Home / 評論分析 / 博評 / 軍事博評 / 【軍事博評】William:由港人秘探前蘇聯穿梭機回看暴風雪號計劃

【軍事博評】William:由港人秘探前蘇聯穿梭機回看暴風雪號計劃

日前有香港的「城市遺跡追尋者」在Facebook專頁「無人之境 Abandoned HK」上發表帖文,表示他們之前到過哈薩克的拜科魯爾星城發射場,並逃過警衛探訪封塵中的兩架前蘇聯時代太空穿梭機。網友對此反應熱烈,紛紛讚揚其冒險精神,甚至有網友稱讚為港爭光云云。

MKZ-80號建築的外觀。右圖的閘口,就是左圖左端的出口。(網絡圖片)

 

他們所探訪的兩架穿梭機,均是前蘇聯暴風雪系列的成品,計劃全名叫「能源-暴風雪可重復使用航天系統(代號MKS,軍方代號TTZ)」,設計單位是閃電設計局(NPO Molniya)與能量設計局(NPO Energia),這計劃預計制造5架暴風雪型太空穿梭機(事實上只有一架完成,兩架完成度超過90%)及6架全尺寸工程樣機 / 原型機。他們所到的倉庫應是拜科魯爾星城112A區的MKZ-80號建築,是MKS工程的裝配與燃料加注廠房,建於1983年。這裏是暴風雪號出發前的最後裝置廠,火箭裝在大型軌道車上,由兩列火車從MIK112火箭總裝大樓沿鐵路運到廠房,工作人員會將穿梭機吊上火箭,裝穩後加注燃料,然後運到發射場起豎,進入發射倒數階段。

拜科魯爾北廠區衛星圖。火箭會由MIK-112號廠房(A)運出,在大型路軌上調頭進入MKZ-80號裝配中心(B),裝上穿梭機後,沿大型路軌(藍色方向)送到110號發射場,起豎後將展開發射倒數。D建築是CCMK火箭裝配及檢查中心,現時存放能量M型火箭模型。這區除少數建築外,大都已經廢棄。照片來自GOOGLE MAP等。

 

裝配中心的兩架穿梭機,一架是準備於1991年試飛的暴風雪號太空穿梭機2號機Ptichka(小鳥號,編號OK-1K2),另一架是OK-4M(OK-MT)工程樣機(即內籠和結構和實機完全一樣,但是沒有飛行能力的全尺寸模型,此工程樣機主要摸擬任務以及內籠裝配)。然而,1993年計劃正式停止後,這裏就用來擺放工程樣機及其他物資,至2002年MIK-112廠房倒塌後,同廠區內的小鳥號就被運到這裏繼續放置。小鳥號是頂圖中近機庫門口那架,而OK-4M樣機就是近鏡頭的那架,兩者在外觀上的分別是:小鳥號機首下方鋪了黑色隔熱瓦,而OK-4M則沒有鋪。

2002年一場大暴雨,令MIK-112號廠房樓頂倒塌,暴風雪穿梭機連能量號火箭工程模型都被砸爛。現時廠房還沒有修葺好,還可找到能量號的殘骸。(網絡圖片)
在星城博物館中展覽的OK-1M號測試機。(網絡圖片)

事實上,如果想安全觀賞,附近的星城航天博物館可有另一架OK-1M試驗機可以參觀,這是氣動系統及結構強度靜力測試機,2007年翻新過後給搬到那裏露天擺放。至於1號機暴風雪號,2002年MIK-112號倒塌時就給壓爛了,估計現時已經給拆毀變賣,或者成為幾架翻新展覽機的零件了。

暴風雪號穿梭機連同整個發射系統,可說是前蘇聯航天科技發展的頂峰,然而,計劃的發展及最終停止亦反映蘇聯航天發展的的內部問題。究竟這是一項怎樣的計劃?

暴風雪計劃的緣由:回應美國穿梭機的出現?

有一點要留意,1976年時蘇聯當年跟進建造穿梭機的計劃,其實可能出於誤判以及人有我也要有的心態:他們認為太空穿梭機其實具備很強的軍事任務性質(註1),而且進度相當快,覺得是個威脅。當時切洛梅研究局一直研究小型可重複使用太空穿梭機LKS(後來發展成閃電設計局的MAKS),但考慮進度及美國穿梭機更強的運載能力,故蘇聯當局於決定建立自己的太空穿梭機計劃。這種決策某程度上是蘇聯當局一貫「對手有我也要有」的慣性思維,有時未必顧及實際需要。

CG化的1976年設計草圖,穿梭機後機身、能量號主引擎數量及助推火箭擺放位置都有不同。(網絡圖片)

無論如何,1976年2月蘇聯政府決定開始發展MKS項目,並委託剛由米格設計局航天單位獨立出來的閃電設計局負責穿梭機的總體設計工作,同時採用發展中的能量號超重型運輸火箭作為唯一進入軌道的載具。

MKS計劃的專屬運輸機,AN-225(左)及VM-T(右)。(網絡圖片)

另一方面,為承載MKS各種零件(包括暴風雪穿梭機本體及能量號火箭的零件),蘇聯改造了兩架野牛轟炸機,成為VM-T阿特蘭式特殊運輸機,最後還利用AN-124重型運輸機原設計進一步加大成AN-225型超重型運輸機,這亦促成人類史上最大載重量運輸機的誕生。

由於當初決策時已確定直接仿效穿梭機的氣動外形,暴風雪式穿梭機雖然有「抄襲」之嫌(不過類似的大氣層內升力體,蘇聯也研究了很久),但和美國太空穿梭機在設計甚至理念上都有很多不同點,例如:

STS與暴風雪發射系統的比較。(網絡圖片)

1. 美國太空穿梭機(STS)的主引擎也是上升段主要動力來源;而暴風雪的火箭引擎只會由離開大氣層到主軌道(200-250公里高度)之間運作,上升段完全交由能量號做功。基於升空方法不同,STS擁有三種不同的引擎,即大氣層推進用的SSME,空間用入軌引擎OMS及姿勢制禦引擎;然而,暴風雪上只有兩種引擎,即入軌推進用引擎(ODU)及姿勢制禦用引擎,所以暴風雪的結構較簡單、重量較輕、發射成本稍低,主引擎重用能力也大幅上升(事實上……是因為最大推力造功時間短很多)。不過,這並非蘇聯當局的原意,只是因為蘇聯未能造出巨大而可重用的固體助推火箭,而其可重用的液體燃料引擎無論在推力還是運作壽命上都無法和美國比擬,而研制類似產品需要相當長時間,故唯有放棄相當的可重複使用能力及減低研發成本,直接把暴風雪號穿梭機掛到能量號火箭上。

能量號穿梭機可以將和平號/和平2號太空站的核心倉直接運上軌道。(網絡圖片)

2. 由於蘇聯有太空站作為長期太空實驗室,暴風雪式穿梭機不需實驗室裝置,只有機械臂以維修及將大型衛星投入軌道,以及協助組建和平二號太空站之用,所以結構較簡單,重量也較輕,製造成本下降。連帶第一點提到的優點,暴風雪式的運載量更大,有利運載大型軍用載荷(事實上,暴風雪號最大搭載量及運回能力比穿梭機大5噸,達30噸及20噸)。

暴風雪號與和平號太空站對接的畫作。(網絡圖片)

3. 由於其中一個原始任務就是與太空站對接補給,暴風雪號一早就有前蘇聯太空站對接的能力。暴風雪號甚至可以載入整個和平號/和平二號的核心艙組件進行檢查及發射,所擁有的工作站及機械臂可以直接組裝太空站;相對而言,美國要到90年代才開始為穿梭機安裝對接模組,以與和平號太空站及後來的國際太空站進行對接(國際太空站核心艙及碼頭對接艙是原和平二號的組件)。

OK-GLI試驗機1984年試飛照及現時的存放照片,資料來自網絡

4. 其試驗機兼原型機BTS-002(代號OK-GLI)可以自身動力飛行(配備4個AL-31F引擎),至一定高度後關機並模仿大氣層滑翔降落,不用像穿梭機一樣要由大型飛機搭載並於半空釋放。這種設計其實更方便訓練太空人駕駛穿梭機。事實上BTS-002號共進行過24次試飛,而且由於搭載燃料箱,飛行時間更長,且能多次試驗如何對準跑道,同樣是試驗機/原型機的穿梭機企業號就只獨立飛行了……5次(ALT-11-16)。若非計劃終止,這原型機甚至可以成為訓練太空人降落操作的訓練機。這架原型機現正於德國的施派爾科技博物館展出

暴風雪號的軍事用途,右圖是可搭載超小型太空飛機的無翼版本太空母機,左上是螺旋式太空飛機。右下圖是暴風雪式以旋轉彈架儲存及投入10架螺旋的想像圖。(網絡圖片)

不過最大的不同還是暴風雪的軍事性質: 能量設計局當年計劃在機艙內以旋轉彈架形式搭載10架螺旋式小型太空飛機,擊毀衛星或在軌導上投擲核彈頭,以摧毀衛星群、地面目標,甚至軌道上的飛彈。 另外, 暴風雪亦有個無翼版本的太空艙/軌道飛船模組, 可停泊在太空站的泊位, 必要時可脫離太空站, 飛往不同方向放出螺旋式小型太空飛機。當然,這些都是初步規劃,能量號試飛之時,這些東西還未可上馬。

人類史上第二大可飛運載火箭:能量號(註2)

搭載在可移動台架上的能量與暴風雪。(網絡圖片)

 

正如前文所述,暴風雪系列太空穿梭機無法自己入軌,故需掛載在能量號重型火箭上。事實上,能量號是人類史上第二大運輸火箭,但多用途性、模組性及可掛資物尺寸上都優於第一大的農神五型,可說是前蘇聯瓦解前回應美國太空優勢的最後努力。

1977年,蘇聯N-1火箭計劃終結後,為進一步拓展低軌道運輸及建設大型太空站的能力,同時能負擔地月以至外行星的載人發射任務,蘇聯決定發展新的重型太空運輸系統,用作運載大型太空站載荷、軍用衛星以及大型登月、登火載具,並責成能量設計局進行設計工作。這計劃原本叫火神,後來加以簡化成能量系列。

相對於傳統的火箭系統,能量號同時吸收了美國穿梭機的概念,例如載荷掛載方法、液氧液氧重型火箭引擎、可回收火箭組件(計劃中)等,且也有很多獨特之處,例如高度模組化設計(5或6種組合模式)、特殊的無上面級配置等。整個設計分成三個模組:

RD-170型引擎,雖然有四個燃燒室,但只有一組渦輪泵系統於核心(用於推動液氫與煤油泵),該泵是由預燃室的少量燃料燃燒所引發的燃氣推動。煤油先流經噴嘴外壁,充分加熱後引入燃燒室,連同少量氧氣燃燒並加壓,先驅動渦輪泵,然後分流向四個燃燒室與液氧猛烈燃燒,提供巨大推力。好處是可以充分利用所有燃料的燃氣,而且分兩級燃燒及四個燃燒室有助減輕燃燒室的燃燒壓力。當然,這種系統的管道異常複雜。(網絡圖片)

1.綑綁助推火箭:主體是天頂式火箭推進段,引擎為到今天仍響噹噹的RD-170煤油/ 液氧火箭(美國及俄羅斯都在用,美國甚至購買大量衍生型RD-180,用於擎天神三型及五型上), 其海平面及空間推力達167萬及177.3萬磅,大約可重複使用10次,推力是當今世界最強,比土星五型所用F-1引擎更強! 比較特別的是它是以一個燃料熱泵控制四條管道及四個燃燒室,這種設計很少在西方液體燃料火箭上出現。這助推火箭後來更獨立發展,加上上面級後就變成著名的輕型運輸火箭天頂二型。這助推火箭可以單個或兩個為一組,後續型號可以裝上降落傘及反推火箭,作減速回收之用,不過在計劃完全停止之前,還未研制成功。

右圖為天頂助推火箭原貌,中圖明顯加裝了一些可拆式結構,以收納降傘及反衝火箭降落回收系統,右圖是俄方資料所示降落回收系統簡圖。(網絡圖片)

2.核心推進段:分為大型的能量核心模組與小型的能量M核心模組(能量M模組有大型的頂置整流罩貨艙,能量則沒有),兩者都只有一級,主要分別在於能量有4個RD-0120M液氫/液氧火箭,M型則只有一個,這引擎參考了穿梭機的SSME引擎設計,單個海平面及空間推力分別為34.2萬及44.1萬磅,海平面及空間比衝分別為352秒及445秒,與SSME性能相當,但內部結構有相當大的不同

能量M核心模組(左)與能量核心模組(右)。(網絡圖片)
RD-0120M引擎。(網絡圖片)

3.外掛獨立載荷,可以是自帶動力的暴風雪號穿梭機、自帶動力的入軌貨櫃系統,以及自帶入軌動力火箭的大型衛星載荷。嚴格來說,這才是能量號的第二級入軌火箭。

現時幾種已知的掛載體,由左至右,分別是極地戰鬥衛星、大型自動入軌貨艙及MKS。這種掛載方式最大的好處,是對貨物的尺寸限制少得多。(網絡圖片)

三個模組亦各成大約五種發射組合(不計算天頂2型火箭):

能量M型火箭,中間是等比例工程模型,右邊及而左邊則是當年工程模型做發模擬發射測試的照片,無獨有偶,也是在MKZ-80裝配及貫注燃料大樓中進行。(網絡圖片)

A. 能量M型:由能量M核心模組及兩支天頂推進段組成,高35米,低軌道運力30-34公噸,高軌道運力未知,原是用來代替質子火箭。1990年時能量M型已造出等比例工程樣機,可惜沒機會發展下去,俄國最後亦放棄發展這種異常優良的載荷,轉而發展安卡拉5型火箭(20年後的2014年才首射)。現時這火箭的模型被放置在原能量號火箭的CCMS大樓(全星城中最高的建築物,達170米高)。

能量基本型,右圖是首射時搭載的極地激光戰鬥衛星測試平台。(網絡圖片)

B.  能量基本型:由能量號模組本體,外掛獨立載荷段及四支天頂火箭推進段組成,全高60米,總質量2400噸,低軌道運力為當今無出其右的100噸,同步軌道運力亦達20噸,月球軌道運力為32噸(這兩項是指其用背負貨運入軌系統自行入軌的極限,單憑能量本身無法送東西進入同步軌道或月球軌道),特點是載荷是掛在火箭身上。能量火箭系統只能將載荷送到120-150公里的高空,速度持平或略低於第一宇宙速度,但只要載荷上的小型入軌火箭一發動,就可以送貨上200-400公里的低軌道。這種貨運方式的特點是,火箭不用提高高度,載荷的尺寸限制也很小,只要裝到一個適合的整流罩即可。

照片來自網絡。

C. 能量-暴風雪可重複發射系統(前文已述)

能量2號可說是更激進的方案,不但可完全重複使用,主火箭也變成穿梭機模樣,連天頂助推火箭也變成自動回航的滑翔機。當然,由於增加大量氣動面,實用搭載量究竟會減少多少就是一個謎了;另一個問題是……這豈不是變成另一架穿梭機?(網絡圖片)

D: 能量2號:能量2號本體仍是能量號火箭及4發助推火箭,不過由助推火箭到第一級火箭皆是全可回收形號,且回收形式更有趣:天頂助推器的回收系統改成一個飛行模組,燃料差不多用完而箭身脫離火箭時,機翼就會彈出並自己滑翔返回機場跑道(噴射引擎提供動力,以調整高度及空速);而第一級火箭亦裝上機翼及尾翼,頂部整流罩放出載荷後,透過自動駕駛,同樣可像穿梭機一樣重返大氣層。然而,這構形亦可能是最難發展的,至前蘇聯解體時,該系統仍在設計圖板上。

火神系統的想像圖及不同載荷下的構形(網絡圖片)

E. 火神發射系統:
此系統是能量運載火箭系統中最大的型號,同時亦將成為歷史上最重及運力最強的火箭型號。嚴格來說,火神才是能量的原型,是模組化為優先考慮的超重型運輸火箭,主要用作地月 / 地火運輸及太陽系探索用。由於體積過份巨大,能量設計局將其組件及尺寸”降格”為能量號。然而,由於能量號發展較為順利,設計局在80年代後期利用已發展出的模組再次發展這個構形。新的火神在性能上更具體,遠期任務目標亦確立在蘇聯載人火星任務及建立月面基地上,其高度達80米,低軌道運載能力達175-200噸,月球軌道的運力為90噸,火星軌道的運力也有30-40噸!由計劃停擺前的資料顯示,火箭是由八支天頂、一個能量模組(資料顯示可能加高)、一個能量M模組(作為上面級)再加一個大型整流罩組成,無論火箭本體還是引擎,都是能量系列的產品,所以可以說,前蘇聯和這東西基本上只是一步之隔。

MAKS的發射想像圖與全尺寸模型。MAKS有貨運及工程維修模組,可代替暴風雪式的組裝及維修工作;另外此機較為小型,進行軍事任務亦較方便。(網絡圖片)

結語:是否有必要開發暴風雪號?

無論性能多先進,前景多遠大,能量與及暴風雪計劃都在蘇聯解體後因為資金無以為繼而被徹底放棄。與冷戰末期美國航天發展相比,美國太空穿梭機項目雖然最終被認為在可重複使用性上是不太成功的產品,但作為一個具備多用途且擴充性強的項目(例如大型無人貨運飛船),NASA在有限資源下集中發展(其餘則持續改良既有的泰坦、三角洲及擎天神系列),倒還獲得較佳效果及公眾形象(例如營建太空站、太空實驗、發射及維修大型科學載荷等);相對而言,蘇聯在70年代後的宇宙載具發展反而變得「過度」多樣化,同時間不但發展禮砲 / 和平系列太空站,而且還研發成本高昂的能量號運載火箭,以及兩款太空穿梭機(另一種是MAKS),甚至連大型戰鬥衛星都因應對SDI的恐慌而趕急上馬,齊頭並進,不但耗費大量資源,且資源分散亦間接影響各種載具的研究速度。

另外,這幾項計劃其實是有嚴重的任務重疊,無論是暴風雪與MAKS,還是暴風雪發射系統和能量系列其他載荷;如果蘇聯航天當局當年能想清楚,並集中發展及完善化能量系列及MAKS,那根本可以代替暴風雪系列(甚至當時仍在用的質子系列火箭)絕大部分任務。由這點看來,暴風雪號幾乎是沒有必要存在的。

雖說蘇聯經濟上缺乏活力及與世界市場接軌的能力,是其最終瓦解的重要因素,不過包括航天在內的國防工業上,經常出現兩個甚至以上的項目並行發展甚至量產(例如78-88年間,蘇聯竟然有5種新型核攻擊潛艇入役),甚至因為西方出現新型武器而要執意跟隨發展,這對於經濟實力較弱而軍費吃緊的蘇聯而言,也是財政上的沉重負擔,對於前蘇聯政府財政破產也起著相當重要的推動作用。

 

 


註1:這可能是過慮了。不過,NASA在設計太空穿梭機時,為爭取更多發射機會以減低成本,曾因應當時美國空軍最大的衛星(KH-9型及KH-11型))的尺寸及重量而設計貨艙,明顯亦要爭取發射美國空軍的大型軍用衛星載荷;穿梭機有數次任務亦涉及秘密軍事目的,甚至是由空軍直接指揮的。

註2:小弟並沒有將N-1火箭計算在內,這東西四射四敗,連飛過50公里高度都未試過,根本是失敗作……

手機分享本文:

Scan the QR Code
William Lam
現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

Check Also

【軍事博評】呂琪:網上輿論對「矢量發動機」有何迷思?

  在今年珠海航展上 ...

發表迴響

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *

這個網站採用 Akismet 服務減少垃圾留言。進一步瞭解 Akismet 如何處理網站訪客的留言資料