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内阁首辅的航空航天与历史博客

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浅析我国未来两级入轨空天飞机方案  

2013-08-31 13:34:21|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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[导语]19863月,《中国高技术研究发展计划纲要》获得批示,这项计划就是促进中国高新科技发展的“863计划”,在未来的15年内取得7个领域重要突破,其中航天技术排在第二位,也就是“863-2,其下确定了两个方向:第一,大型运载火箭与天地往返运输系统,即204项目;第二,载人空间站及其应用,即205项目。1989年,863204专家组在《大型运载火箭及天地往返运输系统可行性及概念研究综合报告》中提出了未来中国航天发展的“两步走”战略:要在2015年左右研制出两级水平起降的空天飞机,以适应未来空间站大系统发展的需要。 

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 1两级入轨平台是未来空天飞机发展的方向之一

1.空天飞机的概念与特点

空天飞机属于跨大气层飞行器,从字面上不难看出此类飞行器即有“空”的部分、又涉及到“天”的概念,可以在跑道上水平起飞和降落,通过自身的有翼结构实现在大气层内的机动飞行。与传统大气层内飞行器所不同的是,空天飞机可以在30100公里的高度以高超音速飞行,速度可达到1025倍音速,通过火箭动力加速进入轨道,返回地球时同样要克服再入过程的种种困难,像普通飞机那样水平着陆,事实上空天飞机是可重复使用的平台,一般能达到上百次,可大幅度降低天地往返的运输成本。

从外形上看,空天飞机有着特殊的气动要求,其面临的关键技术比单纯的航空、或者航天飞行器要复杂得多,如果是两级入轨到的空天飞机,那么还将涉及到助推级的问题,显然一个完成的空天飞机组合体将涉及到重型运载火箭工程、大飞机工程、载人航天等领域。从动力上看,由于空天飞机需要进行跨大气层飞行,因此不仅需要先进的吸气式发动机技术,也需要火箭动力,当级间分离时还需要助推级提供足够的能量,降低轨道级的能量需求,吸气式发动机还需要突破涡轮喷气、(超燃)冲压发动机等技术,空天飞机是集合航空航天各学科的产物。

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 2 X-30是一款典型的空天飞机研制方案

空天飞机的概念定义来源于20世纪80年代,西方多个国家为了建造空间站需要可重复使用的天地往返运输系统,1986年美国提出了“National Aerospace Plane”计划,其正确翻译应该是“国家空天飞机”,与航天飞机和现在X-37B相比,其最大的特点在起飞阶段不同,空天飞机水平起飞、水平降落,航天飞机和X-37B则是垂直起飞,使用火箭动力,因此X-37B应该称为轨道机动运载器,并不属于空天飞机范畴,美国空军将X-37B定位在100公里以上的高度,是进入近地轨道的低成本平台。空天飞机应该突出“空”,不仅可以利用有翼结构在大气层内进行机动飞行,还需要使用吸气式发动机,最典型即是X-30验证机。因此,空天飞机应该具有四大特点:第一,水平起飞、水平降落能力,利用有翼结构产生升力完成大气层内飞行;第二,动力系统由吸气式发动机和火箭发动机构成,可在不同高度飞行;第三,可在亚轨道上进行高超音速飞行,超燃冲压技术是获得这一速度保证;第四,可进行多次重复使用,至少重复使用100次以上。

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 2.空天飞机与单级、两级入轨飞行器发展过程及其意义

NASP计划无疑是空天飞机兴起的标志,在此之前,进入轨道需要不可重复使用的火箭(飞船)和航天飞机,单次发射的费用高昂,如果要在近地轨道上组装起一个庞大的建筑,就需要能重复使用的低成本运载平台,可以像普通飞机那样在跑道上起飞,又可以如航天飞机那样再入大气层降落。19821985年,NASP方案进行了可行性研究,并通过X-30空天飞机验证高超音速技术,普惠公司已经完成8马赫和20马赫数(激波风洞)状态下超燃冲压动力的测试。从外形上看,X-30的一体化设计将机身和动力系统完美融合,通过液态氢燃料冷却高超音速飞行时产生的热量,一体化设计的成败直接关联到飞行器整体的气动性能,使之能完成亚轨道14马赫的高超音速巡航,并突破25马赫的速度进入轨道。NASP计划对空天飞机研究的影响最为深远,几乎奠定了空天飞机整个框架,基本上掌握了低于八马赫数的超燃技术,该平台是实现低成本进入空间的有效途径,不需要庞大的发射队伍和准备时间,普通的机场就能完成起飞。该项目于1995年解体,耗资三十多亿美元。

除了NASP外,还有英国的“HOTOL”和德国的“Sanger”方案,“HOTOL”是英国在1982年提出的单级入轨空天飞机,使用吸气式和火箭发动机组合动力,工作流程依然是使用吸气式发动机加速到5马赫,然后启动火箭发动机进一步加速。“HOTOL”的演变方案在1989年被提出,使用安-225作为第一级载机平台,在空中将轨道级发射。德国的“Sanger”方案则是两级入轨平台,使用吸气式涡轮冲压和火箭发动机,级间分离速度为6.8马赫左右。

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 1994年起,美国空军在未来军备研究报告中将空天飞机作为重要的武器平台,强调轨道打击的重要性,并研究以火箭为动力的单级入轨航天器,通过X-33X-34验证机进行测试。采用升力体结构的X-33NASA与洛马联合研制的可重复使用运载器,作为单级入轨的典型型号,X-33的目标是将传统的发射费用降低到十分之一,其在兰利研究中心的多个风洞进行了大雷诺数范围和高超音速测试,同时进行了高超音速飞行状态下机身热气动特性,整体布局采用升力体与气动塞式喷管发动机融合,可将推力均匀释放,使用7RS-2200发动机,推重比可达到80,远超航天飞机。X-33采用垂直起飞、水平着陆,可重复性体现在可执行100次任务,每公斤成本控制在2000美元左右,该型飞行器只能算是单级亚轨道运载器,更不是空天飞机,其最大速度仅为25马赫。X-34算是两级入轨平台轨道级的雏形,其可操作性比X-33要强,更容易实现,其载机为L-1101,在一定高度上将X-34释放,然后通过自身携带的火箭动力进入亚轨道,最后通过无动力再入大气层,水平着陆。气动使用翼身组合体外形,前截面较圆,后机身截面为方形,再入过程中使用襟翼增强纵向控制能力。
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5 X-33采用垂直起飞、水平着陆的方式

除了美国的空天飞机与单级、两级入轨平台外,俄罗斯的“MAKS”多用途空天系统是一种比较贴近实际情况的方案,该系统由亚音速载机平台安-225携带轨道级,在一定高度上将轨道级释放,是两级入轨平台的初级方案。欧洲目前最流行的方案应该算是英国喷气发动机公司的“云霄塔”,该项目源于早期的“HOTOL”,但是机体结构、发动机都进行了大量重新研究,尤其是新型的“佩刀”发动机,可以认为“云霄塔”是一款典型的空天飞机:有翼结构、水平起降、可重复使用以及单级入轨,不仅可进行亚轨道飞行,还可以对接空间站,比X-33要更“靠谱”。混合动力的成败取决于预冷热交换器的研制,在上升阶段,使用吸气式动力,将空气压缩后与液态氢混合燃烧,后者还可以作为封闭循环回路的冷却剂,在大约26公里高度时,速度可达到5马赫左右,直接切换到火箭动力模式进入轨道,燃料使用液氢液氧,最大起飞重量为340吨左右,使用寿命大约为200次左右,是单级入轨空天飞机的标杆之作,当然其成败与否还是要看“佩刀”发动机。

目前在空天飞机领域处于领先地位的无疑是美国,美国空军从1950年代以来都一直希望获得军用航天平台和高超音速飞行动力技术。比如X-15X-24平台,1980年代末,吸气式单级入轨平台的可行性研究进入发展阶段,弹道导弹防御体系中也被嵌入单级入轨火箭的项目,按美军标准:军用轨道平台可以起降至少250次,使用年限在1520年左右,100次起降不需大修。空天飞机是空间作战的理想平台,不仅可以快速补网执行轨道发射任务,还可以携带天对地武器,对任一地面目标执行打击。此外,在反卫星、反导领域也有特殊的攻击模式。

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 6 “云霄塔”具有有翼结构、水平起降、可重复使用以及单级入轨特点

3. 611所提出的两级入轨空天飞机方案分析

我国的空天飞机研制计划起步并不慢,863204专家组在《大型运载火箭及天地往返运输系统可行性及概念研究综合报告》中提出要在2015年左右研制出两级水平起降的空天飞机,以适应未来空间站大系统发展的需要。从传统观点上看,两级水平起降平台的第一级可以认为是助推级,需要为轨道级提供足够的高度和速度,如果这个条件满足不了,就需要加大轨道级,那么在级间分离后第二级的任务无疑会加重。从目前看,空天飞机的方案可分为单级入轨和两级入轨,其中两级入轨根据助推级的不同又可以分为两种,亚音速载机平台和超音速载机平台。单级入轨的典型方案就是英国的“云霄塔”空天飞机,“佩刀”发动机是关键因素,是吸气式与火箭发动机混合典范,冷却技术使用碳化硅材料与被动辐射导热,再入时将温度控制在700摄氏度左右,机身使用复合材料桁架结构。该型空天飞机涉及到的技术更多,而单级入轨则是空天飞机发展的方向。

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  7 两级入轨空天飞机一般需要第一级提供足够的高度和速度

3.1两种两级入轨方案:超音速载机和亚音速载机平台

两级入轨空天飞机有两个较为成熟的设计方案,即使用超音速载机和亚音速载机平台。超音速载机平台作为第一级,运载轨道级在普通机场上起飞,通过组合式涡轮喷气发动机达到4倍左右的级间分离速度,然后轨道级使用基于火箭组合循环的动力模块继续加速,从飞行轨道上看,轨道级与第一级的分离高度为2万米左右,分离后可以通过双模态超燃冲压发动机加速到10马赫左右,这一过程可以在亚轨道内完成,然后启动火箭发动机,使用甲烷和液氢液氧为燃料。此方案需要一种大型超音速平台作为第一级,对中国航天而言短期内无法实现这一设想,直观地讲,至少需要XB-70这一级别的飞行器作为助推级,轨道级还需要超燃冲压发动机进行亚轨道飞行,最后才启动火箭动力进入近地轨道。该方案采用了比较前卫的设计,应该说是建造空天飞机的基本技术门槛,比如大型超音速飞行器、超燃发动机技术、大推力涡轮喷气发动机、可重复使用液体火箭发动机、高效的热防护和健康管理系统等。

亚音速载机平台在前苏联时代就有先例,使用了安-225作为重型载机,起飞重量达到600吨以上,可搭载更重的轨道级,级间分离高度大约在1万米左右,轨道级使用火箭发动机达到入轨速度。611所提出的两级入轨方案最有可能使用亚音速载机平台,轨道级使用有翼布局,依靠火箭发动机的强大动力提升有效载荷量级,如果仅仅是进入亚轨道,那么载机平台并不需要太大,这一点可以参考X-34方案,轨道级的气动布局可采用广泛使用的翼身组合体构形,如果是轨道级需要进行载人任务,并且进入100200公里以上的近地轨道,就需要使用更大的亚音速平台,比如伊尔-76,在我国大飞机项目还未成熟之前,伊尔-76运输机是个理想的亚音速载机平台,可背驼质量更大的轨道级。并不排除轨道级使用了超燃冲压发动机技术,如果在轨道级上安装超燃动力,整体结构质量会更轻,航程更远。NASP计划虽然没有将X-30变成现实,但是极大推动了高超音速技术的发展,比如兰利研究中心就进行了3000多次试验,掌握了马赫数低于八的超燃发动机技术。

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8 基于安-225的亚音速平台需要轨道级搭载更强劲的火箭动力

3.2搭载吸气式超燃发动机的轨道级可能无法在短期内实现

空天飞机作为一类新的天地往返飞行器,其典型的特征是使用吸气式发动机和火箭发动机构成组合动力,大气层内使用吸气式发动机,进入轨道前使用火箭发动机进行加速,611所的两级入轨方案中明确指出了使用吸气式发动机,此类发动机分为活塞式、燃气涡轮和冲压喷气,目前还有一些诸如脉冲爆震发动机、冲压转子发动机、高超音速发动机等新的动力模式,其中高超音速发动机是未来空天飞机需要突破的技术,其中包括超燃冲压和脉冲爆震发动机。超燃冲压发动机结构简单、重量轻、比冲高,可利用大气中的氧进行飞行,亚轨道之下的高超音速飞行需要超燃动力,推重比高,可达20以上,不论是涡轮喷气还是火箭动力都难以维持高马赫数的大气层内飞行。配备超燃冲压发动机的轨道级需要突破多项技术瓶颈,比如发动机与机体一体化设计、超音速燃烧技术、毫秒级的燃料喷射点火技术、耐高温的碳碳符合材料等。如果吸气式轨道级能作为我国天地往返运输体系,那么级间分离的速度可以控制在4马赫左右,甚至只要3马赫即可。从目前的我国航天在超燃技术上的研究看,搭载吸气式超燃发动机的轨道级可能无法在短期内实现。

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 9 超燃冲压发动机可简化轨道级结构和重量,该动力是未来两级入轨平台的关键技术

4.发展空天飞机需要面临多个技术瓶颈

发展两级入轨的空天飞机除了动力系统需要跨越式发展外,在航天器隔热系统、材料、测控通信、最优轨迹、综合电子信息系统以及综合健康管理领域等方面都要有所突破,NASP空天飞机使用了ACC防热隔板,在无主动冷却情况下可耐受1400摄氏度的高温,X-302.6万米高度以八马赫数飞行时,头锥温度可达到1793摄氏度,机身尾部的温度最低,大约为760摄氏度左右,机翼前缘温度为1455摄氏度。通常情况下,空天飞机再入时头锥帽处的最高温度可以达到1600摄氏度至1800摄氏度,机翼前缘也可以达到1600摄氏度,需要选择耐高温、低维护性的隔热材料,有研究称铌铝化合物可耐受1800摄氏度的高温。

空天飞机再入时必须要面对黑障的干扰,机体四周会形成一定厚度的电离气体层,会对通讯产生影响,在这方面我国应该有足够的技术储备来应对这一问题,比如空天飞机在高速亚轨道飞行高速数传技术、共形相控阵天线技术等。针对水平起降的两级入轨平台,上升轨迹优化是一个重要前期研究内容,可以降低组合体的起飞质量,压缩空天飞机各子系统的指标,满足诸如过载约束、气动加热约束等过程约束条件,使起飞质量降到最低,对吸气式组合动力的轨道级总体性能要求有所放宽。空天飞机的最低指标之一就是具有可重复性,因此需要综合健康管理技术来了解航天器各子系统的状态,分析可能存在的故障并进行诊断,以兰利研究中心为例,其发展的健康管理架构被认为是空天飞行器健康管理的一部分,其中包括声波、电磁、光纤等传感器技术,我国空天飞机研制计划中的健康管理技术还处于理论研究阶段。

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10 测试28马赫数条件下的进气道方案

[结语]:两级入轨的空天飞机方案将面临许多困难,即便选择可行性较高的亚音速载机平台,也需要在材料和发动机等领域有所突破,当然,超燃冲压发动机技术将是未来空天飞机方案普遍采用的技术,正如空天飞机是航空航天领域的结合产物,其所使用的先进材料和制造技术必然代表了世界先进水平。我国空天飞机计划开始后,将带动各学科的发展,即便短期内无法实现,也可积累相当的研发经验。


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