中国航天飞机计划与宇宙飞船之争

中国航天飞机计划与宇宙飞船之争(组图)工程总投资：— 工程期限：1987 年——1992 年中国 921 载人航天工程中的“长城一号”航天飞机方案，采用无垂尾布局，自带 火箭发动机 航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器，它以火箭发动机为动力发 射到太空，能在轨道上运行，且可以往返于地球表面和近地轨道之间，可部分 重复使用，由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成。虽然世界上 有许多国家都陆续进行过航天飞机的开发，但只有美国与前苏联实际成功发射 过。航天飞机因具有重复发射、运载量大等宇宙飞船不可比的优越性而一度受到热 捧。但这种由 200 多万零件组成的高度复杂系统，可靠性非常差。事实证明美 苏两国设计的航天飞机并没有达到当初设想的目标。每次发射之前的检查、维 护、修理都成为浩繁的工作。原计划每架航天飞机的设计寿命应是 20 年、100 次发射，但美国总共 5 架航天飞机加起来才发射了 100 多次，20 年的机体寿命 却已超过，每次发射的成本也被证明远远高于当初设计目标。更关键的是，在载人航天事业中，没有什么比宇航员更珍贵的，确保宇航员的 生命安全，是第一重要的任务。迄今，全球历次载人航天失事一共造成 22 位宇 航员丧生，而在美国两次航天飞机失事中丧生的宇航员就占了 14 位，其比例之高令人吃惊。在技术和安全的双重压力下，苏联的“暴风雪”、欧洲的“赫尔梅 斯”(Hermes)等航天飞机计划相继下马。中国在 1988 年提出来的 4 种航天飞机方案和宇宙飞船方案，当年被誉为“五朵 金花”，最后选择了最右边的神舟系列宇宙飞船。 中国航天飞机计划 中国也曾有过航天飞机的研制计划。当时在载人航天方面有宇宙飞船与航天飞 机两条道路。美国在实现载人登月后放弃了飞船发展，转而研发可以反复使用 的航天飞机并取得了一定的成功，但是航天飞机无法克服在发射过程中因强烈 震动而造成隔热瓦脱落的问题，而相比于航天飞机，宇宙飞船则不存在上述情 况，因而要安全得多。我国在发展载人航天的过程中是走飞船的道路还是走航 天飞机的道路曾经产生过广泛的争论，以当时的主流意见来看，走航天飞机的 发展道路占了上风，因此在此后的一段时间中我国也全力开始了航天飞机的预 研。我国的航天飞机研制计划最早提出于 80 年代中期，构想起于发展天军的战略， 最早将其归属于 863 计划子项目编号 204 的航天附属项目中，是一个由宇宙飞 船到航天飞机的渐进构想。当时，美国航天飞机成功首飞取得了巨大的轰动， 所以我国国内主导意见是上航天飞机项目，宇宙飞船当时根本排不上号。在整 整争论了三年后，1992 年中国载人航天计划工程正式制定，提出了研制和运行 以空间站为核心的载人航天系统，而天地往返系统确定为宇宙飞船，即后来的 神舟系列宇宙飞船。当年力主宇宙飞船方案的航天专家王希季院士回想道：“如 果中国当时研制航天飞机，那么现在载人计划（神舟飞船）恐怕早就下马了。长城一号航天飞机风洞模型，经过了空气动力试验。 “863 计划”为中国的载人航天开辟了道路航天技术是“863 计划”《高技术研究发展计划纲要》七大领域中的第二领域，主 题项目是：大型运载火箭及天地往返运输系统、载人空间站系统及其应用。 “863 计划”出台后,航天领域成立了两个专家组，一是大型运载火箭及天地往返 运输系统，代号 863－204；二是载人空间站系统及其应用，代号 863－ 205。 1987 年，在原国防科工委的组织下，组建了“863 计划航天技术专家委员会”和 主题项目专家组，对发展我国载人航天技术的总体方案和具体途径进行全面论 证。“863—204”专家组在 1987 年 4 月发布《关于大型运载火箭及天地往返运输 系统的概念研究和可行性论证》的招标通知，以招标方式选择在技术方面有优 势的单位，按要求各自论证载人航天方案。航天部、航空部、国家教委、中科 院、总参谋部、国防科工委等系统 60 多家科研单位参加了这场大论证，仅航天 部所属的单位就有一、三、五、八等四家研究院分别参加了投标。由于是科学 界里的技术概念论证，没有太多的行政干预，所以这番讨论思想相当解放，视 野相当开阔，是中国航天技术发展史上前所末有的。在不到 2 个月的时间里，各竞标单位提出了 11 种技术方案。“863—204”专 家组筛选出 6 种方案，要求他们在 1988 年 6 月底前，完成技术可行性论证报告， 以便参加高层专家的评审。虽然 1987 年的方案距今已有 22 年之久，但是我们 今天翻看它们，仍然不得不为我国科学家的大胆和卓识油生敬意。方案一: 航天部五院 508 所提出的载人飞船方案 方案一: 航天部五院 508 所提出的载人飞船方案。这个方案看起来不那么时髦， 似乎有些落伍。它用火箭把飞船发射升空，飞船靠降落个定点返回，类似苏联 使用的联盟号飞船。论证方认为，飞船是一种经济、技术难度都不很大的运输 器，在时间上能保证 21 世纪初期投入使用，经费上不会突破国家 2000 年前投 资的总盘子。根据我国的国情，在很长时间内航天运输的规模不会很大，使用 一次性飞船的投资效益比会比可重复使用的航天飞机好的多。飞船可为空间站 和航天飞机进行技术探路，空间站建成后还可作为太空救生艇，即使航天飞机、 空天飞机研制成功，飞船也可以与其大小搭配，成为其有益的补充。方案二: 航天部一院一部提出的天骄一号小型航天飞机方案 方案二: 航天部一院一部提出的天骄一号小型航天飞机方案。它与方案三的长城 一号航天飞机接近，所不同的是轨道器不带主动力，返回时利用自身结构滑翔 着陆。天骄一号借助运载火箭送入轨道，即可载人又可载货，可部分重复使用，研制周期 15 年，它是当时世界拥有航空技术实力的国家正在发展和准备发展的 运输器。以法国为首的欧共体集欧洲十几个国家的力量，正在联合攻关赫尔墨 斯小型航天飞机，这种飞机以美国航天飞机为原型，缩比 1／6 研制。中国如完 成此方案，可以为发展空天飞机和火箭飞机解决许多技术难题。方案三: 航天部上海航天局 805 所与航空部 604 所共同提出的长城一号航天飞机 方案 方案三: 航天部上海航天局 805 所与航空部 604 所共同提出的长城一号航天飞机 方案。它垂直起飞，水平降落，部分重复使用，轨道器带主动力可自主飞行。 这个方案基本是以我国现有大型火箭为基础，虽有一定技术风险，但并非没有 可能解决。 方案四: 航天部北京 11 所提出的 V－2 两级火箭飞机的方案。它像火箭一样垂 直起飞，如飞机一样水平着陆，以火箭发动机为动力，可完全重复使用。这个 方案既有新型高空高速飞机的技术，又有新型氢、氧、烃火箭发动机技术，它 需要先搞二个初级型，后搞最重要的轨道器部分，再搞全尺寸的火箭飞机，时 间进度亦在 2015 年前后。方案五: 航空部 601 所提出的 H－2 空天飞机方案。 方案五: 航空部 601 所提出的 H－2 空天飞机方案。它可以像飞机一样水平起飞 和降落，使用吸气式涡喷组合发动机，可完全重复使用。这是一种集航空、航 天技术为一体的高技术方案，技术难点较多，特别是吸气式涡喷组合发动机在 国外也是一个久攻不克的难关，英国曾经提出过这种方案，后来放弃了，所以 没有可借鉴的经验。但是它符合瞄准世界前沿的战略思想，一旦 2015 年能获成 功，则我国的航空航天技术可一步到位世界先进水平，或大大缩小与世界先进 水平的距离。方案六: 航空部 611 所对法国正在研究的赫尔墨斯小型航天飞机的综合分析，论 证方认为法国搞的航天飞机在政治、经济、技术背景与我国有相似之处，其总 体技术与航天部一院一部提出的天骄一号小型航天飞机方案类似，是航天飞机 诸方案中最省力、省时的方案。611 所正在与国外开展航空技术方面的合作， 可以一并引进国外的有关技术。经过一年多的论证，专家委员会于 1988 年 7 月在哈尔滨召开了评议会。航天专 家选取了五种方案进行深入论证和对比分析，分别是宇宙飞船、不带主动力的 小型航天飞机、带主动力的航天飞机、两级火箭飞机和空天飞机。1988 年 7 月 20 日至 31 日，上百位航天专家汇集哈尔滨，根据五种方案的主题报告，讨论 决定最终“机型”。专家们的主导意见是：航天飞机和火箭飞机虽然是未来天地往返运输系统可能 的发展方向，但我国目前还不具备相应的技术基础和投资力度，尚不宜作为 21 世纪初的跟踪目标；带主动力的航天飞机要解决火箭发动机的重复使用问题， 难度比较大；可供进一步研究比较的是多用途飞船方案和不带主动力的小型航 天飞机方案。两种航天飞机风洞模型和关键材料样本 航天飞机与宇宙飞船之争 在仔细研究了材料后，“机型”之争最后集中到两个方案：一是原航天部下属的 上海八院和北京一院提交的“长城一号”航天飞机方案，二是北京五院提交的宇 宙飞船计划。在专家的评审表上，两个方案的得分非常接近，前者是 83.69 分， 后者是 84 分。此后，围绕中国载人航天如何起步，飞船方案论证人员和航天飞机论证人员展 开了长达 3 年的学术争论。“863—204”专家组于 1989 年 7 月完成了《大型运载 火箭及天地往返运输系统可行性及概念研究综合报告》。报告提出了由初级到 高级两步走的途径：第—步，充分利用我国返回式卫星回收的技术，以较少的 经费和较短的周期(在 2000 年左右)研制出初期的天地往返运输系统—多用途飞 船，使得我国尽快突破载人航天技术，解决有无问题，满足初期空间应用的要 求。第二步，在 2015 年左右研制出先进而经济的天地往返运输系统—两级水平 起降的空天飞机，以适应未来空间站大系统发展的需要。1989 年 8 月，国家航天领导小组办公室主任丁衡高收到了航空航天部火箭技术 研究院高技术论证组写来的一封信，信中的主要观点是“航天飞机方案” 大大优 于“多用途飞船方案”。信中提到：载人飞船作为天地往返运输手段已经处于衰 退阶段，航天飞机可重复使用，代表了国际航天发展潮流，中国的载人航天应 当有一个高起点。搞飞船做一个扔一个，不但不能争光，还会给国家抹黑。而 载人飞船方案论证组认为，载人飞船既可搭乘航天员，又可向空间站运输物资， 还能作为空间站轨道救生艇用，且经费较低，更符合中国的国情。航天飞机无 论是造价还是维修费用以及发射场建设都相当昂贵，中国此时还不具备航天飞 机的生产工艺条件。1989 年，航空航天部党组专门委托庄逢甘、孙家栋两位专家主持召开飞船与小 型航天飞机比较论证会。论证会就在北京市阜成路 8 号的航天大院里进行。这 是两种思想的第一次面对面的交锋。航空航天部北京空间机电研究所高技术论 证组组长李颐黎作为载人飞船方案的代言人，从技术可行性、国家经济承受能 力和技术风险等方面将载人飞船方案与小型航天飞机方案作了比较。李颐黎毕 业于北京大学数学力学系，是钱学森当年讲授《星际航行概论》时带的四大弟 子之一。对于比较论证会，他显然是有备而来：“欧洲发展小型航天飞机凭借的是航空技 术优势，而我国航空技术不具有优势。欧洲小型航天飞机这条路尚未走完，技 术风险大、投资风险大、研制周期长的弊病就已暴露出来了。”“美国有钱，他 们有 4 架航天飞机，每架回来后光检修就要半年时间，美国的航天飞机飞行一 次就得 4 亿 5 亿美元；俄罗斯也有 3 架航天飞机，其中一架飞过一次，另一架 正准备飞，还有一架是做试验用的。因为没钱，现在也飞不起了。欧空局研制 的„赫尔墨斯号‟小型航天飞机也是方案一变再变，进度一拖再拖，经费一加再 加，盟国都不想干了，最后只好下马。基于上述原因，我认为，从国情出发， 绝不能搞航天飞机！”《航空航天重大情况(5)》报批件的批示上留下了一串国家领导人的名字《航空航天重大情况(5)》报批件的批示上留下了一串国家领导人的名字。中央 领导的批示下来后，航空航天部领导、部机关便着手研究载人飞船工程的研制 分工问题。921 工程论证进入了快车道。这次比较论证后，航空航天部系统内逐渐达成共识：中国载人航天发展的途径 从载人飞船起步。论证组首席专家屠善澄院士向钱学森汇报了飞船的论证情况。钱学森很认真地 听取了屠善澄的汇报，并郑重地表示：“将来人上天这个事情，比民航飞机要复 杂得多，没有国际合作是不行的，哪个国家自己也干不起。这是国家最高决策。 在 50 年代要搞„两弹‟就是国家最高决策，那也不是我们这些科技工作者能定的， 而是中央定的。屠善澄问：“假如人要上天，飞船作为第一步，您的意见怎么样 呢？”。钱学森稍稍沉吟了一下：“假设要人上天，第一步可以是这样。如果说 要搞载人，那么用简单办法走一段路，保持发言权，是可以的。”虽然当时有许多人都支持航天飞机方案，但在综合考虑了自身的技术基础 和经济能力后，1990 年 5 月，“863—2”专家委员会最终确定了“投资较小，风险 也小，把握较大”的飞船方案，即利用我国现有的长征 2E 运载火箭发射一次性 使用的宇宙飞船，作为突破我国载人航天的第一步；在 2010 年或稍后再建成载 人空间站大系统。中国在 70 年代进行的早期载人航天计划（曙光一号）注意上图中的模拟操作界面，颇似美国当年的航天飞机（曙光一号）宇航员在试吃太空食品