新概念航空航天飞行器

1.7新概念航空航天飞行器1.7.1空天飞机空天飞机全称为航空航天飞机，它是指以吸气式发动机和火箭发动机组合推进系统作动力装置、能像飞机那样在跑道上起降、在大气层内高超声速飞行，又能单级入轨运行的可载人飞行器。空天飞机集飞机、运载器、航天器等多重功能于一身，既能在大气层内作高超声速飞行，又能进入轨道运行，将是21世纪控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。与航天飞机相比，空天飞机多了一个在大气层中航空的功能，它起飞时也不使用火箭助推器，而且完全可重复使用，理想的空天飞机还能像飞机那样，每次飞行之后，经过简单检修和加注燃料，能很快作下一次飞行。空天飞机的奥妙之处在于它的动力装置。这种动力装置既不同于飞机发动机，也不同于火箭发动机，这是一种混合配置的动力装置。空天飞机中安装有涡轮喷气发动机、冲压发动机和火箭发动机。涡轮喷气发动机可以使空天飞机水平起飞，当速度超过2400km/h时，就使用冲压发动机，使空天飞机在离地面60km的大气层内以3万km/h的速度飞行；如果再用火箭发动机加速，空天飞机就会冲出大气层，像航天飞机一样，直接进入轨道。返回大气层后，它又能像普通飞机一样在机场着陆，成为自由往返天地间的输送工具。空天飞机可以在一般的大型飞机场上起落。起飞时空气喷气发动机先工作，这样可以充分利用大气中的氧，节省大量的氧化剂。飞到高空后，空气喷气发动机熄火，火箭喷气发动机开始工作，燃烧自身携带的燃烧剂和氧化剂。降落时，两种发动机的工作顺序同起飞时相反。空天飞机飞行速度快。在大气层内的飞行马赫数可为12~25，是现代高技术作战飞机飞行速度的6~12倍。它可以在个把钟头内，把货物从欧洲运到澳洲。空天飞机在跑道起落，出入太空自由，可以像普通飞机一样在地面机场水平起飞升空，返回大气层后像普通飞机一样自由选择机场水平降落，可以像普通飞机一样在大气层内飞行，也可进入外层空间自由飞行或按一定的轨道运行。空天飞机的发射费用低。航天飞机的运输费用十分昂贵，运送1kg有效载荷到轨道的费用高达一万美元。而空天飞机的发射费用仅是航天飞机或一次性使用火箭的几十分之一。其维护简便，一个星期后就可再次起飞。空天飞机在军事上的应用包括：确保快速廉价地进入太空空天飞机与目前使用的一次性使用运载火箭、飞船和部分重复使用航天飞机相比，在重复使用性、发射操作费用、可维修性和周转时间、灵活机动性等方面都有革命性的改变。可作为空间武器发射平台在未来天战中，空天飞机可作为各种武器弹药，包括动能武器和高能激光武器、微波武器等的发射平台，对敌方陆、海、空、天重要目标进行攻击，对战争的胜负可起到至关重要的作用。反卫星空天飞机能利用自身的探测设备，发现敌方卫星，对其进行跟踪和干扰，使其失灵或将其摧毁；或将它“俘虏”，窃取它已获得的情报，或将它送入错误轨道，或干脆将其带回地面。可作为快速运输机空天飞机飞行速度极快，它从普通机场起飞，可在一小时之内快速达到全球任何地方，能对全球范围发生的地区冲突迅速作出反应，或对敌方发动突然袭击等。可作为战时空间预备指挥所空天飞机能像载人空间站那样在轨道长期停留，又配备了先进的指挥控制系统，一旦战时需要，可以直接承担起作战指挥控制任务。侦察监视与预警空天飞机可利用其携带的照相侦察、电子侦察等设备对陆、海、空、天目标进行侦察与监视，对导弹发射等进行预警。与各种侦察卫星相比，空天飞机具有更大的灵活机动性，综合侦察能力更强，实时性更好。实现空天飞机的技术难度比航天飞机更大，主要是三种动力装置的组合和切换，高强度、耐高温的材料（高速飞行时，其头锥温度可达2760℃、机翼前缘达1930℃、机身下也可达1260℃）和具有人工智能的控制系统等。这些都需要进行大量的课题研究和技术攻关。60年代初，就有人对空天飞机作过一些探索性试验，当时它被称为“跨大气层飞行器”。由于当时的技术、经济条件相差太远，且应用需求不明确，因而中途夭折；80年代中期，在美国的“阿尔法”号永久性空间站计划的刺激下，一些国家对发展载人航天事业的热情普遍高涨，积极参加“阿尔法”号空间站的建造。据估计，空间站建成后，为了开发和利用太空资源，向空间站运送人员、物资和器材等任务每年将达到数千次之多。这些任务如果用一次性运载火箭、载人飞船或航天飞机来完成，那么一年的运输费用将达到上百亿美元。为了寻求一种经济的天地往返运输系统，美、英、德、法、日等国纷纷推出了可重复使用的天地往返运输系统方案。1986年，美国提出研制代号为X-30的完全重复使用的单级水平起飞的“国家航空航天飞机”，其特点是采用组合式超声速燃烧冲压喷气发动机。英国提出了一种名叫“霍托尔”单级水平起降空天飞机，其特点是采用一种全新的空气液化循环发动机。90年代，他们又提出了一个技术风险小，开发费用低的新方案。德国则提出两级水平起降空天飞机“桑格尔”，第一级实际上相当于一架超声速运输机，第二级是以火箭发动机为动力的轨道飞行器。两级都能分别水平着陆。法国和日本也提出过自己的空天飞机设想。80年代末，这股空天飞机热达到高潮，也激起了中国航空航天专家的很大兴趣。发展空天飞机的主要目的是想降低空天之间的运输费用。其途径归纳起来主要有三条：一是充分利用大气层中的氧，以减少飞行器携带的氧化剂，从而减轻起飞重量；二是整个飞行器全部重复使用，除消耗推进剂外不抛弃任何部件；三是水平起飞，水平降落，简化起飞（发射）和降落（返回）所需的场地设施和操作程序，减少维修费用。但是，经过几年的研究分析，科学家们发现，过去的估计过于乐观。实际上，上述三条途径知易而行难。需要解决的关键技术难度决非短时间内能突破，这些关键技术有：新构思的吸气式发动机因为空天飞机的飞行范围为从大气层内到大气层外，速度从0到Ma=25，如此大的跨度和工作环境变化是目前现有的所有单一类型的发动机都不可能胜任的，从而也就使为空天飞机研制全新的发动机成为整个项目的关键。众所周知，喷气式发动机需要在大气层中吸入空气，无需携带氧化剂，但无法在大气层外工作，且实用速度较小；火箭发动机自带氧化剂，可以工作在大气层内外，使用速度范围较广，但携带的氧化剂较笨重，比冲小。目前设想的空天飞机的动力一般为采用超声速燃烧冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+火箭发动机的组合动力方式。但超燃冲压发动机的研制上存在相当多的技术问题，而多种发动机的组合方式又使结构变得过于复杂和不可靠。计算空气动力学分析航天飞机返回再入大气层的空气动力学问题，曾经耗费了科学家们多年的心血，做了约10万小时的风洞试验。空天飞机的空气动力学问题比航天飞机复杂得多。因为飞机速度变化大，马赫数从0变化到25；飞行高度变化大，从地面到几百公里高的外层空间；返回再入大气层时下行时间长，航天飞机只有十几分钟，空天飞机则为l～2小时。解决空气动力学问题的基本手段是风洞。目前，就连美国也不具备马赫数可以跨越这样大范围的试验风洞。即使有了风洞还需要作上百万小时的试验，那意味着就是昼夜不停地试验，也需要花费100多年的时间。于是，只能求助于计算机，用计算方法来解决，而对N-S方程的求解目前尚存在许多理论上和计算速度上的问题。发动机和机身一体化设计当空天飞机以6倍于声速以上的速度在大气层中飞行时，空气阻力将急剧上升，所以其外形必须高度流线化。亚声速飞机常采用的翼吊式发动机已不能使用，需要将发动机与机身合并，以构成高度流线化的整体外形。即让前机身容纳发动机吸入空气的进气道，让后机身容纳发动机排气的喷管，即“发动机与机身一体化”。在一体化设计中，昀复杂的是要使进气道与排气喷管的几何形状能随飞行速度的变化而变化，以便调节进气量，使发动机在低速时能产生额定推力，而在高速时又可降低耗油量，还要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能，以使它在返回再入大气层的过程中，能经受住高速气流和气动力热的作用，这样才不致发生明显变形，才可多次重复使用。防热结构与材料空天飞机需要多次出入大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热，特别是以高超声速返回再入大气层时，气动加热会使其表面达到极高的温度。因此，必须有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。空天飞机在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力、振动、空气动力等的作用，在返回再入阶段要经受颤振、抖振、起落架摆振等的作用。在这种情况下，防热系统既要保持良好的气动外形，又要能长期重复使用，维护方便，所以其技术难度是相当大的。目前的航天飞机，由于受气动加热的时间短，表面覆盖氧化硅防热瓦即可达到满意的防热效果，但对空天飞机则远远不够。如果单靠增加防热层厚度来解决问题，则将使重量大大增加，而且防热层还不能被烧坏，否则会影响重复使用。一个较简单的解决办法是在机头、机翼前缘等局部高温区，使用传热效率特别高的吸热管来吸热，以便把热量转移到温度较低的部位。更好的办法是采用主动式冷却防热系统，也就是把机体结构与防热系统一体化，即把机体结构设计成夹层式或管道式，让推进剂在夹层内或管道内流动，使它吸走空气对结构外表面摩擦所生成的热量。为了满足空天飞机的防热要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工艺制造纯度很高、质量很轻的耐高温合金。美国已研制出高速固化钛硼合金，它在高温下的强度可达到目前使用的钛合金在室温下的强度，这种合金适宜用来制造机身内层结构骨架。机头与机翼等温度昀高的部位，要求采用碳复合材料，这种复合材料表面有碳化硅涂层，重量轻，耐高温性能好。此外，还需要研究金属基复合材料，例如碳化硅纤维增强的钛复合材料等。这种材料应该兼有碳化硅的耐高温性能，又具有钛合金的高强度特性。空天飞机技术难度大，所需投资多，研制周期长，所以将来进入全尺寸样机研制，势必也会像空间站那样采取国际合作的方式。1.7.2临近空间飞行器临近空间一般指距海平面20～100km的区域。在该空间中能完成一定任务的飞行平台称临近空间飞行器。临近空间这一空域既不属于传统航天的范畴，也不属于传统航空的范畴。通常航空器在20km以下高度飞行，而卫星等航天器则在100km以上空间的轨道上运行。目前在20～100km临近空间的飞行器很少，主要是因为临近空间区域的大气密度很低，依靠空气动力飞行的飞行器需要有较高的飞行马赫数，而该空间中的氧气非常稀薄，传统的航空发动机很难使用，火箭发动机需要自带大量燃料；而对于卫星和飞船等太空飞行器来说，这一空间的空气密度又会产生很大阻力。临近空间的环境决定了该空间的主要飞行器可能有以下几种：浮空器、高速飞机（再入或者不再入）、新概念的临近空间飞行器（激光或者微波等动力）等。浮空器的主要概念临近空间浮空器主要依靠空气的浮力克服重力，依靠动力克服风阻，能在20km以上的临近空间范围内长时间地定点悬停或低速机动飞行，以太阳能转化成电能为主要能源，再生式燃料电池/燃料电池/充电电池为辅助能源，采用螺旋桨或者新型电晕离子推进器推进的无人飞行器。与天基和空基信息平台相比，这种浮空器能长时定点悬停的特点决定了该类信息平台的精度和时间持续性都有很大的优势。由于在临近空间区域内大气密度很低（30km时空气密度是海平面空气密度的约1/70），为了产生足够的浮力，浮空器体积庞大，这就给材料、结构和制造工艺等提出了很高要求。再入/不再入高速飞机的主要概念该类临近空间飞行器需要以较高的飞行马赫数飞行，这样才能产生足够的空气动力。该类飞行器的优点是在较短的时间内可以形成较大的覆盖范围。一般而言，该类飞行器主要用于空间的快速到达和武器投送，作为信息平台的意义还不是很大。新概念的临近空间飞行器目前，在临近空间的范围内没有太多的飞行平台的原因是1）该空间内对于航空器而言空气过于稀薄，飞行器必须高速飞行才能获得足够的升力，但由于稀薄空气中的氧气更加稀薄，因此，实际上没有合适的航空动力系统。使用自带氧化剂和燃料的航天发动机要付出很大的重量代价；2）对于轨道飞行器而言，临近空间内的大气又太稠密，必须有一定的动力推进系统克服飞行阻力。因此，可以看出，制约临近空间飞行器的主要问题还是动力和能源问题。太阳能的利用可以部分地解决这一问题，但是，目前的太阳能电池效率都不是很高（国内的刚性太阳能电池效率能达到17%左右，