS是为适用于未来航天器

　　而设计出的一种新型飞行器，它也是未来航天发展的必然趋势。

　　HWS外形概述

　　HWS机长为30米，比传统航天飞机尺寸略短，这主要是缩短了有效载荷舱的尺寸。考虑到未来时期的航天器发展有两方面的趋势。一种趋势是向大型化、形状不规则化、并且自身携带动力系统方向发展。这种航天器可以不需要用运载器送入太空。另一种趋势是向小型化、规则化、无动力系统方向发展，主要的外形还是太空舱形状。这种航天器体形小，便于像HWS这种运载器运输。因此HWS的有效载荷舱尺寸缩短至12米，不仅降低了生产成本，同时减少了飞行器总体质量，节省发射燃料。其次它的发射效率将大大增强，有效载荷的安装、固定以及在太空中的释放，都会随着其体积的减小而变得容易。

　　HWS采用一体化融合式机身，短而粗的外形，更有利于飞机做俯仰运动，提高了返回过程中改变升力的可控性。HWS的尾部装有一体式的整流片，将发动机完全地包围在其中。这一方面可以让发动机免受高温气流烧蚀的影响，还可以避免发动机遭到意外的撞击。另一方面它进一步优化了飞机整体的气动外形，使其在飞行的过程中更加流畅。

　　HWS的动力系统

　　HWS动力系统分为主动力控制系统和辅助动力控制系统。HWS的主动力控制系统由多组发动机联合组成，主要可分为三类：主发动机系统(MES)、轨道机动发动机系统(OMES)、轨道转移发动机系统(OTES)。主发动机设置在机尾，由三台液氢-液氧发动机呈三角形排布而成，其主要功能是为HWS提供入轨的最后动力，属于末级火箭。

　　轨道机动发动机系统(OMES)由两台液氧-煤油发动机组成，分别装在

　　后机身两侧的外伸舱内，它的功能是为HWS提供轨道修正、轨道维持、变轨、交会对接，以及返回时脱离轨道所需要的能量。同时OMES可以辅助MES和OTES，提供发射入轨和轨道转移时的动力。OMES使用在小范围的轨道移动，相当于对轨道进行调节。

　　轨道转移发动机系统(OTES)的两台可拆卸式固体火箭发动机，分别装在机身两侧的整流罩内。OTES的主要功能是实现轨道转移，使飞行器从近地轨道向同步轨道和高轨道进行转移，从而HWS的工作范围和探测范围将大大增加，同时将各种航天器运送到不同的轨道上进行工作，也可以对地球深空环境进行更广范的科学探测。OTES的灵活之处在于其可以拆卸，它和侧翼整流罩相互独立。当飞行器飞行任务只限于近地轨道内，两台发动机可以不必安装，仅保留侧翼整流罩。这样可以减轻发射重量，节省更多的燃料，这也是HWS又一个优点。

　　此外，HWS还有装在机头部和机尾部等处的辅助动力控制系统，可以对飞行器飞行姿态、方位进行更精确的调节。

　　附：可隐藏翼式天地往返太空梭发射过程的构思

　　一、HWS的运载火箭系统此次为HWS飞行器设计的Sky -wings(天羽)号运载火箭，采用2枚助推器＋1级芯级火箭组装模式，其中固体火箭助推器可以重复使用，使用次数为20次左右。这种运载火箭最大的创新是将传统的航天飞机外贮燃料箱改进成独立的一级运载火箭。该级运载火箭配有独立的发动机，从而它和HWS轨道器只有结构上的联系，没有传输燃料的通道。这样在分离时更加容易、安全。而HWS轨道器上主发动机的使用寿命也将增长，平时的维护成本也得到降低。

　　二、HWS的返回方式与常规返回方式的比较

　　1、 弹道式再入飞行器

　　这种飞行器又分为半弹道式和纯弹道式两种，但是这两种飞行器返回方式比较原始，升阻比L/D<0.5,升力非常有限，无法很好控制返回轨道。最大过载可达到8-10G，属于早期载人航天器的返回方式，这种方式将在未来被逐渐淘汰。

　　2、 滑翔翼飞行器(Glide wings)

　　这种有翼飞行器最大的特点是具有产生升力面的巨大机翼，可产生相当大的升力，升阻比L/D>1.3，最大过载仅1g左右。但是这种飞行器机翼相对机身很薄，属于最脆弱的部位，发射过程中无保护措施，机翼不能收回。因此会像“哥伦比亚”号那样遭到燃料箱脱落的泡沫绝缘材料的意外撞击，使机翼受损，最终导致整架飞机在返回过程中解体。

　　3、 升力体飞行器(Lift body)

　　这种飞行器没有机翼，靠其气动外形产生升力，生阻比L/D在0.5-1.3，制动过载也比较低，在2g左右。由于没有机翼，可以不必考

　　虑在发射和返回过程中机翼受到撞击的危险，但是其升力和可控飞行轨迹不优于滑翔翼的航天飞机。

　　以上几类飞行器中，滑翔翼和升力体属于比较先进的返回方式，都有各自的优缺点，HWS概念机是融合了这两种返回方式的优点，而产生的新一代航天器返回方式—(升力体—滑翔翼)联合返回方式，简称(L&G)返回方式(Lift-body&Glide-wings)。

　　L&G返回方式吸取了“哥伦比亚”号失事的经验，将飞行器自身的机翼改进成可伸缩式。在发射过程中，机翼收回，这样机翼可避免撞击的风险。在返回过程中，采用升力体式返回方式，再入大气层。在飞出黑障区后，机翼伸出，飞行器可转变成滑翔翼形态，包括两片主机翼和一片垂直尾翼，提高飞行器的升力和飞行轨迹的可控性，飞行器可以精确地在跑道上着陆。

　　三、Space acme“空端”号的诞生及发射返回全过程

　　(见下面空端-天

　　按照设想，HWS初号机(HWS-1)已经设计成形，并命名为Space acme “空端”号(太空的尖端)。HWS-1将由为其专门设计的运载火箭(Sky Wings)“天羽”号(天空的羽翼)送入太空。具体发射返回过程如下：

　　1、 HWS-1采用垂直发射模式，装置在“天羽”号运载火箭的顶部，并将机翼完全收回在侧翼整流罩的机槽内，并加装机槽保护盖。

　　2、 “天羽”号两枚助推器点火，HWS-1升空。

　　3、 发射后两分钟，助推器分离，“天羽” 号芯级火箭主发动机点火，飞行高度50公里左右，时速4000千米左右。

　　4、 8分钟左右，芯级火箭分离。HWS-1的主发动机点火，飞行高度260公里左右，速度接近第一宇宙速度。

　　5、 HWS-1借助主发动机进入椭圆形近地轨道。OMES系统启动，进行轨道修正，HWS-1进入绕轨飞行状态。

　　6、 HWS-1借助OTES进行不同轨道的各项太空活动。(见下面HWS-1与ISS对接效果图)

　　7、 HWS-1在返回前进行自检，确认机翼是否可以正常伸出，OMES将HWS-1推至返回轨道。

　　8、 HWS-1高度降至80公里，进入黑障区，在此过程中，机翼保持收缩状态。HWS-1利用其本身升力体式外形来进行升力维持。

　　9、 高度降至40公里，HWS-1冲出黑障区，机槽保护盖分离，机翼伸出，主着陆架的释放通道打开。HWS-1进入滑翔状态。此时可以最大限度地控制飞行轨迹。

　　10、 HWS-1在跑道上助跑降落，并最终在减速伞的作用下停止运动。

　　HWS-1系统的主要参数

　　中文名：　空端

　　英文名：　Space acme(太空的尖端)

　　型号名：HWS-1(Hidable Wings Space Shnttle)--初号机

　　运载火箭中文名：　天羽

　　运载火箭英文名： Sky wings(天空的羽翼)

　　1、 机长：3011.97cm

　　2、 机高(包括垂直尾翼)：881.32cm

　　3、 翼展：1484.72cm

　　4、 最大起飞重量：95t

　　5、 有效载荷舱长度：1283.95cm

　　6、 有效载荷舱容积：204m3

　　7、 运载火箭总高：4587cm

　　8、 运载火箭直径：826.6cm

　　9、 助推器直径：349cm

　　10、轨道器发动机组成：MES三台液氢-液氧发动机。OMES两台液氧-煤油发动机。OTES两台可折卸式固体火箭发动机。

　　11、可载人数：4-6人

　　12、有效载荷质量： 25t

　　13、太空停留时间:10-15天

　　14、运载火箭发动机组成：两枚固体火箭助推器、四台1级液氢-液氧发动机构成的芯级火箭。

　　ZHSA(Zhi Hang Spacetechology Administration)志航宇航技术研究局(这是一种诙谐的说法，仅属于个人爱好)(本人自拟航天名：志航)。ZHSA标识为圆形，上方的深蓝色背景象征浩瀚无垠的宇宙，其中的点缀代表着繁星。红色ZHSA字母位于中心，寓意着ZHSA是人类航天领域上的中坚力量，红色寓意ZHSA事业的蒸蒸日上，前途无量。字母下方的浅蓝半圆形附之以淡黄色花纹的图案象征地球的海洋和陆地，它意味着ZHSA永远代表着整个人类，永远为人类的共同理想而奋斗。中心的桔黄

　　色弧线，形象地描绘出一艘宇宙飞船从地球腾空而起，飞向苍穹的情景，象征着ZHSA的探索无限。而弧线呈现C的形状是为“china”的开头字母C，同时说明了ZHSA属于中国，ZHSA的发展离不开祖国的支持，表达了ZHSA志在航天，雄心报国的情怀。

　　相关专题：中国创新杯第二届未来飞行器设计大赛