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中国发展空天飞机有哪些难点

发布时间2015-11-01 22:15:22  原作者:   点击数:
   中国航天某重点型号飞行器圆满完成高速自主进场着陆飞行试验,突破了高速自主进场着陆的核心关键技术。外媒称,这代表中国已在跨大气层飞行器方面取得重大进展。

   空天飞机是使用范围更广的跨大气层飞行器

空天飞机是跨大气层飞行器中的一种,能够快速在地面、平流层、临近空间以及近地轨道之间穿梭,携带有效载荷执行空天任务。其起飞方式与普通飞机一样,能从机场跑道水平起飞,通过组合动力或者多级形式快速进入临近空间,并以12至25马赫的速度在30公里至100公里高度上进行高超音速飞行。跨大气层飞行器不仅可自由往返于大气层内外,而且还能重复使用。

跨大气层飞行器可在临近空间进行巡航机动

跨大气层飞行器的飞行空域非常广,至少可以抵达临近空间,也就是亚轨道,按照NASA的定义,飞行高度超过80公里的飞行员可称为宇航员,而飞行高度在80至100公里以上的飞行器则可被称为航天器。这个高度也是电离层所覆盖的区域,其空气密度非常低,传统的航空器最大飞行高度被限定在40公里左右,超出这个高度后空气动力效应基本不起作用,因此40公里至100公里的高度被认为是连接大气层和外太空的临近空间,这也是现阶段跨大气层飞行器进行巡航机动飞行的主要高度。

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跨大气层飞行器气动设计是一大难点

跨大气层飞行器可在30公里高度上,以至少8马赫的速度进行高超音速巡航。其必须具有适合进行长时间、高空高速飞行的气动外形,尤其还要兼具水平起降和大气层内的飞行能力。跨大气层飞行器也具有传统的航空飞行器特点。在大部分的飞行包线内,跨大气层飞行器可进行高超音速飞行。在飞行过程中会产生各种极端的气动现象,如高温扰动、薄激波以及熵边界层等,这些气动现象很大程度上影响着跨大气层飞行器的飞行品质。其中特别是熵边界层是一种强漩涡区域,形成的漩涡干扰非常明显,对斜激波可产生较大的诱导速度和热力学梯度,会使高超音速飞行器的气动设计变得复杂。

由于跨大气层飞行器与普通的航空器不同,飞行高度和速度存在巨大的变化,隔热结构和机身材料上需要特别讲究,高超音速的飞行过程中气动加热是十分明显的,头锥和机翼前缘温度可达到1400摄氏度以上,其耐热材料需要具备较高的导热率,碳复合材料所使用的比例还会更高。

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组合循环动力是首选方案

跨大气层飞行器在动力组成上也颇为讲究,目前世界上任何一种单一类型的发动机都难以胜任,因此组合循环动力是首选方案。涡轮基组合循环动力与火箭发动机组合可以覆盖0至100公里以上的高度,在0至6马赫的速度段使用涡轮基组合循环,在6至25马赫飞行速度时使用超燃动力,在100公里左右的高度上通过火箭双模态冲压动力进行衔接,这是跨大气层飞行器的理想动力。

跨大气层飞行器会依靠大型载机发射起飞

基于两级入轨模式的跨大气层飞行器可以依靠大型载机平台实现从传统的机场起飞,自身则使用火箭动力。目前在研的跨大气层飞行器可能会采用这种起飞模式,即由载机携带在一定的高度上释放发射,该方案应用于航天运输系统的时间并不长,可以大幅简化对助推级的性能要求,还能满足空天飞机从传统机场起飞的要求。此外给予跨大气层飞行器一定的势能和动能,减少后者的推进剂携带量。如果从更深层考虑,此类跨大气层飞行器的尾喷管不需顾及海平面至准真空环境的变化,有利于提高发动机的比冲,可在其飞行包线内的任意一个高度和速度上进行发射。

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X-15开启跨大气层飞行器研究

跨大气层飞行器的研究可以追溯到上个世纪60年代,由B-52载机携带释放的X-15验证机飞行高度达到了108公里,飞行速度超过了6.7马赫,其机身表面覆盖的为合金涂料可抗1200摄氏度的高温。X-15的早期飞行方案使用两台XLR-11火箭发动机,后改为使用XLR-99火箭发动机,并在机翼下方增加了两个液态氧燃料罐,可以增加60秒的飞行时间。还有一种由B-52载机携带的跨大气层飞行器为X-24,其使用了升力体结构,此类气动没有典型的主翼结构,采用了钝头的锥形体,使用升力体气动不仅能承受住再入时的气动加热,也可以像航空器那样在大气层内进行滑翔。

X-30空天飞机方案过于科幻被取消

当然目前所谓的跨大气层飞行器并不能真正实现覆盖海平面至近地轨道的高度,但是历史上却有类似的方案存在,美国在1986年提出的X-30国家空天飞机计划被认为是一个标杆性的设计,单级入轨、水平起降,如果说空天飞机和航天飞机有何不同,那么在发射方式上就是一个最大的不同,空天飞机可以水平起飞,航天飞机则需要通过火箭进入轨道,航天飞机作为美国第一代两级入轨的可重复使用运载器,当然使用了可重复使用技术,但还远没有达到100次以上的可重复使用目标。

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X-34可验证跨大气层飞行器的关键技术

轨道科学公司在1995年研制的X-34则是另一种符合当前技术现状的跨大气层飞行器,其目的是建立单级入轨完全可重复使用运载器的技术规范,X-34计划中所使用到的翼身组合气动、热防护系统、自动着陆等都是验证跨大气层飞行器的关键技术,在1999年至2000年之间,X-34进行了自动着陆系统、风洞测试、载机携带等论证,对机身结构、复合材料低温存储箱、热防护系统等关键子系统进行了测试。X-34的发射方案也具有极强的借鉴意义,其由L1011载机在1.1万米高度上释放,投放速度在0.7马赫,只到安全距离确认后解锁X-34上的舵面,发动机点火后开始加速爬升,全程最大飞行速度可以达到8马赫,最后自动着陆。然而,X-34计划于2001年被取消,2架原型机一直存储于NASA 德莱顿飞行研究中心。2010年11月曾流传出NASA计划重启X-34计划的消息,但后来一直未见下文。

这些项目为人们呈现出跨大气层飞行器的基本情况,比如载机携带、升力体结构、飞行高度在临近空间、飞行速度在6至8马赫以上,执行完任务后可返回机场自动着陆。这些技术要求可建立在现有的航空航天技术上,不像X-30国家空天飞机计划那样显得过于科幻。

跨大气层飞行器还能用于太空反导

跨大气层飞行器的作战特点是反应速度快,从普通机场起飞后迅速进入临近空间进行高超音速飞行,具备快速介入和脱离战区的能力,能大幅提升未来战争中空袭的突然性。在作战用途上除进行全球打击外,还可以作为天基激光反导平台,摧毁敌方弹道导弹或航天器,甚至还能在全球范围内实现军用物资的快速补给或兵力投送。跨大气层飞行器的飞行速度至少在8马赫以上,目前世界上的主流防空导弹很难达到这个速度,加之临近空间大气稀薄,许多航空器无法在这一高度上活动,因此跨大气层飞行器不仅能在敌方的防空导弹打击范围之外活动,还可以给敌方巨大的心理压力。

空天飞机将在争夺制天权作战中担任主力

未来作战的模式将随着跨大气层飞行器的加入而改变,需要涉及到航空和航天两个高度、两种空间作战,特别是制天权的争夺将成为未来战争中的主要焦点。对于装备先进轨道平台武器系统或大气层内超远程攻击武器的一方可获得非常大的主动权,从大气层内的作战飞机到轨道上的卫星都可作为潜在攻击目标。即便是载机平台携带的空射型跨大气层飞行器,其机动性也较强,从轨道返回后可在横纵两个方向上进行大范围的活动,对敌纵深目标进行秘密侦察。
  美国在跨大气层飞行器方面的发展历程,对于中开展跨大气层飞行器有一定借鉴意义,可以从中寻找并总结出一条适合本国国情的发展道路,如果按照单级入轨的空天飞机定义,那么类似技术在21世纪上半叶或难实现,其最大的难点在于气动和动力系统,降低“标准”的 跨大气层飞行器专项仍然是可行的,可进行一定程度上的高超音速飞行,实现全球打击。
 

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