未来的空天飞机发展趋势

未来的空天飞机发展趋势

随着航空航天技术的快速发展，宇宙已经成为未来战争的主要战场。世界各国纷纷发展航天技术,力争在太空战场中占有一席之地。航空和航天技术有机结合而产生的空天飞机成为一种新型的作战平台,美军“FALCON”计划就是这种平台的初步尝试。跨大气层空天飞机具有反应速度快,生存能力强,用途广泛,能对作战对象进行远程战略打击的优点成为夺取制天权武器的首选。目前,空天飞机虽然还处于探索研究阶段,但它将成为未来控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。一、空天飞机/空射机目前就其结构而言,空天飞机可分为两种类型,一种是单机型,即把航空发动机和航天发动机均装在一个飞行器里,其典型代表是美国国家空天飞机。另一种是双级型,即把航空发动机和航天发动机分别装在两个飞行器里,其典型代表是德国“桑格尔”空天飞机。双机型空天飞机类似于空射航天飞机,技术比单机简单,而且不需要极其复杂的综合推进系统,风险较低;在飞入轨道之前可以丢掉不必要的重量,与现代客机通用性较大。因此,预计这种类型较前推出。但由于单机空天飞机使用方便,是未来的发展趋势。空天飞机作为军事变革的先锋,就其作战运用而言,目前预计主要有空天轰炸机和空天侦察机两种类型。一种是可能在2025年或其后部署的空天轰炸机。预计它能在2小时以内飞行1.6万千米、携带约5.4吨炸弹或巡航导弹,从一方本土出发轰炸全球任何一个地方的敌对目标。另一种是空天侦察或反侦察机,它能够在太空攻击敌方卫星及其他航天飞行器、维修本国卫星,或者把无人驾驶侦察机投放到敌方领空。二、空天飞机的特点1、先进的发动机和集成系统(1)可以重复使用。未来的空天飞机与今天靠一次性使用的运载火箭助推发射的航天飞机不一样,它是可以重复使用的,这就大大降低了使用成本。其与普通轰炸机一样,都需要多次的试飞,以提高飞行的安全性。(2)高超音速巡航能力。空天飞机是飞入大气层外的近地轨道之后,以10倍超音速飞行,然后到达目标上空进行轰炸的。它采用的是独特的超音速燃烧冲压喷气(SCRAMJET)发动机,且发动机与机身一体化。这些措施都极大地提升了轰炸机的速度。(3)先进的结构设计。摈弃了传统的冷结构设计,采用防热结构与主体结构一体化的热结构设计,部分的高温区还可采用主动冷却技术。采用热结构不仅减轻了机体重量,而且提高了热防护系统的可靠性和耐久性。(4)水平起降。未来的空天飞机可以在普通飞机跑道上起降,大大降低地勤服务。另外,水平起飞还可以利用空气的升力而不是单靠火箭的推力,这样可以大量节省燃料的消耗。而且,起飞后即使发现故障,立马可以返回修理,提高了安全性。(5)吸气式的发动机。未来空天飞机应采用吸气发动机,吸气概念可以提高发动机的使用性能和运载有效载荷能力,减轻了飞机的重量。2、空天飞机的特点(1)反应速度快,作战更易达到突然性。空天飞机可以从一方本土起飞后两个小时内就可抵达地球上任何一个地方遂行作战任务。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。因而,未来作战中使空袭将变得更加突然,空中远程奔袭运用更为明显。(2)作战用途广泛。空天飞机不仅可用作全球打击和空间激光反弹道导弹的平台,而且还可用作部署空间卫星和在全球范围内快速运送军事物资和人员的平台。(3)使用灵活性强。由于航天飞机在大气层外飞行,航程又远,在目前国际社会对空间的界定尚未确定的情况下,对敌方目标实施全球打击时,不存在侵犯别国领空的问题,这样可避免向有关国家申请过境飞行和要求提供前沿基地等麻烦事,从而提高空军的战略反应能力。(4)生存能力强。空天飞机将能在任何防空火力范围之外飞行,最大地减少伤亡,符合各国都崇尚的“零伤亡”的思想;同时可以给另一方的国民造成巨大的心理压力。(5)空战和太空战融于一体。空天飞机具有航空与航天的双重功能和在两个空间层次作战的能力,必将成为沟通空中与太空战场、将空中斗争与太空斗争融为一体的新型高技术装备。它装备有各种先进太空武器以及大气层内远距离攻击武器,可根据作战需要,寻找并击毁外层空间的军用卫星、空间站等太空目标及大气层内的各种航空器。(6)机动能力强,易发射。空天飞机能将航天器送上任何轨道,并可以向任何方向发射,发射时机亦不受轨道要求的限制;在从轨道返回时,可进行横向和纵向的广泛机动。同时,它可以像普通飞机一样在大气层内飞行,也可进入外层空间,对敌方卫星或其他太空武器进行跟踪和干扰,使其失灵或将其摧毁;或将其捕获,窃取其已获得的情报;或将其送入错误轨道;或将其带回地面。(7)增强情报信息的时效性。空天飞机可利用携带的照相侦察、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,它既可以像军用卫星一样在太空轨道运行的过程中获取敌方情报信息资料,也可脱离轨道反复在目标区的外层空间飞行,随时掌握作战地区敌情变化,综合各种侦察信息,提供更及时、更准确地战场信息。三、年—空天飞机的现状及发展空天飞机设想于20世纪30年代,但由于技术、经济条件的限制,空天飞机的发展缓慢。直到20世纪80年代初,美苏争夺太空的竞争愈演愈烈。在1986年2月5日,美国总统在国情咨文讲话中,把航空航天飞机称为新的“东方快车”,曾计划在20世纪末投入使用。苏联(俄国)也针锋相对地提出了“螺旋”计划、“布拉风”试验机计划和“暴风雪”号航天飞机等一系列的空天飞机研制计划。此后,英国提出代号为“霍托尔”(HOTOL)空天飞机计划。与此同时,德国提出代号为“桑格尔”的空天飞机计划。20世纪80年代兴起的空天飞机计划(NASP)是以解决天地往返运输、军用跨大气层飞行器和民用高超音运输机为背景的。美国进行了三种方案的研究工作。一是单级入轨空天飞机;二是以火箭为动力的单级入轨机;三是第二级为火箭动力的两级入轨空天飞机。第一种是远期目标。第二种为麦道提出的三角快帆,这种充分利用了火箭技术的成就的航天运载器预计运载成本可降到1100美元/千克。第三种是由波音提出的两级入轨方案,这种方案充分利用了美国NASP研究中已取得的成绩,并为其服务。NASP计划的原定目标是通过研制可在地球低轨道飞行、像正常飞机一样在跑道上起降的高超音速技术试验机X—30,掌握发展空天飞机的主要技术,然后研制高超音速军用机、民用机和天地往返运载机。飞行速度将达到M5—25。所选定的X—30机体是小机翼、双安定面和双人机组舱,飞机的机身长50~65米。起飞总重约为113—136吨。推进系统将采用3—5台超燃冲压发动机和一台推力为222.5—311.5KN的火箭发动机。X—30将像普通飞机一样起飞和进行有动力的着陆。冷战结束,美国的国防预算大幅度地缩减,又由于缺少在高马赫下的实验数据,而无法进行昂贵的全尺寸设计。取而代之的是以实施一个6年期的技术上“风险缩减”的计划。此计划主要是进行高超音速的研究,这期间曾打算使用冷战结束后变得多余的军用火箭助推器,进行高超声速飞行试验(HYFLITE)。目的是利用这些飞行器探索高马赫数的喷气发动机和超声速冲压喷气发动机的性能。尽管如此,但美国空军仍关注X-系列空天飞机的发展,并给NASA注入资金,例如,X-37空天飞机就从空军得到资金1600万美元。而且,X-33也给美国空军构造了建立亚轨道天军的蓝图。X-33系列飞机因流线型阻力小而倍受美空军的青睐,而且X-33在1999年的多次实验中进展顺利,进行了一系列亚轨道跳跃、飞机入轨和着陆的试验。但在2000年压力试验中由于装有液态氢燃料的复合材料层外壳破裂,NASA暂停X-33计划。美国空军雄心勃勃,计划要在太空战斗和机动飞行器方面取得明显进展。太空飞行器将是能够发射低轨道单节轨道飞行器或使用第二级将有效载荷送到中介轨道或者更高的轨道。太空战略飞行器将是能重复使用的发射器,能进入太空执行任务。早在20世纪60年代初期,苏联米高扬设计局就提出了两级有翼的可重复使用的空天飞机设想。由于苏联领导人认为时间太长和经费过多而于1969年终止了这项计划。但“螺旋”计划、“布拉风”试验机计划和“暴风雪”号航天飞机升空都为设计者积累了丰富的经验。1993年9月初,莫斯利航空航天部门举办了一次展览以及朱可夫斯基沙龙会议。在这次展览会上,俄国提出的“国际重复使用的空天运输系统”是一个很灵活的、具有多种功能的两级入轨方案,可用于生态问题、空间供应和紧急救援等,运输量范围广(1~18吨,)。该方案的核心是使用安—225重型载机。典型参数为:第—级起飞重量620吨,分离向度10千米,M0.8。第二级带外油箱275吨,负载6.6吨,倾角为,高度为400千米轨道。俄同时还在研制更重型的MAKS型系统,其运载能力可达18吨。该系统第二级有三种变体,即MARKS-OS、MARKS-T和MARKS-M,即载人型、一次性使用型和无人货运型。英国是研究空天飞机起步比较早的国家。美国、前苏联、法国、日本都有一个航天飞机的发展阶段,然而英国一开始就提出了水平起降单级入轨的“霍托尔”(HO-TOL)空天飞机方案,因而引人注目。20世纪80年代初,英国政府和工业界各投资一半开展为期两年的概念验证计划,确认“霍托尔”方案的可行性。但在“霍托尔”的核心技术“吸气式秘密发动机”取得了重大突破时,英国政府因无法筹集50亿英镑的经费,该计划被迫搁浅,目前只有6人坚守“阵地”。“霍托尔”空天飞机设计出发点就很注重航天运输系统的经济性,其要求载人和载货分开,而且载货采用无人驾驶。每次起飞需要人力为250人。德国在火箭技术发展上曾经处于领先地位。但由于二次世界大战的影响,德国不得不在长期内放弃了发展空天飞机的计划。直到20世纪80年代中期,德国才提出了名为“桑格尔”的空天飞机方案。方案的基本设想是第一级为载机,可以在普通跑道起飞,驮着轨道飞行器飞至25千米的高度,速度达M6~7。载机是一架装有航空发动机的高超音速运输机。第二级即轨道飞行器利用火箭发动机继续上升加速直到进入轨道,轨道飞行器分为载入和载货两种。“桑格尔”空天飞机的总体已经多次优化修改目前,此方案采用两级背负式,水平起飞和降落。任何阶段都可安全返回,轨道463千米463千米,28.5,也可转入同步轨道。第一级长86.43米,负载115吨,5台可变入口、喷管喉道,涡轮冲压双模式发动机,模式转换在M3.3~3.8之间。每台推力1300千牛(M1.2)。液氢用量134吨,2人驾驶,总重(含第二级)435吨,分离高度35千米,M6.6。第二级长32.45米,负荷7吨,一台火箭发动机,推力1500千牛,液氢液氧83吨,重115吨,无人或5人驾驶。由于研究经费的巨大,德国目前也在寻求国际合作伙伴。日本由于经济实力的增长,在空间领域表现出很大的兴趣,并积极投入巨大的财力和人力进行研究。进入20世纪80年代之后,日本把航空航天工业定为国家发展战略的重点。到1990年底,日本已成功地发射了多个航天飞行器。1990年3月又成功地发射了“缪斯A”月球卫星,标志着日本的航天技术水平进入了世界先进行列。日本国家宇航实验室(NAL)制定的宇宙飞机研究与发展计划旨在定义概念“宇宙飞机系统”和发展相关的高超声速技术基础。日本空天飞机是单级人轨、水平起降的方案,某些设计思想类似英国的“霍托尔”。除了远期的单级入轨方案外,还提出了一个近期两级入轨方案。其共同点在于使用LACE(液化空气循环发动机)作为低速段的推动方案。四、falcon,新的地面辅助手段空天飞机对于夺取制天权是必不可少的,而且超音速在5-10年就会更新一次。目前高音速正处