空天飞行器的发展现状及发展方向

空天飞行器的发展现状及发展方向 随着航天技术的发展，人类不断提出开发和利用空间资源的计划。建立永久性天基系统则是航天技术下一步发展的大战略，载人空间站是这个天基系统的核心组成部分，在空间站等天基系统发展过程中，人们很自然地提出空间站等级和地球之间的人员、物资的往返运输问题。空天飞机是一种低成本、高收益的水平起飞、水平着陆、可完全重复使用的新一代天地往返运输系统。它是航空技术和航天技术相结合的产物，不仅用于向空间站等天基系统补充人员、物资、燃料、提供在轨服务，并把空间站等内制成的产品运往地球，而且可用作全球性快速运输机。 1982年到1985年美国完成了空天飞机的概念研究。研究结果表明：研制空天飞机获得成功的可能性极大。并把这种飞机命名为国家航空航天飞机（NASP），飞机代号为X30。整个空天飞机计划将分两步组织实施。第一步先发展飞行试验用的缩比样机，第二步再研制全尺寸空天飞机。 空天飞机的技术关键有一体化的吸气式推进系统、先进的气动外形、长寿命材料、氢的有效利用和新的控制系统。其中最核心的项目是高超音速的吸气式推进系统。 设想的样机可乘2人，运载能力为1114kg，装有8~12台发动机。飞行试验的主要目的是：模拟空天飞机在30km以上的高度，以马赫数Ma=5~10的速度连续飞行；验证空天飞机能从普通机场起降；验证动力装置从跑道起飞到入轨的全过程。正式投入使用的空天飞机预计要到2020年以后。 美国空天飞机的主要特点是： 1、推进系统与机身一体化。机上装有3种推进系统，即涡轮喷气发动机（从起飞工作到Ma=3）；亚燃冲压发动机（从Ma=2工作到Ma=6）；超然冲压发动机（从Ma=4开始开始工作，可能工作到Ma=25）；火箭发动机（从Ma=15开始工作，直到入轨）。 2、为了保护飞机头部和发动机受热部位，选择燃料液氢作为冷却剂。 3、采用超高温耐热材料和金属基复合材料。 4、采用多进气道、多喷管的组合发动机设计。 英国航空业界一直在探索未来航天运输系统的新途径，在研究了多种航天运载器方案之后，认为只有采用可完全重复使用运载器，所有昂贵的发动机、电子设备、结构等集中于单一级上，才能实现降低发射费用，缩短检修周期，提高重复使用率的目的。1984年8月航宇公司曾经提出过一种水平起飞、水平着陆、单级入轨的无人驾驭的“霍托尔”（HOTOL）空天飞机方案。采用液氢空气涡轮喷气冲压/火箭复合式发动机。吸气式发动机工作到M5.0，飞行高度26km，然后转为火箭发动机工作模式。 “霍托尔”空天飞机的主要特点是： 1、 吸气式发动机可降低推力/质量比的要求。 2、 吸气式喷气发动机与液氢液氧火箭发动机组合推进入轨。 “霍托尔”飞机的外形与协和式喷气客机相似，头部细长，呈锥形，头部上端有垂直翼面。机身腹部为粗大的长筒形结构，货船位于机身的中部。液氢箱和液氧箱分别置于货舱的前、后两侧。大尺寸水平机翼安装在机身的后部，4台发动机安装在机身的后端，发动机的进气口位于机翼下方。 3、 水平起飞可降低对质量增加的敏感度。 4、 水平起降便于地面操作管理。 5、 可达到完全重复使用的目的。 6、 有很强的横向机动飞行能力。 “霍托尔”空天飞机方案仅仅是一种设想，它面临着一系列技术困难和经费困难能否实现还很难说，但它的新颖的设计思想很吸引人。 1986年6月西德MBB公司曾经提出的桑格尔Ⅱ（SangerⅡ）空天飞机方案是一种可复使用的水平起飞的二级状态的天地往返运输系统。第一级采用吸气式液氢涡轮冲压发动机的高超音速大型飞机。第二级采用氢氧火箭发动机，有两种状态，一种是载人的三角形飞机称HO-RUS级，另一种是运货的一次性使用的火箭，称CARGUS级。第一级从普通飞机场起飞，当飞行高度达到Ma=7时，与第二级分离，第一级自行返回机场。第一级也可以改成洲际客机使用。一、二级分离后第二级氢氧火箭发动机点火，继续飞行，直到把有效载荷送入预定轨道。第二级的HORUS级完成飞行任务后，也可向其他航天飞机那样返回地球，滑翔着陆。HORUS级采用的是一种高压补燃氢氧火箭发动机，真空推力700.24kN，真空比冲4626N.s/kg。CARUS级由阿里安5的主级演变而来，直径5.4m，长度33m。 1、 采用吸气式发动机、氢氧发动机，方案可行。 2、 运费低，检修时间短。 3、 桑格尔Ⅱ起飞质量受机场跑道限制，第二级质量受载机的运载能力限制，因而有效载荷质量也受到限制。 4、 借鉴赫尔姆斯航天飞机的配制成果，采用能够多次重复使用的金属使用的金属防热系统，要求可以重复使用50~100次。 随着国际航天事业的不断发展，日本开始认识到拥有自己怕天地往返运输系统的必要性，着手研究空天飞机系统。从1985年开始实施研究，并成立相应的组织机构，制定出空天飞机长期计划和概念研究的方针，研究有关天地往返运输系统长期开发构想。 日本的宇宙开发事业团（NASDA）、航空宇宙技术研究所（NAL）、和宇宙科学研究所（ISAS）各自提出了空天飞机的研究计划和发展途径，并合作成立“天地往返运输系统开发联合协会”，共同探讨日本空天飞机的发展途径。 宇宙开发事业开发团提出空天飞机的发展途径分为3个阶段。第一阶段用H-Ⅱ火箭发射大和号小型航天飞机。第二阶段发射希望号实验机。第三阶段与航空宇宙技术研究所合作研制空天飞机。 从1987年开始航空宇宙技术研究所重点研究以吸气式发动机为基础推进、水平起飞、水平着陆型载人天地往返运输系统。第一阶段主要从事未来航天飞机的着陆性能、航天飞机总体方案和技术途径的研究。第二阶段，1995年用H-Ⅰ火箭发射一种具有高度机动性能的有翼试验飞行器，进行亚轨道飞行试验，检验返回过程中的机动和控制能力。第三阶段，在2000年后，用H-Ⅰ火箭，发射小型载人空天飞机，采用超音速冲压发动机和火箭发动机组合推进系统。第四阶段，2010年研制成水平起飞和水平着陆的空天飞机。 宇宙科学研究所提出的空天飞机的了解途径，分为两个阶段。第一阶段首先研制无人的高机动性能的准航天飞机海姆斯（Himes），以便探索空天飞机技术途径。第二阶段，用15~20年时间研制出空天飞机。 日本空天飞机设计特点是：空天飞机是一种水平起飞、水平着陆、完全重复使用的单级天地往返运输器。采用组合循环发动机，发动机与机身高度一体化设计，并采用后掠翼，可以多次飞行的高温金属结构设计，飞机头部和发动机受热部位采用金属热管或低温液体冷却。 空天飞机是一种大型的高技术风险工程。日本采取的发展方针是，不断跟踪世界前沿技术，不急于定方案，对关键技术如推进系统、结构与材料、空气动力学、制导与控制技术等进行重点攻关，及早进行为研制空天飞机所必需的大型设备和试验设备的论证，重视加强并促进国内外联合，在此基础上再确定发展目标，开始型号研制。 21世纪后，世界各先进国家更加重视空天技术的发展。可以预料，今后十年或更长一些时间（2020年以前），航空航天技术必将有更大发展。正在研制和有可能进入型号研制的航空航天飞行器主要有:高机动性作战飞机、可重复使用的高超声速空天飞行器、大型高速民航机和军用运输机、新一代战略战术作战武器、军/民用卫星、空间实验室、无人侦察作战飞机、武装直升机、地效飞行器、微型飞行器、智能控制可变形体飞行器和激光、动能等新概念武器等。 根据预测，在未来的十年中, 航空方面，由于空气动力学的发展,飞机的阻力将下降15%~20%,由于材料和设计技术的进步,飞机的结构重量将下降20%,由于元器件可靠性提高和制造工艺的改进,飞机的事故率将下降80%。新一代军用飞机将具有超音速巡航、过失速机动、短距起降、隐身等能力,配备更先进的电子武器系统,作战能力比现有飞机提高10倍；民用飞机将向更大、更快、更安全、更经济、对环境污染更小的方向发展。500~1000座的民航机可望投入使用。航天方面，包括运载火箭、卫星、可重复使用跨大气层飞行器和空间作战飞行器等在内的航天运输系统,将沿着高速、高机动、高可靠性、高隐形、精确打击、实时按需发射、可靠进入空间、迅速部署、扩展和维护、经济廉价、功能强、可重复使用等方向发展；控制空间将成为未来高技术战争条件下的战略制高点。要控制空间首先必须能进入空间，因此，发展进入空间的运载手段成为一项紧迫任务；远程、大纵深、精确打击将成为进攻力量的主体；建立全方位、多层次、灵活机动、快速反应的空天防御体系成为迫切需要。 未来空天飞行器平台的显著特点是多采用具有大升阻比的升力体构型。其结构是超轻质、高强和功能／结构一体化的，具有最先进的高超声速动力系统、结构防热系统、控制系统和安全保障系统。这类飞行器所具有的复杂外形和飞行环境引起一系列极为复杂的流动现象，如：激波，分离，漩涡，湍流，化学反应和等离子体流动，力、热、光、电磁多场耦合等；它们独特的服役条件和特定的作战使命要求，引出一类对现有科学知识具有挑战性的新的课题，如：强－短时载荷的耦合效应、高应变率－高温升率与结构间的非平衡耦合效应、智能材料与结构、智能自主控制技术、微流体力学和微系统动力学等。 空天技术的发展将非常类似20世纪前半叶航空的发展。今后若干年内，在强大的空/天/地一体化信息系统的支持下，战争将是全方位、大纵深、立体化的，一改过去传统的单一武器独立作战模式，变成海、陆、空、天、电五位一体，进攻与防御间的体系对抗。从空中（空间）作战支援发展到空中（空间）格斗以及从空中（空间）向地面实施远距离精确打击,将逐步成为具有战略意义的行为。这些都对空天技术发展提出了多方面严格要求。