【超全航天科普】暴风雪号航天飞机详解
Saturn_shine
2025年08月19日 16:02

仰望夜空,群星冷峻。 当美国的航天飞机划破天际,苏联的工程师们也不甘示弱,悄然拼贴出属于自己的回答。它的名字,既是风雪的怒号,也是那个时代最盛大的豪赌。


全文共10138个字符,42张图


暴风雪项目的启动

暴风雪-能源项目(Buran–Energia 俄语:Буран)于20世纪70年代初启动,目的是对抗正在崛起的美国航天飞机 (STS)。彼时,美方航天飞机计划大起,这引起了苏联军方,尤其是国防部长德米特里·乌斯季诺夫的高度关注,认为这是潜在军事威胁。(苏联官员还担心美国航天飞机可能会突然俯冲进入大气层,向莫斯科投放核弹)于是决定开启暴风雪计划。这一计划可以看作苏联载人航天史上最雄心勃勃的工程。18年间,来自1286家单位与86个部委和部门的逾一百万人直接参与,全国最顶尖的科研与工业中心悉数上阵。

联盟号、美国航天飞机与暴风雪号航天飞机对比

可以看到两者在外观上有着惊人的相似之处 就像图波列夫Tu-144和协和式超音速客机之间的相似之处 但这并非“照着抄”。苏联工程师们选择了本土化的体系解法:入轨推力交给重型火箭“能源号”,轨道器专注在轨作业与再入回收,把三台主机从机背上“减负”下来。工程目标直白而强硬:大跨程返场、大货舱、可回收、自动进近和着陆,必要时无人飞——遇上“今天就得飞”,别靠祈祷,靠冗余和算法


轨道器总体设计

暴风雪号轨道器长 36.37 米,高 16.35 米,翼展 23.92 米,起落架高度 16.35 米,翼面积 250 平方米,机身宽 5.6 米,高 6.2 米,机翼后掠角 78 度,有效载荷舱直径 4.6 米,长 18 米。货舱长 18.55 米,直径 4.65 米,初始质量 105 吨,可入轨有效载荷质量 30 吨,可回收载荷质量 15-20 吨,推进剂总质量 14 吨,乘员舱容积73立方米,平均着陆速度 312 km/h,理论可重复使用100次。

航天飞机主要用于执行防御任务、维护各种空间物体并将它们送回地球、运送用于组装大型轨道结构的模块和宇航员、运回有缺陷的材料、执行长期任务、研制空间相关设备和生产技术并将其运送到地面、按照地-空-地路线运送各种设备和乘客。 苏联军官认为暴风雪号能够搭载激光武器、分体核弹、反导弹火箭入轨

与背着大橙罐子的STS不同,暴风雪把入轨主推进全交给能源号火箭(Energia);暴风雪号轨道器只背两个小发动机,只负责在轨机动与再入着陆。这样做的收益很直白: 轨道器“轻装”,再入/翻修更好伺候; 运载火箭变成通用重型平台,除了送轨道器,还能发别的大家伙。工程上,这是把系统边界切干净的经典范例。

尾部的两台17Д12主发动机

这两台17Д12主发动机(17D12 系,11D58 衍生)每台约 90 kN、Isp≈362 s;典型任务允许不超过 ~15 次启停。推进剂为液氧 + 烃燃料(资料称用到合成烃 Syntin / RG-1,氧化剂为低温 LOX,氧温约 68±5 K)。用于推进/修正轨道以及减速以便再入大气层。以及38 台姿控发动机,单台约 4 kNIsp 275–295 s,单次最短 0.06 s、全程可达上千秒,可在再入至 ~10 km 仍参与8 台精定向发动机,约 200 N,用于微调与末端对准;4 台固体分离应急发动机(~28 kN 级)作应急脱离。

座舱:

1-飞行甲板(驾驶舱) 2-中层甲板(生活/工作层) 3-设备层(仪器/电气设备舱) 4-气闸舱 5-指令长座位(PM1) 6-驾驶员座位(PM2) 7-机载工程师座位(PM3) 8-交会对接操作者工位(PM4) 9-KBO–PG 操作员工位(PM5) 10-有效载荷专家工位(PM6) 11-有效载荷专家“发射/着陆”座位 12-甲板检修口 13-通往生活区的检修口(主通道) 14-通往生活区的检修口(备用通道) 15–16-气闸舱舱门(ChKK 标准) 17-通往设备层的检修口 18-顶部观测舷窗 19-货舱侧观测舷窗 20-卧铺区 21-储物位 1 22-储物位 2 23-ASU 卫生设备储位 24-配餐柜/食品柜 25-储物位 5 26-储物位 6 27-储物位 7 28-储物位 7a 29-右舷设备排布区 30-左舷设备排布区 31-卫生间模块的工具与家具 32-指令/控制模块(前舱核心机柜) 33-恒星导航系统(星跟踪器/星敏) 34-SU、SBM、RVV 设备机柜(PO-16 位) 35-储物位 17 36-摄影机胶片盒/胶卷匣库

A-顶部显示屏 B-主仪表板 C-导航信息显示 D-通用指示器(屏幕) E-左侧操作台面板 F-右侧操作台面板 G-中央控制台 H-J 屏幕系统 J-控制屏幕 K-通信与图像管理模块 L-三相静态变换器 M-机载工程师操作台 N-通用控制台(数据处理台) O-用户工作台 P-投放/投入口操作台 Q-座舱下层(可居住区)控制台 R-出舱模块控制台 S-图形处理器 T-导航面板 U-附加工作台 V-飞行实验室

热防护系统(TPS):机腹为主的石英纤维陶瓷约 38,600 块,可承受高达 1300°C 的温度。对于某些部分(机头和机翼前缘,温度达到 1500°C-1600°C),瓦片由碳–碳复合构件制作成。加热的最剧烈阶段伴随特征等离子体的形成,但飞行结束时航天飞机结构的温度不会超过 160°C。为了减少热应力,机头、机身和机翼采用了大的曲率半径。铺砖的缝隙方向被强制与来流平/垂,避免在缝隙里“煮气流”,这点与 STS 的铺法不同;瓷砖有防潮与抗氧化涂层,背面留不涂层区以减小应力。数量看着夸张,但这是“热–结构–维修”一体化的取舍。

返回地球时,“暴风雪”号无需发动机滑翔,但在飞行过程中,涡轮喷气发动机为机载系统提供动力。他们为“暴风雪”号配备了一个辅助动力组(VSU),该动力组连接在液压系统(升降副翼、方向舵、刹车系统、起落架、襟翼等执行机构)上。暴风雪采用三条独立液压回路(Airbus G B Y三套液压幻视),各回路配一台 VSU,任两台失效仍可安全离轨/下降/着陆(“三冗余对抗大侧风”的典型做法)。单台功率约 17–105 kW;涡轮转速约 55,000 rpm,输出轴约 4,500 rpm燃料为一套自带的肼(hydrazine)

地面VSU测试

电源规划为燃料电池 + 蓄电池的组合;首飞未装燃料电池,货舱内安装 37KB 辅助/测量模块与额外电池为全自动短任务供电(2 圈 ≈ 206 分钟)。

热控:和 STS 类似,货舱门内侧布置大型散热器,在轨开舱门后形成对外辐射面(前部两块可抬起一定角度以增辐射视场)。短任务可不展开;长任务需要“开门散热”。

暴风雪号航天飞机的遥控6自由度机械臂系统由位于圣彼得堡的中央机器人与控制论研究与实验研究所研发:

暴风雪号航天飞机的遥控机械臂系统与美国航天飞机相比有一个显著区别:它不仅可以在航天飞机内部操控,还可以在地面操控。操控由地面飞行中心进行,该中心将遥测信息下载到航天飞机上的计算机中,再将这些信息传输到遥控系统。因此,地面操作员可以在数千公里外安全地操控有效载荷

为暴风雪号设计的对接舱将被安装在有效载荷舱的前部。它将是一个直径 2.67 米的球形舱室,并带有一个圆柱形通道,通向雌雄同体的外围对接装置APAS-89。与航天飞机不同,暴风雪号的对接舱将配备一个可伸缩通道,以增加轨道器和空间站之间的间隙。


能源号运载火箭

能源号(Energia,11K25),以及四枚液体助推器(基于 Zenit 一子级):

能源号运载火箭

核心级采用四台RD-0120(11D122)氢氧(LOX/LH₂)主机。真空推力单台约 1.96 MN,真空 Isp≈454–455 s,设计燃烧 ~480–500 s,喷管具大膨胀比,额定万向摆动。采用富燃分级燃烧、单轴驱动两泵的简化方案(和 SSME 路线相近但工艺取舍不同)。推进剂约 797 吨,核心级直径 ~7.75 m;全箭总高 ~58.8 m

周围挂 4 枚液体侧助推,每枚 1 台 RD-170(煤油/液氧,四燃烧室一涡轮泵)。富氧分级燃烧;海平面推力 ~7,250 kN,真空 ~7,900 kN;海平面 Isp≈309 s,真空 ≈337 s;典型燃烧 ~150–156 s直径 ~3.9 m、长度 ~40 m;单枚推进剂~340 吨(LOX/RP-1),干重约 25 吨。四个助推器设计为每次飞行后均可回收, 但在其实际飞行中,助推器均未回收。

整箭起飞质量约 2,400 吨,起飞推重比约 1.5,全配型近地轨道运力目标 ~100 吨(能源号并非只给buran轨道器用,属于“通用重型平台”)。开发分工:总体 NPO Energia;制导/控制系统主承包商为 Khartron NPO “Electropribor”

该运载火箭为当年N1的继承物,为 N1 火箭建造的设施和基础设施被重新用于能源火箭(尤其是那巨大的水平装配大楼),就像NASA将为土星五号设计的基础设施重新用于航天飞机计划一样。能源号火箭总共就飞过两次首飞(1987-05-15):Energia+“天顶/Skif-DM(Polyus)”。两级按设计工作正常,但上面级姿态/软件问题,有效载荷未入轨。(苏联最初宣布此次发射是对新型“能源”号火箭助推器携带模拟有效载荷进行的一次成功的亚轨道测试,但一段时间后人们发现,此次飞行实际上是将极地号送入轨道......)

Energia–Polyus组合体

二飞(1988-11-15)Energia+暴风雪轨道器(无人),全程成功

暴风雪组合体



暴风雪轨道器各测试型号

Buran OK-M (另称为OK-ML-1 / BTS-001 / 1M / 0.01 )

用作机身振动试验全尺寸静力/环境与接口演练和 Energia 接口、运输/吊装、地面工装验证的原型机,建于 1982 年,在停机坪户外严重损坏。2007年翻新,现于加加林博物馆户外展出

此图为翻新之前的Buran OK-M

Buran OK-GLI (另称为OK-ML-2 / BTS-002 / 2M / 0.02 )

大气飞行验证机,尾部额外装有四台AL-31涡扇发动机,以方便自行起飞。(不像STS要母机投放)该机于 1984 年制造,已进行 9 次滑行 + 25 次飞行,把自动进近/自动着陆、低速气动、律切换、风场容限飞实

曾漂洋过海去悉尼、巴林展览;现在在德国施派尔技术博物馆室内保存

可见尾部多出来的四个AL-31喷气发动机

Buran OK-KS (另称为3M / 0.03 )

用于全机电气/航电/通信/遥测综合测试件,建于1982年,现于俄罗斯天狼星科学中心户外展出。

Buran OK-KS

Buran OK-MT (另称为4M / 0.04 )

用于工程模型载荷流程、密封/安全、乘员进出、维护工序、军用工况训练 ... 建于 1983 年。1995 年 8 月迁至 MZK(112a)。与 Energia 4M 做过整箭起竖/上台演练

Buran OK-MT

Buran 5M (另称为0.05 )

用于前机身结构/环境测试,已毁坏,用于静力、热、声、(座舱相关)环境等科目;后续拆解,部分部件转供给 7M (OK-TVA)做综合静强与热声试验。无图

Buran OK-TVI (另称为6M / 0.06 )

用于热-真空/密封环境测试,模拟在轨环境,核心是密封、热控与材料在极端环境下的表现。

Buran OK-TVI

Buran OK-TVA (另称为7M / 0.15 )

用于结构静强 + 热-声耦合测试,现移至全俄展览中心

此图为Buran OK-TVA于1995–2014在莫斯科高尔基公园当景点

Buran 8M (另称为0.08 )

座舱段(Crew Compartment)相关的热/真空/人因与生保试验组合件,没装外层TPS,现位于莫斯科联邦医学生物署第83临床医院院区户外

Buran 8M

另外BOR-4/BOR5虽不属于暴风雪轨道器的测试型号,但测试了很多暴风雪的技术 :

BOR4:这架无人驾驶的缩比航天器旨在测试当时正在研发的暴风雪号航天飞机的隔热瓦和增强型碳-碳复合材料。BOR-4机头尺寸与暴风雪几乎一致。此外,其机身与“SPIRAL”升力体按 1:2 比例对应。其长 3.859 米,翼展 2.8 米(机翼折叠),初始质量 1450 公斤,轨道飞行质量 1047 公斤,返回质量 795 公斤。该飞机配备了发动机和机翼的驾驶和测量系统。 “BOR-4”的机翼与“螺旋”机翼一样,可以沿径向轴线旋转,而且折叠角的改变能够让升力体在再入过程中保持稳定的攻角(就到这吧,讲太多偏题了)

BOR4

BOR5:真正的暴风雪号 1/8 比例模型,用于亚轨道测试

总结:


暴风雪轨道器正式型号(忙活了半天咱终于把真机给造出来了)

Buran 暴风雪号(另称为 1K / OK-1.01 )

暴风雪号航天飞机的唯一一次轨道发射是也就是这个型号。让我们回到1988年的那次首飞,先将An225上卸下的暴风雪轨道器与能源号在厂房水平拼装,做好各种测试后用4台柴油机车(当年N1同款运输平台)水平运输到发射台上起竖 这很毛式 (见下图)

于 1988 年 11 月 15 日世界标准时间 03:00:02 (莫斯科时间早上 6:00)从拜科努尔航天发射场 110/37 号发射台发射,执行全程无人任务。能源号火箭将火箭送入临时轨道,然后暴风雪轨道器按程序分离。再利用自身的ODU/DPO推进系统进入更高轨道并绕地球飞行两圈 (倾角51.6°,高度250-260km)

首次飞行货舱没放置任何载荷 但放了37KB-37070辅助与测量模块作供电/记录(听起来似乎有些矛盾) 。绕地球飞行两圈之后,ODU/DPO发动机自动点火,开始再入到大气层, 有关风速和风向的数据在暴风雪的数据库中下载。距离着陆只有10分钟时,暴风雪仍在机场的 550 公里处以高于10倍音速的速度滑翔。暴风雪号的升阻比为5.6,而STS航天飞机的升阻比为4.5,因此在再入时和STS一样需要进行交替S形翻滚

红线为暴风雪的红色轨迹,蓝色投影为可能的轨迹走廊。这些点显示了航天飞机在着陆程序中描述的参考高度标记处的位置。

暴风雪到达调整区(高度 20 公里),与恶劣天气条件相比,轨迹异常有限。在自动接近Site 251 跑道后,由于当日有强侧风,自动能量管理自动判断最优轨迹,触发“越场再折返”。(见下图)

最终暴风雪号于世界标准时间 06:24:42 在自身控制下全自动着陆,并于 06:25:24 停了下来,发射后 206 分钟。在 61.2 km/h的侧风下,暴风雪号着陆时横向距离目标标记 3 m,纵向距离目标标记 10 m。

这是一次80吨巨物非凡、精确、优雅的自动着陆!It's unbelievable.看到航天飞机成功着陆,参与该项目的人员都感到无比喜悦。

这是第一架从轨道再入后进行无人飞行的航天飞机。后来发现,暴风雪号在飞行过程中丢失了 38,000 块隔热瓦中的 8 块,但这并不妨碍这次试飞的成功。

首次试飞计划已圆满完成!

可是…随着苏联军方发现航天飞机的军事用途不大,项目逐渐拨款开始不足,1991年12月25日,牢不可破的联盟最终还是破了,冷战结束,俄罗斯也不再需要这个烧钱却带来不了什么成果的项目。1993年,资金彻底中断, 然而却没有人有勇气最终将其关闭。测试模型在机库中停留数年,然后移至室外腾出空间。停放暴风雪号OK-1.01(这架唯一试飞过的)和能源号位于112 号机库向游客开放,但由于缺乏维护,机库于 2002 年 5 月倒塌(屋顶修复工作于2006年9月开始),压倒摧毁了暴风雪号OK-1.01和能源号,造成7-8名工人死亡。

Buran and Energia were made to shine in Space, but finally died on Earth.

暴风雪号和能源号在太空中闪耀,但最终却在地球上消亡了。


其他各正式型号

Buran 小鸟号(另称为 OK-1.02 / 2K )

是苏联/俄罗斯暴风雪号计划中生产的第二艘暴风雪轨道器。尽管 2K 是所有暴风雪轨道器中最接近完工的(仅次于1K轨道器),但它从未完工。计划将在1993年进行第二次无人飞行,飞行时间为15至20天,但该计划在1993年正式取消。此时航天飞机的完成度已达到 95-97%

计划中的 Ptichka(小鸟)航天飞机前往和平号空间站:

1995 年 8 月,2K 与全尺寸测试件 OK-MT(上文已讲) 一起被转移到拜科努尔航天发射场的 MZK 大楼。(见下图)

在接下来的几年里,大楼的主门无法移动,莫斯科航天中心的设施变成了两枚飞行器的“石棺”,并在2021年,2K轨道器惨遭涂鸦…

Buran 贝加尔号(另称为 OK-2.01 / 3K )

是苏联/俄罗斯暴风雪号的第三艘暴风雪轨道器。当暴风雪号计划取消时,它的建造工作尚未完成(已完成 30-50%)。它从未正式命名,但通常被称为贝加尔湖。2.01 型是第二批暴风雪轨道器的第一艘,第二批改进了第一批的轨道器 (例如受到STS影响配备了救生系统和弹射座椅)

目前该轨道器在叶卡捷琳堡附近的博物馆综合楼

Buran OK-2.02(另称为 4K )

是苏联/俄罗斯暴风雪号的第四艘暴风雪轨道器。(第二批暴风雪轨道器的第二艘)。当暴风雪号计划取消时,它的建造工作仍处于早期建造阶段(已完成 10-20%)。仅完成了带乘员舱的前机身。未完工的 2.02 后来在建造现场被部分拆除,并被移至莫斯科附近的图希诺机械制造厂外。目前大量 TPS 零件流散到二级市场

Buran OK-2.03(另称为 5K )

是苏联/俄罗斯暴风雪号的第五艘暴风雪轨道器。(第二批暴风雪轨道器的第三艘)。当暴风雪号计划取消时,已建造的部分部件不久后就被拆除。到 1995 年,它已不复存在。


地面/空中相关保障设施

空中保障|VM-T Atlant → An-225 "Mriya"

要把轨道器与能源号这么大件的玩意用铁路公路往返于莫斯科—拜科努尔—萨马拉等地可不容易,只能“空运+特制鞍座”。于是最早上阵的是由老式远程轰炸机改装的 VM-T Atlant(双垂尾、背负支架)

VM-T Atlant运送暴风雪号轨道器

VM-T Atlant 能飞,但航程、外形干扰和承载还有余量可挖,于是安东诺夫设计局的几位灵机一动,把 An-124 加长加翼 → 六发 → 背部安装外挂基座,诞生了著名的An-225 “Mriya/梦想” 最初任务很直接——背运轨道器和“能源号”大件。它 1988-12-21 首飞,1989 年巴黎航展公开亮相时,直接把轨道器驮到了顶上,算是这套体系最炸场的名片。

1989 年,安-225 运输机搭载暴风雪号轨道器

苏联解体后,An225翻新后担任上了运输机,可惜的是,这架独一份巨机在 2022 年 Hostomel 机场战火中被毁;乌克兰总统泽连斯基随后多次表示筹划以二号机半成品为基础重建,但已经是不太可能的事了。

可惜了 6台D-18T涡扇可不是吃素的 虽然通用电气 普惠 罗罗都看不上它


地面保障:

着陆与回收:251(Yubileyniy)为自动着陆量身定制的 251 跑道4,500×84 m,面层为 M-600 高强混凝土(厚 26–32 cm)。这条超级跑道既服务轨道器回收,也承担超限件空运(VM-T/An-225)落地、解耦与转运,是全体系的门面与“能量缓冲垫”。

翻修与周转:254 区(MIK-OK)轨道器着陆后牵引进 251 → 254:在 Site 254轨道器装配与测试大厅里进行电气/液压检查、TPS 砖面复查、VSU 工作曲线与液压污染度评估、ODU/DPO 喷管烧蚀与启停寿命核算。建筑本体是为复用而设计的大胃王,主大厅宽高都按整机开舱维护留足余量。

总装与联试:112 / 112A(MIK-RN & MZK)整箭的水平对接电气/液压/推进综合连试(ILC)Site 112 完成;旁边的 112A(MZK,俗称“80 号库”)是长期存放 1.02/OK-MT 等机体的仓库。这两座大楼最早为 N1 超重型火箭而建,后来转给 Energia-Buran 用,空间尺度和起重能力都溢出。

发射区:110/37(N1 改建台)与 250(UKSS 试车/发射合一)

  • 110/37:1988 年唯一一次入轨任务从这里起飞;两座相邻工位共享地下廊道与加注/指挥设施

  • 250(UKSS):为吸取 N1“无全箭静力/热试车”教训而建的试车/发射合一复合台,1987 年首飞(搭载“天顶/Polyus”)即在此进行。后来被规划改造为Bayterek/安加拉工位,但长期停滞。


本该统治世界的暴风雪和An225却生不逢时 在暴风雪中出生 却又被暴风雪压倒


---Saturn_shine---

参考资料:

https://www.russianspaceweb.com/baikonur_energia_112.html

https://www.buran-energia.com/bourane-buran/bourane-photos.php

https://www.buran-energia.com/bourane-buran/bourane-versvol-1erVol.php

https://www.buran-energia.com/

www.astronautix.com

https://space.skyrocket.de/directories/launcher.htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Buran_programme

https://en.wikipedia.org/wiki/Buran_(spacecraft)

https://en.wikipedia.org/wiki/Ptichka

https://en.wikipedia.org/wiki/2.01_(Buran-class_spacecraft)

https://en.wikipedia.org/wiki/2.02_(Buran-class_spacecraft)

https://en.wikipedia.org/wiki/2.03_(Buran-class_spacecraft)