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评中国跨大气层航天运载器发展

来源:新浪军事 责编:大嘴 作者:离子鱼 时间:2008-04-23





国产轰6战机机腹加挂一种新型航天飞行器

中国航天技术在“神舟”之后又胜利完成了“嫦娥奔月”的壮举,标志着运载火箭与卫星技术达到了新的高点,而在网络图片中出现的空间飞行器模型又展示了新的进展。图片中挂载在轰6机身下的航天飞行器模型受到国内外的广泛关注,该飞行器前端为卵型头锥,带有翼面的柱形机身尾部安装有单发发动机喷口,喷口外形特点类似于典型的火箭发动机。该模型在整体设计特点上与国外发展的航天飞机比较接近,如果情况属实,可以认为中国航天技术已经由火箭向跨大气层飞行器发展。

  航天飞机与空天飞机

  跨大气航天运载器通常指航天毽机和设计中的空天飞机,单级人轨火箭虽然在理论上也能够满足重复使用的要求,但是前两者在使用灵活性上要比后者更有优势,所以国内外航天,航空技术人员非常重视发展高性能航(空)天飞机。空天飞机和航天飞机作为可重复使用航天器属于航天运载器的尖端技术,也是国内外长期投入很大力量和资源开发的先进技术。中国设计可重复使用航天运载器是继载人飞船和探月卫星后的新成就,体现了中国航天技术已经开始由积累和探索向大规模发展方向进步的趋势。

  航天飞机是目前跨大气层飞行器中真正达到实用化标准的机型,空天飞机则是束来发展趋势和技术方向。很多介绍空天飞机的文章中都强调其在大气层外的轨道灵活性优势,并且被认为是兼具飞机和运载火箭两方面优势于一体。但是,用来担负大气层外飞行的空天E机在使用上并不能像飞机那样方便。空天飞机虽然在技术上确实能够在太空中灵活调整轨道,但是大气层外的近地轨道在人类长期的宇航活动中已经充斥了大量人造飞行器及残骸,这对其在大气层内和近地轨道的使用存在很大的影响。因此,认为航(空)天飞机可以随时把载荷送上太空的想法至少在目前还是不现实的。

  因为发展航天飞机是需要强有力的航天、航空、材料、动力和气动设计作为依托,所以现在具备生产实用型航灭飞机能力的国家只有美国和俄罗斯。美国航天飞机虽然在使用过程中出现过灾难性事故,但仍然是现有航天器中最有效的运载工具。前苏联发展的“暴风雪”航天飞机在基本设计和技术上与美国类似,不过解体后恶劣的经济条件使现在的俄罗斯失去了维持航天飞机发展的能力,只是其航天科研和生产基础还具备必要时可恢复研制航天飞机的能力。欧洲航天局的“赫尔墨斯”和日本的“希望”都属于小型低成本航天飞机,目前都只进行到模型试验阶段,距离真正达到实用化标准还有较大的距离。空天飞机的设计中,x一30,33和“桑格尔”在技术上非常先进,但现有技术条件下完成这样先进的项目存在较大的困难,国外空天飞机的应用技术总体上还处于早期探索和验证阶段。

  空天飞机和航天飞机这类可重复使用航天器因为要满足运载器往返需要,在可以携带的有效载荷上必然要低于一次性的运载火箭。但是可重复使用航灭器在理论上除了燃料和必须消耗品(防热材料)外,构成制造和使用成本主体的运载器本身却可以完全重复利用。空天飞机是现有航天飞机的整体技术进一步提高后的必然结果,空天飞机与航天飞机同样用来满足高密度宇航飞行的任务,空天飞机依靠低成本和高灵活性,可以取代运载火箭甚至是航天飞机,为宇航运输提供反应迅速和单位载荷成本更低的跨大气层运载工具。

  动力装置是技术关键

  国际上公认空天飞机的技术难度要远远超过规格类似的航天飞机,两者在机体设计和材料上并不存在明显的差异,动力系统的技术和实用水平才是决定空天飞机技术难点的关键。航天飞机目前都是采用常规助推火箭进行弹道式发射,只要有足够推力的火箭,就等于具备发展航天飞机的基础。空天飞机的动力系统在结构和应用技术上与航天飞机截然不同,由此也使其在应用方面存在很多短时问难以克服的困难。

  目前空天飞机的动力系统多采用吸气式喷气发动机和火箭动力的组合形式。这样的动力系统在技术上基本可以适应现有科技发展水平,实际使用的技术难度和资金需求也没有超过现有条件的限制。不过,组合动力系统在不同飞行阶段中不可避免地存在死重问题,因此很难满足经济性要求。国外重点开发的是兼具吸气式喷气发动机和火箭的综合动力系统,通过让同一台发动机全程使用低温燃料来满足大气层内外使用的要求。国外目前已经公开的这类装置主要是采用液氢,甲烷燃料的空气涡轮发动机(ATR)、超燃冲压发动机(SCRAMJET)、液态空气循环发动机(LACE)以及风扇一引射一冲压推进系统(SERJ)。

  现代化高超音速航空动力装置在技术上具有很大的发展潜力和应用范围,单纯吸气式结构的发动机可以满足高超音速飞机的基本动力要求,当飞行器本身携带氧化剂(更先进的技术是通过大气层内飞行过程中捕获和储备氧气作为氧化剂)时还能够满足亚轨道或跨大气层飞行器的动力需要。综合动力系统是将吸气式发动机与火箭发动机综合起来,在大气层内飞行时利用低温燃料(液氢、甲烷、丙烷)与进气道吸人的冲压空气混合燃烧,当飞行器到达高空后逐渐在发动机燃烧室内加入液氧助燃,到飞行器接近大气层外沿时完垒依靠低温燃料和液氧燃烧产生动力,发动机燃烧室的工作状态由吸气式变为与火箭发动机类似的工作方式。空天飞机的综合动力系统在原理上与目前战术导弹固冲一体化动力系统类似,都采用吸气式发动机燃烧室兼作火箭发动机的燃烧室,它们之间的主要区别是吸气动力与火箭动力工作的先后顺序。空天飞机的动力系统在采用吸气方式工作时,在大气层内的飞行速度可以达到6~12马赫;在采用液体燃料火箭方式工作时,可以使飞行器速度增加到20一30马赫,能够满足飞行器进行亚轨道或者跨大气层飞行的要求。不过,这种综合动力系统的技术难度要比分别采用大气层内外两套动力高得多,而且目前的技术水平也难以发展出满足跨大气层使用的动力装置。现有超燃冲压发动机和类似高超音速动力装置的技术水平,只具备满足飞行器在大气层内15马赫以下使用的设计和材料要求,短时间内也难以达到实用化型号所需要的推力和可靠性标准。

跨大气层飞行器的军事价值

  航天技术发展过程中最基础和最有力的动力,就是在军事上的需求。航(空)天飞机的发展在一开始就具备非常明显的军事应用意图,各国无论是发展亚轨道高速飞行器还是跨大气层飞行器,首先关注的都是这类飞行器的军事应用。国际上跨大气层飞行器技术水平最高和军事应用最明显的是美国,其航天飞机一直是整个空天一体战装备发展的组成部分,服役后确实也对美国军事力量发展起到重要的作用。美国正在进行的x一30/33空天飞机计划更是豪不掩饰其轨道轰炸/侦察机的使用定位。太空军事化已经成为现代化军事技术发展中不可回避的问题,中国即使想要和平利用太空,也不得不面对军事上存在的压力。

  航天飞机目前在设计和技术方面已经达到比较成熟的标准,而世界航空,航天技术强国已全面展开新型空天飞机的发展,其中,作为空天飞机基础的亚轨道飞行器已经在试验中获得了很多经验。亚轨道飞行器在航天任务中可以用来发射卫星和小型空天飞机,也可以根据使用需要在50~90公里上进行高超音速洲际飞行。

  亚轨道飞行器的飞行高度超过了目前绝大多数地空导弹的作战范围,而且5-8马赫的飞行速度也能够规避现有防空战斗机的拦截。全程大气层内飞行的亚轨道飞行器虽然无法具备空天飞机的太空运载能力,但是超高空高速飞行性能却使其有着很强的军事价值,国外开发的类似飞行器基本都以洲际轰炸机作为设计目标。

  亚轨道飞行器之后就是可以取代航天飞机的真正意义上的空天飞机。单级人轨空天飞机在燃料、载荷和飞行性能方面互相平衡和制约,各方面性能要求导致其必然是个庞然大物。国外现有单级入轨空天飞机的设计体积与重量都非常大,这又进一步加剧了材料和动力上的难度,最终导致x一30/33这类空天飞机设计走入了死胡同。单级入轨空天飞机无疑是现有可重复使用航天器类型中技术水平最高的,不过其动力装置实在是短时间内难以克服的瓶颈,采用大型飞机运载小型飞行器的两级人轨方式则是对技术难度和使用需要之间的妥协。两级人轨方式是利用常规飞机将空天飞机运载到必要的高空和速度,机载空天飞机脱离母机后加速完成跨大气层飞行。但是,两级入轨空天飞机不可避免的要受到载机性能和载荷的限制,能够携带的有效载荷重量和规格都比较小。两级人轨空天飞机比较适合携带小于3吨重量的有效载荷进行高灵活性发射,也可以用来改进为轨道轰炸机或者小型反卫星武器的发射平台。

  中国航空和航天科研系统很早就开始发展自己的跨大气层飞行器,限于国内技术储备不足和材料技术方面存在的缺陷,目前卫星发射和载人航天使用的仍然是传统运载火箭。航空航天飞行器的发展过程中需要对需求、技术和成本进行综合考虑与平衡,看起来最先进、甚至是理论上最好的,却未必是最适合的。以中国目前的基础条件想要跳过航天飞机阶段直接发展空天飞机,其技术基础和经验积累可能完全无法保证研制要求,将导致研制周期较蚝。因此,采用大型飞机运载小型火箭动力飞机的两级空天运载系统较为符合中国目前的技术条件和水平。

  两级空天飞机需要大型载机平台为其提供初始速度,但国内外在短时间里都无法提供满足这一要求的大载荷平台。运载火箭和航天飞机的助推火箭都只能在发射时一次性使用,准备火箭和运载器所需要的时间和对气象条件的要求相对较高,必须在具备特殊基础设施的专用场地才可以发射升空。空天飞机在理论上可以使用常规机场作为起降设施,起飞准备和对气象条件的要求也比航天飞机宽松很多,但是使用上的良好前景目前却难以抵消动力装置技术上存在的困难,所以在其所需技术成熟前,航天飞机仍然有其价值。中国现有的火箭技术和航天器设计水平基本可以满足发展航天飞机的需要,快速发展的经济和日益改善的基础科研条件也为其提供了必要的基础。由此笔者以为,中国在发展可重复使用航天器的过程中不可能一步到位完成空天飞机,国内在技术、资料和人力储备方面目前还比较薄弱,尤其先进吸气式高超音速动力装置的技术水平更是与国外差距明显,所以,首先要在现有条件下确定适合实际情况的发展道路。国内已经具备大推力氢氧火箭和载人航天器的技术条件,在运载火箭技术的基础上发展小型航天飞机是在现有相关技术基础和资金保障条件下能够做到的。国内现有大推力火箭和小型航天飞机技术起步并不慢,已经利用缩比模型完成了多种地面和空中试验,在大体掌握技术原理的情况下为实用型号发展积累了一定的应用经验。

  航天飞机在大部分技术上与空天飞机基本相同,尤其是在材料、结构和气动方面更有着明显的继承和借鉴价值。没有航天飞机的技术积累,就很难突破空天飞机的技术难关,中国也不可能在跨大气层飞行器的关键技术方面从国外获得支持,所以国内发展亚轨道或跨大气层飞行器必须依靠国内自力更生。中国发展可重复使用航天器应该按照先易后难的方式逐步完善,在突破技术难点的目标下分阶段完善整体技术和积累使用经验。中国在高超音速飞行器方面应首先跟踪国外先进技术的发展,利用超燃冲压动力技术完成以军事侦察和战略轰炸为主要目标、速度范围在6—15马赫的亚轨道高速飞行器。跨大气层飞行器重点开发利用火箭助推升空的小型航天飞机,首先利用航天飞机解决近地轨道卫星发射和其他有价值的航空航天任务,然后依靠亚轨道飞行器和小型航天飞机的技术,综合发展两级入轨空天飞机,逐步根据经济和需求发展与相关技术的成熟程度推进实用型号的进步。

  国内开发跨大气层飞行器存在的技术难点主要在动力设计和材料两方面,气动和飞控设计也非常复杂。发展航天飞机首先要获得大推力火箭助推器,发展空天飞机则需要攻克高性能大推力综合动力装置这个难关,而且飞行器气动外形与飞行控制系统的协调问题也需要长期的试验和准备。国内发展的常规运载火箭因为在使用中与航天飞机存在明显区别,其技术和材料很难直接应用到航天飞机上。航天材料技术的发展则直接关系到航天飞机的整体技术水平,如果不能攻克这个难关,航天飞机的设计就难以满足达到实用化标准。国内航天器发展目前存在技术底子薄、实践经验少的问题,在发展先进航天器时必须进行长时间的准备和技术积累,尤其要在整个研制过程中投人足够的资金来保障项目进展。照片中的飞行器模型在外形设计上明显达到相当成熟的标准,也应该是具备火箭增速能力的有动力模型,可以认为国内在跨大气层飞行器的技术应用方面较为扎实,在综合技术条件上有可能已经接近工程发展所需要的标准。

  航天技术和航天运载器本身在设计上都具备改进成军事装备的潜力,但是从该模型的特点来看,还属于比较单纯的航天运载器,在军事上能够起到的作用主要集中在发射卫星和应用其他载荷方面,本身并没有体现出明显的携带武器执行作战任务特征。中国在美国已经高调开始太空军事部署的时候,必然也会有所反应,成功发展出航天飞机将促进军用亚轨道高超音速飞行器和空天飞机的发展,为即将出现的天军和太空战奠定基础。现代兵器第4期