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内阁首辅的航空航天与历史博客

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我国某型太空作战“杀手锏”:(亚轨道)可重复使用运载器  

2013-10-20 22:14:49|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1、本文配图来源于网上,权利归原作者所有    

当前各航天强国都试图研发可重复使用运载器,我国在跨大气层飞行器等领域也取得了一定的成绩,该平台不仅能完成类似卫星快速补网的任务,也可以作为快速进出空间的平台,甚至可以执行(亚)轨道打击任务,或将成为我国未来太空作战的“撒手锏”。除了军用领域外,可重复使用运载器也可以应用于当前十分火热的亚轨道/空间站旅游,游客可自主选择200秒失重或空间站8日游套餐,是一种军民两用技术,但在战时却可以起到“撒手锏”的作用。

太空作战“杀手锏”:(亚轨道)可重复使用运载器 - 内阁首辅 - 内阁首辅的航空航天与历史博客

“追梦者”使用了NASAHL-20升力体,具备载人能力,可执行空间站任务

可重复使用运载器(RLV)是一种可以自由进出空间的平台,其突出了可重复使用,并不像联盟或者神舟飞船那样基本属于一次性产品,用完了还得再造一个,而RLV的可重复性至少可达百次以上,事实上航天飞机是最早的可重复使用运载器,此类飞行器具有非常强的学科交叉性,集航空和航天于一身,不仅可以在大气层内飞行,也可以在亚轨道或者近地轨道上运行,可以认为能研制出RLV的国家可跻身航空航天强国之列。

可重复使用运载器具备3万米以下和亚轨道以上的飞行能力,从发射方式与飞行轨迹上看,可以使用大型载机平台发射,比如X-34,在一定高度上投放后通过自身动力爬升到100公里左右的高度,然后通过无动力滑翔返回基地;也可以使用火箭助推,比如X-37B,可以进入近地轨道运行。整体布局可采用多种结构,比如升力体,不仅具备大气层内的飞行能力,也可以进入轨道运行,正因为此,可重复使用运载器涉及到多项关键技术,比如自动着陆飞行技术、末端能量管理等等,研制难度大。通过对亚轨道可重复使用运载器的开发可以为空天飞行积累技术,后续可进一步研发单级/两级入轨的空天飞机。

冯·布劳恩时期就提出了可重复使用运载器的概念,实际上航天飞机就是第一代的RLV,但是航天飞机的造价离谱,每次发射至少5亿美元,虽然具备重复使用的能力,但是实际使用时仍然无法实现重复使用一百次。由此,研制更加廉价的重复使用运载器计划浮出水面,从上个世纪80年代中期开始,一直到90年代中期,国家空天飞机计划(NASP)进一步推动了RLV的发展,X-30的主要指标是通过高超音速直接进入轨道,对吸气式发动机展开了重点的研究,激波风洞中已经能达到20马赫,NASP促使美国进入第二代RLV的研制,后续以X-33X-34为代表的RLV进一步验证了重复使用的各项技术。目前最为热门的X-37B是一种小型可重复使用航天飞机,引发了各国竞争研制RLV的热潮,比如欧洲的未来运载技术计划FLTP等。

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无动力投放实验过程中可捕获参考轨迹,对自动着陆飞行有重要作用

空天飞机是一种可重复使用运载器,但是可重复使用运载器并非都可称为空天飞机,空天飞机最早可追溯到1986年美国提出的“国家空天飞机”计划(NASP),RLV的定义范围更广,空天飞机的主要特征为水平起降、在大气层内通过有翼结构飞行、动力上涉及到吸气式发动机和火箭发动机、重复使用100次以上。以美国研制的可重复使用运载器为例,X-33X-34X-37B都是典型的可重复使用运载器,但X-33X-37B并不是空天飞机,其发射方式为垂直起飞,典型的空天飞机应该是NASP的直接产物X-30Orbital Sciences研制的X-34无人亚轨道飞行器,X-34发射方式是L-1011载机在11公里的高度以0.7马赫速度投放,之后X-34自身动力点火并爬升到80公里的亚轨道,8马赫的速度依然不足以进入近地轨道,之后就是无动力滑翔降落。总的来说,空天飞机以“国家空天飞机”计划(NASP)为准,在英文表述上为“Aerospace Plane”,与“Space Shuttle”航天飞机不同,发射方式有明显的区别特征。

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“国家空天飞机”计划(NASP)研制的X-30为空天飞机树立了标杆

重复使用运载器的整个飞行剖面大致可以为起飞、上升、入轨、再入、末端能量管理以及着陆阶段,其中包括了亚轨道飞行和高度更高的近地轨道飞行,类似X-34这样的重复使用运载器由一个大型载机平台携带,抛物线轨道顶点为80公里左右,速度不大,无法进入近地轨道,但是像X-37B这样的重复使用运载器却是具备进入轨道能力,它是由火箭助推,是一种两级入轨的重复使用运载器验证平台,执行任务的范围比前者更广,可以在轨道上停留,等候攻击命令。

从整体布局上看,可重复使用运载器需要在大气层内飞行,又具备轨道运行的能力,因此需要有一种合适的气动布局来满足近乎“苛刻”的要求。升力体结构是一种作为可重复使用运载器发展的潜在理想方案,主要特点是没有机翼,通过翼身融合技术设计出理想的升力气动,特性主要有升阻比高、高热载荷,在大迎角飞行和高超音速飞行阶段的气动性能良好,飞行品质和无动力着陆等方面比其他气动布局(比如乘波体)有着先天性的优势。更重要的是其内部空间较大,目前较为火热的“追梦者”就是使用了NASAHL-20升力体,可以载人进入轨道,美国的X-24X-33,还有X-34都使用了这一构型,至少证明了升力体用于可重复使用运载器是可行的。

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“追梦者”使用了升力体结构,具有高热载荷特性,较高升阻比,气动性能良好

可重复使用运载器根据使用高度的不同可选择不同的动力,比如X-34这样的亚轨道RLV就使用了火箭动力,这对我国而言并不存在太大的研制难度,但是如果要进一步进入近地轨道,而且是单级/入轨的RLV,那么涉及到的技术就更复杂多样了,其中一项就是需要使用到目前较为“风靡”的超燃动力。

RLV或者空天飞机未来发展趋势是使用以超燃动力为代表的吸气式发动机,其包含了我们比较熟悉的活塞式发动机和冲压喷气式发动机等,还有更加先进的高超音速发动机,而超燃冲压发动机则是高超音速发动机下面的一个分支。吸气式发动机顾名思义就是可利用大气中的氧作为氧化剂,这就减少了燃料的携带,如果两台吸气式发动机和火箭发动机要产生相同的推力,那么前者携带的推进剂只为后者的14%左右。使用吸气式发动机的RLV具有机动部署、快速反应等作战特点,执行的任务也较为多样化,根据我国目前的空天技术,可以选择火箭动力的可重复使用运载器,结构上也较为简单,容易实现,未来可配备超燃推进系统。

既然超燃冲压发动机有这么多优势,那么其研制起来也面临诸多难题。从“超燃”一词就可以看出,这是指“超音速燃烧”,即流过发动机的气流速度为超音速,进一步思考就很容易察觉到,如此高速的气流需要在极端的时间内完成压缩、与燃料混匀、再点燃是一件多么困难的事儿,打个比方,在大风中点燃一根火柴是很不容易的,如果在超音速情况下还能点燃并维持燃烧,这就需要更高精尖的技术,比如发动机与机体一体化设计、超音速燃烧技术、毫秒级燃料喷射点火技术、耐高温的碳碳复合材料等等,还需要对燃料种类、燃烧机理以及发动机结构进行深入研究。

我国在863项目中已经开展了高超音速推进系统的研究工作,比如中科院力学所重点向超燃技术突破,我国在这方面与西方发达国家有着不小的差距,这也是制约我国单级/两级入轨可重复使用运载器或空天飞机发展的技术瓶颈之一。近期发展可重复使用运载器并不一定需要超燃动力,火箭动力就可以胜任一般情况下的亚轨道飞行,只是说基于超燃动力的平台是未来发展的方向之一,该技术不仅可用于发展空天飞机,也可以用于发展对地打击武器。

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超燃冲压发动机可用于多种平台,此类动力的特点是结构简单、比冲高,是大气层内飞行的重要动力

从可重复使用运载器的飞行剖面看,控制制导是一项关键的技术,无动力滑翔阶段需要飞行器通过自主控制实现安全降落,以X-34为例,其抵达80公里的抛物线顶点后,开始进入返回阶段,接着是末端能量管理阶段,最后降落。整个飞行过程中,运载器的速度环境可从2马赫变化到8马赫,飞行高度可以达到100公里左右,飞行状态变化较大,这对控制和制导提出了新的要求,与载机释放上升相比,再入、返回阶段的危险性更大,这一过程是不可重复的,如果出现发动机停车,则需要制导策略进行决策,否则很可能摔掉。

再入阶段时飞行器需要承受极端的高温环境,其中头锥温度和机翼前缘温度较高,所用的材料至少需要抗1400摄氏度的高温,在美国的国家空天飞机计划中,先进材料研制方面是一个重要环节,直接关系到项目的成败,使用的耐热材料需要具有高导热率、质量轻、韧性强。事实上,可重复使用运载器涉及到的技术非常复杂,轻质材料和结构就需要大量的基础研究加以支撑。总体而言,可重复使用运载器是航空、航天相结合的产物,不仅需要对飞行器总体、气动、结构、遥测等我国较为擅长的方面再次拔高,也需要在材料和发动机领域有所进步,比如热防护、先进推进技术等。

我国的可重复使用运载器论证工作在上个世纪就已经开始,80年代末还进行了航天飞机的相关研究,真正在空天飞行器领域成系统的研究也是本世纪初左右,与美国80年代研制成功的第一代可重复使用运载器:航天飞机相比依然存在非常大的差距,但是关于空天飞行器的基础问题研究已经启动,并进行了相关评估工作,目前已经具备研制和制造可重复使用运载器的能力,并处于演示性测试阶段,比如进行载机投放测试,这一点与“追梦者”有些相似,可以对自动着陆技术进行验证。

更高级的测试阶段应该会提升挂飞高度,即在更高的高度上投放,并实现有动力的飞行测试,这一过程是无动力到有动力飞行的关键阶段,并且还要突破音速。每个测试阶段都有相关的验证重点,比如载机投放测试就是对自动着陆技术进行验证,后续还将测试亚轨道飞行技术等。从目前的情况看,使用超燃动力依然不太现实,基于大型超音速载机平台的方案也无法实现,研制单级/两级入轨的平台存在非常大的困难,这就迫使可重复使用运载器要进入近地轨道必须使用火箭动力。可能性最大的方案是使用大型亚音速载机平台投放的亚轨道可重复使用运载器,该技术后续依然可以用于开发我国未来的航天飞机或者空天飞机。

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亚轨道可重复使用运载器是一个可能取得重大突破的方向

美国空军举行的“施里弗-3”空间作战军事演习中,第一次引入亚轨道飞行器概念,亚轨道武器平台是未来战争的撒手锏,可在很短的时间内飞抵目标上空,以科索沃战争为例,范登堡空军基地起飞的B-2轰炸机抵达目标区的平均飞行周期为17个小时,如果用亚轨道打击武器可缩短至1个小时之内,将其部署在战区附近,可真正实现发现即摧毁,是不对称战争的理想攻击武器,可以打击高价值的目标。执行快速卫星补网发射时,任务过程的准备时间短,使用传统的机场跑道就能起飞,通过火箭动力进入轨道的可重复使用运载器还可以在轨道上停留,对敌方卫星进行捕获,同时也可以实施天对地打击。除了传统的海、陆、空、电磁战场外,空天战场将展开关键性博弈,空天优势是夺取制天权的保证,也是反击的撒手锏,作战特点突出了快速反应和打击、平台多用途化、任务灵活和生存能力强等特点。

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开拓亚轨道平台可将未来作战模式向多样化发展,可对敌方高价值目标进行精确垂直打击

    我国在可重复使用运载器的研制上已经起步,并进行了相关阶段的飞行测试,该平台的研制可增加我国打赢非对称战争的筹码,作为未来太空作战的“撒手锏”,在意义上可媲美反舰弹道导弹,后者可对航母编队进行垂直打击,而前者可对数千公里外的高价值目标进行亚轨道打击,同时可以摧毁敌方各种轨道平台。可重复使用运载器除了在突出军事用途外,该技术也可以降低(民用)卫星发射成本,甚至可以打造亚轨道旅游产业,为未来空天飞机的研制积累技术。

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