苏维埃黑科技——多用途空天运载系统 MAKS
苏维埃黑科技——多用途空天运载系统 MAKS
前排提醒：这篇文章在提及苏（俄）的装备型号时，将会转写为俄语对应的拉丁字母。如：РД → RD、МАКС → MAKS
苏维埃只有暴力美学？
提起苏联的航天科技，你会想起什么？
是“毒王”格鲁什科和他的 RD-270（以及它的超级加倍 RD-270M）？
还是捆绑大师切罗梅的 UR-700？
又或者是四射四炸的煤气灶 N1？
实际上，苏联还曾经在航天飞机的路上进行过深入的探索。
另类的航天飞机们
上上期的推送中，我们以美国的 STS 和苏联的能源-暴风雪（）为例讲解了航天飞机的结构和用途。然而航天飞机并不只有侧挂式，也有直接顶在头上的（如波音的 X-20 Dyna-Soar 和中国 863 计划中论证的 5 种载人方案中的 3, 4 两种）、包在整流罩内部和常规载荷一样发射（如波音 X-37B 和 █████）。实际上，除了上面所说的这几种 VTHL（Verticle-takeoff, horizontal-landing，垂直起飞水平降落） 的航天飞机之外，还有一类被称为 HTHL（Horizontal-takeoff, horizontal-landing，水平起降）的航天飞机。这种航天飞机按照结构的不同可以分为整体入轨回收的 SSTO（single-stage to orbit，单级入轨）、TSTO（two-stage to orbit，两级入轨）和其他类型的航天飞机。其中，SSTO 的方案有英国的 Skylon（今年 11 月为她提供引擎的 Reaction Engines 破产）、美国 Lockheed-Martin 的 X-33 Venture Star（2001 年 NASA 停止投资）；TSTO 则有德国的 Sänger II（ppt）、中国的腾云工程（正在推进，计划 2030-2035 首飞）。其中，使用吸气式引擎的 HTHL 航天飞机也被称作空天飞机（Aerospaceplane）。
前世：流产的“螺旋”
实际上，早在 50 年代末 60 年代初，苏联就在米高扬的 OKB-155 设计局开始了“空中-轨道飞机”（воздушно-орбитального самолета，现在一般称为空天运载系统）的论证和研制工作，也就是“螺旋”（Спираль）空天飞机。它是一台 TSTO，由一级的高超声速飞机-助推器（гиперзвукового самолета-разгонщика）和二级的由火箭发动机驱动的军用轨道飞机（военного орбитального самолета）。她将会在地面牵引车的辅助下在 380-400 km/h 的速度时水平起飞离地，在 28-30km 的高度由母机加速到所需速度（约 6 马赫）后分离子机，子机通过自身携带的火箭助推器进入近地轨道。
值得注意的是，“螺旋”的子机采用的推进剂组合是液氢 / 液氟，这对发动机和贮箱的设计水平提出了极高的要求。
说句闲话：苏联的格鲁什科在六七十年代曾经设计过一系列使用液态氟作为氧化剂的补燃发动机（RD-301/302/303 为氟/氨, RD-350 为氟/氢），计划用作质子 K 的高能第四级发动机使用。同时他还设计了使用戊硼烷作为燃料的 RD-502（H2O2 作氧化剂）和 RD-270M（N2O4 做氧化剂，全流量）和以液氧为氧化剂、30% 铍/戊硼烷混合物溶在 70% 肼当中的溶液作为燃料的 RD-550. 因此“毒王”实至名归。
很显然这样的设计远远超过了当时工程实现能力的极限（即使放在现在也是非常困难的设计）。因此“螺旋”计划从开始就没有得到苏联政府的正式批准和支持以完成全部开发，在 1976 年苏联决定开发美国 STS 的类似物（后来成为能源-暴风雪计划）两年之后的 1978 年，苏联政府否决了这个项目。
今生：依然流产的 MAKS
然而项目取消不代表成果消失。在“螺旋”项目中多次实验积累的无人亚轨道返回经验，不仅帮助她的后辈暴风雪号实现了无人入轨、再入和返回，也累积到了其它的项目上。
1988 年，闪电科研生产联合体（Научно-производственное объединение Молния，或 NPO Molniya）为了降低航天的发射成本，决定再次启动 TSTO 相关项目的研究，也就是 МАКС（Многоцелевая авиационно-космическая система，多用途空天运载系统，或转写为 MAKS）。
闪电吸取了“螺旋”计划的失败经验，解决（或绕开）了“螺旋”当时难以越过的两个巨大的技术障碍：
- 对于“螺旋”对母机要求极高的问题，MAKS 的选择是：投降投降喵~ 这是由于 TSTO 母机的作用有一部分是带子机离开地球底层浓厚的大气，从而使子机上的发动机的效率提升，或是只需携带真空优化版本的发动机。即使母机没有额外给予子机一个较大的分离速度，子机也可以通过增加燃料的方式弥补。
- 对于子机的发动机，由于需要保证子机总重不太大（否则母机抬不动），其发动机需要优先做到较高的比冲（即燃料消耗的效率）而非推力（当然推力不能过低，否则就必须在加速过程中把机头抬起一个角度从而损失了部分运力）。MAKS 则另辟蹊径，抛弃了“螺旋”的氢氟燃料体系，转而选择采用煤油-液氢-液氧的三组元推进剂组合，在大气和真空中分别采用不同的燃料配比，从而达到一个较高的比冲和可接受的推力。
实际上，MAKS 方案是由闪电之前提出的 ASS-49、BIZAN 等方案改进而来。这两个在提出时苏联最大的运输机 An-124 并不能满足需求；而在 An-225 研制成功后，前两个方案就显得有些保守了。
MAKS 由两级（子机和母机）构成，起飞总重约 620t ~ 630t. 其中，一级为当时已经研发成功的 An-225 Mriya（最大起飞重量 640t）；二级通过连接件固定在 An-225 的背部，总重 275t，装载一台 RD-701 双室三组元补燃循环火箭发动机. 其中二级有三种改型：MAKS-OS、MAKS-T 和 MAKS-M，分别对应基础版（一次性燃料箱 + 可复用轨道飞机）、货运版（一次性，类似传统火箭的整流罩）和最终展望的无人版本（整合了燃料箱的完全可复用飞机）。当然，也有二级仅使用一台液氧煤油补燃机的 MAKS-D 作为亚轨道载具的方案（类似我国的 CZ-1D），可用作高空高速发动机的实验平台，也可以用于发射一些微型载荷。
（可以注意到这里基本型的 OS（俄语 OC）正好是“轨道飞机”орбитального самолета 的缩写）
An-225：安东诺夫的“梦想”
An-225，安东诺夫设计局在苏维埃联盟最后的梦想，世界曾经最大的运输机，别名 Mriya “梦想”。
其动力系统采用 6 台（一边 3 台）进步 D-18T（Ivchenko Progress D-18T）涡扇发动机，每台推力约 230kN。
翼展 88.4m，机翼面积 905m2，最大起飞重量 640t，空重 285t.
最大速度 460 节（236m/s），巡航速度 430 节（221m/s），实用升限 36000 英尺（11km）。
背部设有两个挂载点用于挂载放不进货仓的载荷，而尾部的 H 型尾翼则保证了垂直控制面不会因气流被载荷遮挡而失去控制力，同时还恰好能够避开二级点火时喷射出的羽流。
An-225 不仅能为上面级提供一个初始高度以避免底层大气对发动机性能的损失和一些额外的速度，也能将其运输到一个合适的发射位置，减小了苏联本身纬度过高导致的“倾角盲区”（在一个地点发射入轨的载荷，轨道和赤道面的夹角不能超过发射点的纬度），具有一定的机动性。
在计划中的飞行流程中，An-225 将会背负上面级从一个合适的机场起飞，通过大气内飞行到达需要的发射地点（主要是考虑纬度和落区）。如果要发射到赤道平面（即倾角为 的近地轨道），An-225 则需要经过一次空中加油。然后，An-225 携带整个二级爬升所需高度处点火并分离二级，然后母机返场、子机自行进入轨道。具体而言，母机将会在 9km 处进行一个分离前的机动，接着是一个小小的俯冲，最后拉起机头、点燃二级的一台 RD-701，最后在一个合适的角度释放整个二级，随后返场降落，维护检修。
二级：难以高飞的愿望
根据改型不同，二级有三种形态。不过它们的共同点之一就是动力系统均采用一台 RD-701 三组元补燃发动机，这也是格鲁什科的杰作。
RD-701
常见的火箭发动机一般都使用两种物质作为推进剂（即称为“双组元”）：一个作还原剂、一个作氧化剂，将它们在燃烧室发生剧烈反应放出的能量转换为箭体自身（和向后喷出的燃烧产物）的动能。当然也有单组元的发动机，不过出于对安全性和性能的考虑一般不使用单组元发动机作为航天推进系统的主动力，而是将其作为小型上面级或更小的姿控发动机使用。
然而 RD-701 则不同于上面两者，她使用三种推进剂：液氧作为氧化剂，煤油和液氢作为还原剂。同时，由于在点火时 An-225 已经背着她离开了贴近地面的高气压区，RD-701 使用了适用于真空的大喷管（膨胀比）。请注意，虽然使用了两个喷管，RD-701 本质上是一台发动机（两个喷管和燃烧室共用一套液压摇摆系统），在计划中后续将会有单室优化版 RD-704. 它的每个燃烧室拥有两个预燃室（因此总共有四个预燃室），分别用于驱动煤油泵和液氢、液氧泵。两个预燃室均在富氧模式下工作。
她不仅推进剂组合不同于传统的火箭发动机，工作模式也不同。她总共有两种工作模式，分别对应不同的飞行阶段：
- 模式 I：以液氧为氧化剂、煤油和液氢混合作为还原剂进行燃烧，用于在刚起飞脱离母机、空气还比较稠密的低层大气中飞行。燃料中煤油和液氢的混合比例会被调整至使得密度比冲尽量大（煤油和液氢的质量流量比约为 2.5:1），从而减小燃料箱总体的体积与干重，同时这样的燃料组合也保证了其在低层大气中发动机足够的推力。这个模式的设计比冲为 330s（海平面）和 415s（真空），设计推力为约 3176kN（海平面）和 4003kN（真空）。此时，每个燃烧室的两个预燃室中均输入少量煤油和全部的液氧进行燃烧，产生的富氧排气则引入燃烧室和剩余煤油以及液氢进行真正的燃烧（即补燃循环），燃烧室压力在 30MPa.
手动 @YF-115 - 模式 II：以液氧为氧化剂、液氢为还原剂进行燃烧。此时驱动煤油泵的预燃室将会关闭，同时驱动液氢、液氧泵的预燃室中将会燃烧一部分液氢（同样是富氧燃烧）。同时，燃烧室中将会通入少量煤油以保证燃烧效率。此时推力降至 1588kN（真空），室压也下降到 15MPa，但比冲提升至 460s（真空）。此时上面级已经进入空气稀薄的高层大气，因此不需要太大的推力即可保证轨道不会掉回大气层。
由于 RD-701 在模式 I 下工作时大概率会采用液氢作为冷却喷管的介质（因为液氢的吸热效果比煤油好），此时并不会有煤油不完全燃烧时产生的碳颗粒。而煤油机经典的黄色火焰是由于不完全燃烧的碳颗粒（可能产自煤油液膜隔热冷却喷管的时候）在空气中二次燃烧或由于高温产生的黑体辐射导致的，因此 RD-701 在模式 I 下的尾焰很可能是透明或氢氧燃烧的蓝色。
这里需要说明的是：一些资料可能会将 RD-701 的两个燃烧室和喷管看做两台发动机（因为两个燃烧室都有自己独立的一套预燃室和泵系统）。但是这里我们将其看作一台完整的发动机，因为两个燃烧室仍然有共用的 TVC，个人认为不能算是两套独立的系统。
在下面的讨论中，如无特殊说明，运力的目标轨道都是高度 200km、倾角 的近地轨道。
MAKS-OS
这就是 MAKS 的基本型了。网络上提到 MAKS 时，基本指的就是这个基本的“燃料罐 + 飞机”的组合。
其中，燃料箱分成前中后三段，分别储存液氢、液氧、煤油三种推进剂。箱体尾端和飞机通过三个紧固件进行连接，并使用火工品进行分离（即爆炸螺栓）。飞机的布局采用在“螺旋”计划中经过充分试验的升力体布局，配备可动副翼、方向舵和襟翼进行大气层内的飞行控制。
飞机上设有轨道机动系统（OMS），包含两个较大的液体引擎和三套姿控系统（RCS，分别分布在飞机的头部、左侧和右侧）。其中，两个液体引擎的推力为约 30kN，主要用于工作时的变轨和返回时的刹车。RCS 则包含 28 个小发动机（推力为 25N 或 440N），使用无污染的双氧水 / 煤油作为燃料。在接近轨道速度（超过 7km/s）时，飞机和贮箱分离，依靠 OMS 进行最后的圆轨。
入轨前抛弃的外挂贮箱、尾部两台 OMS，是否让你想起了一位故人？没错，美国的 STS 也是类似的结构。不过 STS 的 OMS 使用的推进剂组合是 MMH/NTO，即以一甲基肼为燃料、四氧化二氮为氧化剂的常温燃料组合。它们在便于引燃点火产生推力的同时也造成了加注、清理时的困难。同时，STS 的“大橙罐”的外形和 MAKS-OS 燃料罐不同。
总的来说，MAKS-OS 的小飞机由机头座舱、中部载荷舱（Payload Bay，PLB）、尾部的推进系统和机翼等气动系统构成。其中机头座舱根据任务不同（有人 / 无人）可以选择加压或不加压；不加压的载荷舱则配备了类似 STS / 暴风雪的可打开的舱门，在进入轨道后舱门将保持打开。上行和下行载荷均放置在载荷舱内部。这张图中可以看到尾部的主发动机 RD-701 和 OMS 发动机（布置在 RD-701 的上方）。
当然，MAKS-OS 上面级中的飞机也针对不同的任务衍生出四种子型号，其中两种子型号（TMS-1/2）是为了维护空间站而设置的，称为“运输维护服务”（Transport Maintenance Service）。
- 载人基本型：机头处为一个加压座舱，可容纳 2 名乘员；上行运力 8.3t（赤道平面 9.8t），下行运力 4.8t.
MAKS-OS 载人基本型 - 无人型：机头也不加压，延长了载荷舱内部的长度并提升上行运力至 9.3t（赤道平面 11t）。
MAKS-OS 无人型 - TMS-1：用于向空间站运送乘员和其它载荷。在原有载荷舱前部加装一个对接口，中部加装一个加压模块，总共可容纳 2+4=6 名成员。运力 3.6t（400km 高度、 倾角的空间站轨道）。
MAKS-OS TMS-1 - TMS-2：用于向空间站运送补给（类似我国的天舟）和外设等。和基本型相比加装了一个对接口。
MAKS-OS TMS-2
MAKS-T
当然，如果有更大的运力需求，MAKS 也有一个全抛的版本。
这个版本的一大特点就是取消了飞机的设计，转而采用和传统火箭类似的整流罩包裹上行载荷。在放弃了下行的情况下，MAKS-T 的运力达到 18t（赤道 200km 运力 19.5t），以及约 4.8t 的地球静止轨道运力。实际上 MAKS-T 更接近于现在所说的“空射火箭”（如当年的飞马座和 23 年倒闭的 Virgin Orbit 公司）。
MAKS-M
这一个子型号据说是闪电设计局对 MAKS 计划的最终版本。
这个版本的子机将前两个子型号的外置一次性燃料箱融合进了二级的机身，从而做到真正意义上的全回收。MAKS-M 作为一个无人版本，其货仓位于燃料箱的中部。入轨的轨道器总质量约 38t，载荷 5.5t（赤道 7t），下行运力 7t.
然而 MAKS-M 在当时的条件下仍然要面对各种各样的技术问题：可复用的碳纤维贮箱材料、共底贮箱制造、可复用的低温燃料保温材料或工艺等等。
根据 MAKS 的各个子型号的技术难度，我们可以预见：如果闪电科研生产联合体能够继续推进 MAKS 项目的话，子型号的研发顺序应当是 MAKS-T → MAKS-OS → MAKS-M.
根据规划，MAKS-OS 和 MAKS-T（以及后序可能的改型 MAKS-M）能够执行很多种类的任务（因此被称为“多用途”）和优点：
- 更低成本的上下行运力：据估计能够降至约 1000 US$/kg；
- 任意轨道物体的紧急乘员救援和维护：An-225 可以使二级在几乎任意地点出发，有着很强的机动性，对时间窗口的要求并不像传统火箭那样一来发射场位置；
- 异形组件的运送和安装：与美国 STS 类似，MAKS 可以将类似桁架等无法放入整流罩的异形物件装入货仓中送入近地轨道；
- 更小的污染：使用的煤油、液氧等推进剂都是无毒的；火箭发动机点火时离地较远，噪声小等。
- 高效的周转和维护、较大的下行运力、无需借用他国发射场（如苏联解体后租用的哈萨克斯坦拜科努尔发射场）等等。
当然，除了这些贴近实际的计划，闪电还提出了使用安装 8 台“进步” D-18T 的 An-325 作为母机的 MAKS 升级计划 MAKS-OS-P，甚至是双体 An-225 作为母机的 Tupolev AKS.
如果它们能实现的话，对于世纪之交的国际航天市场一定是一个巨大的冲击，甚至能决定新世纪各国航天发展的方向……
陨落：凋零的秋日昙花
可惜历史没有如果。
1991 年落下的红旗，压倒了这个曾经横亘亚欧的巨人，数不胜数的项目也随着它的陨落中道崩殂。幸运的是，MAKS 并没有就消亡——至少目前没有。
苏联解体后，由于位于乌克兰境内的安东诺夫设计局和仍在俄罗斯境内的闪电科研生产联合体一夜之间从国内合作变成了国际合作，MAKS 项目已经难以像以前那样直接使用 An-225 作为母机；同时，由于没有了政府的拨款支持，闪电需要自己筹措 MAKS 所需的科研经费，MAKS 项目几近停滞。
90 年代初期，在解体后的震荡中，An-225 由于缺少应用场景而被弃置于飞机坟场、失去维护，逐渐变成一架空壳，据传甚至发动机也被拆卸挪作他用。即使安东诺夫已经和闪电达成关于使用 An-225 的初步协议，乌克兰却仍然在秘密开发自己的基于 An-225 的空射火箭计划——Svityaz，因此这个协议也很可能只是废纸一张。
最终，在内外交困之下，MAKS 项目结束了。