美國空間攻防裝備與材料工藝

美國空間攻防裝備與材料工藝

1空間進攻裝備發(fā)展現(xiàn)狀空間攻防是指敵人在國內(nèi)外進行的軍事對抗，也稱為空間戰(zhàn)爭和天宮戰(zhàn)爭?？臻g攻防包括兩個內(nèi)容:空間攻擊和空間防御。空間攻擊是指通過主動攻擊敵方空間系統(tǒng)的天基、地基或鏈路部分,以達到欺騙、破壞、抑制、降級或摧毀敵方空間系統(tǒng)或信息資源為目的的作戰(zhàn)行動。美俄等大國都在加緊研制天基激光武器、反衛(wèi)星動能殺傷器等衛(wèi)星攻擊系統(tǒng),以及空天飛機、軌道轟炸機、太空飛行器,為未來空間攻擊做準備?？臻g防御是指為保護己方空間能力免遭敵方攻擊或干擾而采取的積極或消極行動和措施。當前一些大國紛紛把建立或者加入導彈防御系統(tǒng),以及在衛(wèi)星系統(tǒng)上采取各種防御措施如對衛(wèi)星系統(tǒng)進行加固或提高其跳頻、變軌能力作為提升空間防御能力的可行手段。目前,世界上空間攻防裝備發(fā)展水平最高的國家是美國。其技術(shù)成熟程度、投資規(guī)模和研究范圍都明顯領(lǐng)先于其他國家。2美國空間攻擊設備的發(fā)展現(xiàn)狀及其材料技術(shù)2.1衛(wèi)星武器的試驗和參數(shù)美國一直致力于反衛(wèi)星武器的研制,動能反衛(wèi)星武器和一些具有反衛(wèi)星潛力的微小衛(wèi)星的升空,反映出美國反衛(wèi)星武器的最新發(fā)展方向。美國的陸基動能反衛(wèi)星(KE-ASAT)項目將為美國提供攻擊敵方衛(wèi)星的能力,是美國空間攻擊的重要武器裝備。2003年進行試驗的XSS-10、2005年進行試驗的XSS-11及其他微小衛(wèi)星先后升空,映射出美國在微小衛(wèi)星反衛(wèi)星領(lǐng)域的強大技術(shù)實力。所謂動能反衛(wèi)星武器,是指利用高速飛行的非爆炸彈頭所具有的巨大動能,通過直接碰撞的方式摧毀衛(wèi)星的武器。動能殺傷器(KKV)是動能反衛(wèi)星武器的核心部件之一,如圖1所示。美國在動能殺傷器的輕小型化方面取得了突破性進展,其基礎是新材料技術(shù)的發(fā)展與應用。高推質(zhì)比的姿控發(fā)動機是美國在動能殺傷器輕小型化方面取得的一項研究成果,成功研制了鈦合金噴注器和復合材料燃燒室的反衛(wèi)雙組元姿控發(fā)動機,發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。發(fā)動機由活門、噴注器、C-SiC復合材料燃燒室、金屬套和安裝法蘭構(gòu)成。金屬套用于連接復合材料的燃燒室和鈦合金噴注器,由于活門的一些部件耐高溫性較差,燃燒的熱量可以通過該結(jié)構(gòu)釋放出去。金屬套需進行涂敷再機加工成形。金屬套和噴注器連接時應保證盡可能少地向活門傳輸熱量,而金屬套和法蘭間的接頭面積應盡量大,以增加向法蘭的熱量傳輸,從而將熱量排出燃燒室。由于受到涂敷層厚度和機加工可行性的限制,金屬套和法蘭之間的連接采用了焊接工藝。焊接過程中使用可拆分墊圈,焊接工裝的設計需考慮焊接接頭的特點,如圖3所示。XSS-10和XSS-11微小衛(wèi)星具有在軌檢查、交會、對接軌道物體,并圍繞它進行近距離機動的能力。與傳統(tǒng)制造航天器部件相比較,XSS-11使用了新型的高強輕質(zhì)的鈹鋁合金部件,如圖4所示,有效地降低了航天器發(fā)射入軌的成本。2.2空天飛機2.2.1u3000空間機動航空器與x-33美國在1986年就提出了國家空天飛機計劃(NASP計劃),目標是研制水平起降、單級入軌的高超聲速飛行器,它采用以超燃沖壓發(fā)動機為主體的吸氣式組合循環(huán)推進系統(tǒng)。1993年,美國又提出了“進入空間”計劃(access-to-space),提出在21世紀前10年以火箭發(fā)動機為推進的單級入軌運載器是最有希望實現(xiàn)低費用的可重復使用天地往返運輸系統(tǒng)。這種運輸系統(tǒng)選用洛克希德·馬丁公司的方案,進行重復使用運載器的驗證飛行器——X-33先進技術(shù)驗證試驗。兩個計劃的共同特點是單級入軌。雖然兩個計劃先后被擱置,但通過上述計劃的實施,美國在空間機動飛行器(spacemaneuvervehicle,SMV)、通用航空航天飛行器(commonaerovehicle,CAV)等方面取得了重大成果,X-37空間機動飛行器的效果圖和美國空軍裝備總部空軍裝備中心通用航空航天飛行器概念圖分別見圖5、圖6。X-37空間機動飛行器是一個小型、無人駕駛的航空航天平臺,2015年后它能從空間執(zhí)行美國空軍的各項任務,這些任務包括偵察、反衛(wèi)星和精確常規(guī)打擊等。為了減少X-37飛行試驗的風險,預先研制了一個X-37的85%的縮比模型進行試驗,模型長約6.7m,重約1134kg,采用石墨環(huán)氧材料及鋁制結(jié)構(gòu)。圖7為較早報道的空間機動飛行器材料結(jié)構(gòu)圖。X-37機長8.38m,機高2.74m,翼展4.57m,X-37機身為全復合材料,采用一臺AR2-3火箭發(fā)動機作為動力。設計中的X-37能在軌道連續(xù)運行21天,返回地球后能在常規(guī)飛機跑道上著陸。X-37上的最大技術(shù)改進是使用更輕的BMI石墨復合材料。通用航空航天飛行器是一種高超聲速再入飛行器,帶有精確制導的非核戰(zhàn)斗部,主要用于遠程對地攻擊,可用彈道式導彈發(fā)射,由三個單元組成:再入大氣時保護作用的錐形頭罩、制導和控制系統(tǒng)、有效載荷釋放系統(tǒng)。鈦合金、碳碳材料是其初選結(jié)構(gòu)與防熱材料,材料的選用和飛行器表面溫度場相關(guān)。2.2.2ma試驗結(jié)果2004年美國空軍和國防高級研究計劃局(DARPA)聯(lián)合推出了“獵鷹”(FALCON)計劃?！矮C鷹”計劃的核心是美國國防先進研究項目局的“可重復利用高超音速巡航飛船”。為了配合“獵鷹”計劃,NASA決定繼續(xù)進行“進入空間”計劃(access-to-space),并將計劃改名為“超-X”計劃,X-33驗證飛行器也變成X-43A驗證飛行器。X-43A將利用氣態(tài)氫燃料驗證在7Ma和10Ma條件下的有動力和無動力飛行技術(shù)。該驗證飛行器為楔形,長3.65m,寬1.5m,重1360kg,如圖8所示。前機身為進氣道,后部為排氣裝置。它裝在由“飛馬座”XL空射火箭改進的發(fā)射裝置上,由B-52飛機攜帶到高空投放。它將由“飛馬座”火箭帶到29km的高空,再利用自身動力飛行,最后濺落在海上。2004年11月16日,第3架X-43A試飛取得成功,飛行的最大馬赫數(shù)達到了10。X-43箭體結(jié)構(gòu)主要應用了各種鋼和鈦合金,還有鋁合金的橫梁、鋼制艙壁和鋁合金蒙皮,如圖9、圖10所示。選擇材料時需要考慮剛度要求,使用鈦合金時還要考慮材料的耐熱性能。箭體的前部為楔形,由重約393kg的實心的鎢合金制成,可保證箭體的平衡。X-43A的機身由C-C熱防護前緣和上下表面的氧化鋁增強的絕熱(AETB)陶瓷片構(gòu)成。橫向和縱向的尾翼為熱結(jié)構(gòu),材料為Haynes合金,僅在前緣有熱防護層。飛行速度為7Ma時,僅對橫向翼面增加C-C材料熱防護結(jié)構(gòu)。當飛行速度為10Ma時,橫向和縱向翼面均需加C-C熱防護結(jié)構(gòu)。發(fā)動機散熱片采用Glidcop銅合金,整流罩和側(cè)壁的前緣具有主動水冷系統(tǒng)。X-43A驗證飛行器的制造過程解決了一系列制造難題:如大型鎢合金粉末冶金燒結(jié),高溫鎳基合金水平和垂直尾翼加工與焊接技術(shù),有限空間內(nèi)的系統(tǒng)裝配及熱防護片的封裝修整技術(shù)等。3美國空間防御設備的發(fā)展和材料技術(shù)3.1衛(wèi)星的生存能力在空間對抗環(huán)境下,衛(wèi)星系統(tǒng)的易損性顯而易見。由于所帶燃料不多,衛(wèi)星的軌道較固定,機動能力十分有限,外形也難于隱身。因此,空間攻防中,在積極打擊、破壞敵方衛(wèi)星的同時,還必須提高己方衛(wèi)星的生存能力?？刹扇∫韵麓胧┻_到上述目的:對衛(wèi)星的外表面和易受激光和粒子束照射損傷的部分采取加固或保護,提高衛(wèi)星的軌道機動能力,衛(wèi)星表面涂覆吸波材料等。美國在衛(wèi)星防御方面采取了“隱型衛(wèi)星”、太空快速發(fā)射、高軌道靜默備份、抗輻射加固、在軌服務技術(shù)等多種方式。美國諾·格公司驗證了利用鎳納材料(nickelnanostrands)作為衛(wèi)星磁防護的可行性。鎳納材料由一組微米級至毫米級的鏈式鏈接鎳粒子組成,與多層碳納米管相似,但具有鎳的電磁、化學和金屬特性,利用該材料進行電磁防護可達到目前碳纖維和鋁防護同樣好的效果。3.2動能襲擊器國家美軍正在建設的一體化、多層彈道導彈防御系統(tǒng)由助推段防御、中段防御和末段防御系統(tǒng)以及指揮控制、戰(zhàn)斗管理與通訊系統(tǒng)組成。主要的反導類型包括定向能系統(tǒng)、動能攔截彈等。其中,動能攔截彈是發(fā)展重點之一。動能攔截彈由助推火箭和作為彈頭的動能殺傷飛行器(KKV)組成,借助動能殺傷器高速飛行時所具有的巨大動能直接撞擊摧毀目標的武器系統(tǒng)。自20世紀80年代實施“戰(zhàn)略防御計劃”(SDI)以來,美國為導彈防御系統(tǒng)研制了多種動能殺傷器,這些動能殺傷器被成功應用于地基中段防御系統(tǒng)的地基攔截彈(GBI)、“宙斯盾”導彈防御系統(tǒng)的“標準”3(SM-3)?；鶖r截彈、末段高空區(qū)域防御系統(tǒng)(THAAD)攔截彈、“愛國者”3(PAC-3)攔截彈以及最新研制的可機動部署的動能攔截彈(KEI)。目前,GBI、SM-3、PAC-3和THAAD攔截彈等都已進入部署階段。動能攔截彈的核心部件也是“動能殺傷器”(KKV),動能殺傷器技術(shù)并沒有絕對的反衛(wèi)星與反導彈之分。研制輕小型的動能殺傷器是一種發(fā)展方向,如SM-3戰(zhàn)斗部為固體推進劑的外大氣層輕型射彈(LEAP)總質(zhì)量不到10kg。4空間防御能力a.從美國反衛(wèi)星武器、空天飛機、衛(wèi)星防御及導彈防御系統(tǒng)等空間攻防裝備的研制與部署現(xiàn)狀,我們可以看出,美國