未來的空天飛機發(fā)展趨勢

未來的空天飛機發(fā)展趨勢

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，宇宙已經(jīng)成為未來戰(zhàn)爭的主要戰(zhàn)場。世界各國紛紛發(fā)展航天技術(shù),力爭在太空戰(zhàn)場中占有一席之地。航空和航天技術(shù)有機結(jié)合而產(chǎn)生的空天飛機成為一種新型的作戰(zhàn)平臺,美軍“FALCON”計劃就是這種平臺的初步嘗試?？绱髿鈱涌仗祜w機具有反應速度快,生存能力強,用途廣泛,能對作戰(zhàn)對象進行遠程戰(zhàn)略打擊的優(yōu)點成為奪取制天權(quán)武器的首選。目前,空天飛機雖然還處于探索研究階段,但它將成為未來控制空間、爭奪制天權(quán)的關(guān)鍵武器裝備之一。一、空天飛機/空射機目前就其結(jié)構(gòu)而言,空天飛機可分為兩種類型,一種是單機型,即把航空發(fā)動機和航天發(fā)動機均裝在一個飛行器里,其典型代表是美國國家空天飛機。另一種是雙級型,即把航空發(fā)動機和航天發(fā)動機分別裝在兩個飛行器里,其典型代表是德國“桑格爾”空天飛機。雙機型空天飛機類似于空射航天飛機,技術(shù)比單機簡單,而且不需要極其復雜的綜合推進系統(tǒng),風險較低;在飛入軌道之前可以丟掉不必要的重量,與現(xiàn)代客機通用性較大。因此,預計這種類型較前推出。但由于單機空天飛機使用方便,是未來的發(fā)展趨勢?？仗祜w機作為軍事變革的先鋒,就其作戰(zhàn)運用而言,目前預計主要有空天轟炸機和空天偵察機兩種類型。一種是可能在2025年或其后部署的空天轟炸機。預計它能在2小時以內(nèi)飛行1.6萬千米、攜帶約5.4噸炸彈或巡航導彈,從一方本土出發(fā)轟炸全球任何一個地方的敵對目標。另一種是空天偵察或反偵察機,它能夠在太空攻擊敵方衛(wèi)星及其他航天飛行器、維修本國衛(wèi)星,或者把無人駕駛偵察機投放到敵方領空。二、空天飛機的特點1、先進的發(fā)動機和集成系統(tǒng)(1)可以重復使用。未來的空天飛機與今天靠一次性使用的運載火箭助推發(fā)射的航天飛機不一樣,它是可以重復使用的,這就大大降低了使用成本。其與普通轟炸機一樣,都需要多次的試飛,以提高飛行的安全性。(2)高超音速巡航能力。空天飛機是飛入大氣層外的近地軌道之后,以10倍超音速飛行,然后到達目標上空進行轟炸的。它采用的是獨特的超音速燃燒沖壓噴氣(SCRAMJET)發(fā)動機,且發(fā)動機與機身一體化。這些措施都極大地提升了轟炸機的速度。(3)先進的結(jié)構(gòu)設計。擯棄了傳統(tǒng)的冷結(jié)構(gòu)設計,采用防熱結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)一體化的熱結(jié)構(gòu)設計,部分的高溫區(qū)還可采用主動冷卻技術(shù)。采用熱結(jié)構(gòu)不僅減輕了機體重量,而且提高了熱防護系統(tǒng)的可靠性和耐久性。(4)水平起降。未來的空天飛機可以在普通飛機跑道上起降,大大降低地勤服務。另外,水平起飛還可以利用空氣的升力而不是單靠火箭的推力,這樣可以大量節(jié)省燃料的消耗。而且,起飛后即使發(fā)現(xiàn)故障,立馬可以返回修理,提高了安全性。(5)吸氣式的發(fā)動機。未來空天飛機應采用吸氣發(fā)動機,吸氣概念可以提高發(fā)動機的使用性能和運載有效載荷能力,減輕了飛機的重量。2、空天飛機的特點(1)反應速度快,作戰(zhàn)更易達到突然性?？仗祜w機可以從一方本土起飛后兩個小時內(nèi)就可抵達地球上任何一個地方遂行作戰(zhàn)任務。能對全球范圍發(fā)生的地區(qū)沖突迅速作出反應,或?qū)撤桨l(fā)動突然襲擊。因而,未來作戰(zhàn)中使空襲將變得更加突然,空中遠程奔襲運用更為明顯。(2)作戰(zhàn)用途廣泛。空天飛機不僅可用作全球打擊和空間激光反彈道導彈的平臺,而且還可用作部署空間衛(wèi)星和在全球范圍內(nèi)快速運送軍事物資和人員的平臺。(3)使用靈活性強。由于航天飛機在大氣層外飛行,航程又遠,在目前國際社會對空間的界定尚未確定的情況下,對敵方目標實施全球打擊時,不存在侵犯別國領空的問題,這樣可避免向有關(guān)國家申請過境飛行和要求提供前沿基地等麻煩事,從而提高空軍的戰(zhàn)略反應能力。(4)生存能力強。空天飛機將能在任何防空火力范圍之外飛行,最大地減少傷亡,符合各國都崇尚的“零傷亡”的思想;同時可以給另一方的國民造成巨大的心理壓力。(5)空戰(zhàn)和太空戰(zhàn)融于一體?？仗祜w機具有航空與航天的雙重功能和在兩個空間層次作戰(zhàn)的能力,必將成為溝通空中與太空戰(zhàn)場、將空中斗爭與太空斗爭融為一體的新型高技術(shù)裝備。它裝備有各種先進太空武器以及大氣層內(nèi)遠距離攻擊武器,可根據(jù)作戰(zhàn)需要,尋找并擊毀外層空間的軍用衛(wèi)星、空間站等太空目標及大氣層內(nèi)的各種航空器。(6)機動能力強,易發(fā)射。空天飛機能將航天器送上任何軌道,并可以向任何方向發(fā)射,發(fā)射時機亦不受軌道要求的限制;在從軌道返回時,可進行橫向和縱向的廣泛機動。同時,它可以像普通飛機一樣在大氣層內(nèi)飛行,也可進入外層空間,對敵方衛(wèi)星或其他太空武器進行跟蹤和干擾,使其失靈或?qū)⑵浯輾?或?qū)⑵洳东@,竊取其已獲得的情報;或?qū)⑵渌腿脲e誤軌道;或?qū)⑵鋷Щ氐孛妗?7)增強情報信息的時效性?？仗祜w機可利用攜帶的照相偵察、電子偵察等設備對陸、海、空、天目標進行偵察與監(jiān)視,對導彈發(fā)射進行預警。與各種偵察衛(wèi)星相比,空天飛機具有更大的靈活機動性,它既可以像軍用衛(wèi)星一樣在太空軌道運行的過程中獲取敵方情報信息資料,也可脫離軌道反復在目標區(qū)的外層空間飛行,隨時掌握作戰(zhàn)地區(qū)敵情變化,綜合各種偵察信息,提供更及時、更準確地戰(zhàn)場信息。三、年—空天飛機的現(xiàn)狀及發(fā)展空天飛機設想于20世紀30年代,但由于技術(shù)、經(jīng)濟條件的限制,空天飛機的發(fā)展緩慢。直到20世紀80年代初,美蘇爭奪太空的競爭愈演愈烈。在1986年2月5日,美國總統(tǒng)在國情咨文講話中,把航空航天飛機稱為新的“東方快車”,曾計劃在20世紀末投入使用。蘇聯(lián)(俄國)也針鋒相對地提出了“螺旋”計劃、“布拉風”試驗機計劃和“暴風雪”號航天飛機等一系列的空天飛機研制計劃。此后,英國提出代號為“霍托爾”(HOTOL)空天飛機計劃。與此同時,德國提出代號為“桑格爾”的空天飛機計劃。20世紀80年代興起的空天飛機計劃(NASP)是以解決天地往返運輸、軍用跨大氣層飛行器和民用高超音運輸機為背景的。美國進行了三種方案的研究工作。一是單級入軌空天飛機;二是以火箭為動力的單級入軌機;三是第二級為火箭動力的兩級入軌空天飛機。第一種是遠期目標。第二種為麥道提出的三角快帆,這種充分利用了火箭技術(shù)的成就的航天運載器預計運載成本可降到1100美元/千克。第三種是由波音提出的兩級入軌方案,這種方案充分利用了美國NASP研究中已取得的成績,并為其服務。NASP計劃的原定目標是通過研制可在地球低軌道飛行、像正常飛機一樣在跑道上起降的高超音速技術(shù)試驗機X—30,掌握發(fā)展空天飛機的主要技術(shù),然后研制高超音速軍用機、民用機和天地往返運載機。飛行速度將達到M5—25。所選定的X—30機體是小機翼、雙安定面和雙人機組艙,飛機的機身長50~65米。起飛總重約為113—136噸。推進系統(tǒng)將采用3—5臺超燃沖壓發(fā)動機和一臺推力為222.5—311.5KN的火箭發(fā)動機。X—30將像普通飛機一樣起飛和進行有動力的著陸。冷戰(zhàn)結(jié)束,美國的國防預算大幅度地縮減,又由于缺少在高馬赫下的實驗數(shù)據(jù),而無法進行昂貴的全尺寸設計。取而代之的是以實施一個6年期的技術(shù)上“風險縮減”的計劃。此計劃主要是進行高超音速的研究,這期間曾打算使用冷戰(zhàn)結(jié)束后變得多余的軍用火箭助推器,進行高超聲速飛行試驗(HYFLITE)。目的是利用這些飛行器探索高馬赫數(shù)的噴氣發(fā)動機和超聲速沖壓噴氣發(fā)動機的性能。盡管如此,但美國空軍仍關(guān)注X-系列空天飛機的發(fā)展,并給NASA注入資金,例如,X-37空天飛機就從空軍得到資金1600萬美元。而且,X-33也給美國空軍構(gòu)造了建立亞軌道天軍的藍圖。X-33系列飛機因流線型阻力小而倍受美空軍的青睞,而且X-33在1999年的多次實驗中進展順利,進行了一系列亞軌道跳躍、飛機入軌和著陸的試驗。但在2000年壓力試驗中由于裝有液態(tài)氫燃料的復合材料層外殼破裂,NASA暫停X-33計劃。美國空軍雄心勃勃,計劃要在太空戰(zhàn)斗和機動飛行器方面取得明顯進展。太空飛行器將是能夠發(fā)射低軌道單節(jié)軌道飛行器或使用第二級將有效載荷送到中介軌道或者更高的軌道。太空戰(zhàn)略飛行器將是能重復使用的發(fā)射器,能進入太空執(zhí)行任務。早在20世紀60年代初期,蘇聯(lián)米高揚設計局就提出了兩級有翼的可重復使用的空天飛機設想。由于蘇聯(lián)領導人認為時間太長和經(jīng)費過多而于1969年終止了這項計劃。但“螺旋”計劃、“布拉風”試驗機計劃和“暴風雪”號航天飛機升空都為設計者積累了豐富的經(jīng)驗。1993年9月初,莫斯利航空航天部門舉辦了一次展覽以及朱可夫斯基沙龍會議。在這次展覽會上,俄國提出的“國際重復使用的空天運輸系統(tǒng)”是一個很靈活的、具有多種功能的兩級入軌方案,可用于生態(tài)問題、空間供應和緊急救援等,運輸量范圍廣(1~18噸,)。該方案的核心是使用安—225重型載機。典型參數(shù)為:第—級起飛重量620噸,分離向度10千米,M0.8。第二級帶外油箱275噸,負載6.6噸,傾角為,高度為400千米軌道。俄同時還在研制更重型的MAKS型系統(tǒng),其運載能力可達18噸。該系統(tǒng)第二級有三種變體,即MARKS-OS、MARKS-T和MARKS-M,即載人型、一次性使用型和無人貨運型。英國是研究空天飛機起步比較早的國家。美國、前蘇聯(lián)、法國、日本都有一個航天飛機的發(fā)展階段,然而英國一開始就提出了水平起降單級入軌的“霍托爾”(HO-TOL)空天飛機方案,因而引人注目。20世紀80年代初,英國政府和工業(yè)界各投資一半開展為期兩年的概念驗證計劃,確認“霍托爾”方案的可行性。但在“霍托爾”的核心技術(shù)“吸氣式秘密發(fā)動機”取得了重大突破時,英國政府因無法籌集50億英鎊的經(jīng)費,該計劃被迫擱淺,目前只有6人堅守“陣地”?！盎敉袪枴笨仗祜w機設計出發(fā)點就很注重航天運輸系統(tǒng)的經(jīng)濟性,其要求載人和載貨分開,而且載貨采用無人駕駛。每次起飛需要人力為250人。德國在火箭技術(shù)發(fā)展上曾經(jīng)處于領先地位。但由于二次世界大戰(zhàn)的影響,德國不得不在長期內(nèi)放棄了發(fā)展空天飛機的計劃。直到20世紀80年代中期,德國才提出了名為“桑格爾”的空天飛機方案。方案的基本設想是第一級為載機,可以在普通跑道起飛,馱著軌道飛行器飛至25千米的高度,速度達M6~7。載機是一架裝有航空發(fā)動機的高超音速運輸機。第二級即軌道飛行器利用火箭發(fā)動機繼續(xù)上升加速直到進入軌道,軌道飛行器分為載入和載貨兩種。“桑格爾”空天飛機的總體已經(jīng)多次優(yōu)化修改目前,此方案采用兩級背負式,水平起飛和降落。任何階段都可安全返回,軌道463千米463千米,28.5,也可轉(zhuǎn)入同步軌道。第一級長86.43米,負載115噸,5臺可變?nèi)肟?、噴管喉?渦輪沖壓雙模式發(fā)動機,模式轉(zhuǎn)換在M3.3~3.8之間。每臺推力1300千牛(M1.2)。液氫用量134噸,2人駕駛,總重(含第二級)435噸,分離高度35千米,M6.6。第二級長32.45米,負荷7噸,一臺火箭發(fā)動機,推力1500千牛,液氫液氧83噸,重115噸,無人或5人駕駛。由于研究經(jīng)費的巨大,德國目前也在尋求國際合作伙伴。日本由于經(jīng)濟實力的增長,在空間領域表現(xiàn)出很大的興趣,并積極投入巨大的財力和人力進行研究。進入20世紀80年代之后,日本把航空航天工業(yè)定為國家發(fā)展戰(zhàn)略的重點。到1990年底,日本已成功地發(fā)射了多個航天飛行器。1990年3月又成功地發(fā)射了“繆斯A”月球衛(wèi)星,標志著日本的航天技術(shù)水平進入了世界先進行列。日本國家宇航實驗室(NAL)制定的宇宙飛機研究與發(fā)展計劃旨在定義概念“宇宙飛機系統(tǒng)”和發(fā)展相關(guān)的高超聲速技術(shù)基礎。日本空天飛機是單級人軌、水平起降的方案,某些設計思想類似英國的“霍托爾”。除了遠期的單級入軌方案外,還提出了一個近期兩級入軌方案。其共同點在于使用LACE(液化空氣循環(huán)發(fā)動機)作為低速段的推動方案。四、falcon,新的地面輔助手段空天飛機對于奪取制天權(quán)是必不可少的,而且超音速在5-10年就會更新一次。目前高音速正處