空天飞机2030年完成试飞

2019-12-05 来源:航天爱好者网 发布:

  据南方日报报道:在2017年全球航天探索大会上,中国航天科工集团公司副总经理刘石泉透露,我国正在研发水平起降、可重复使用的天地往返飞行器,并已完成发动机等多项关键技术地面试验,取得显著进展。这被称为“腾云工程”计划,拟在2025年完成关键技术攻关,2030年完成两级入轨空天飞行器技术验证试飞。

  起降飞行更加自由

  “腾云工程”所提出的天地往返飞行器,实际上也被称为空天飞机,是一种新型及大部分国家在研究及发展阶段的航天运输系统。空天飞机是跨大气层飞行器中的一种,能够快速在地面、平流层、临近空间以及近地轨道之间穿梭,携带有效载荷执行空天任务。其起飞方式与普通飞机一样,能从机场跑道水平起飞,通过组合动力或者多级形式快速进入临近空间,并以12—25马赫的速度在海拔30—100公里上进行高超音速飞行,还可以直接加速进入地球轨道,成为航天飞行器;返回大气层后,像飞机一样在机场着陆,成为自由地往返天地之间的运输工具。

  跨大气层飞行器不仅可自由往返于大气层内外,而且还能重复使用,目前世界上已投入使用,并已完成多次在轨飞行的空天飞机只有美国的X—37B。

  航空和航天是两个不同的技术领域,代表就是飞机和航天飞行器,他们分别在大气层内、外活动,航空运输系统是重复使用的,航天运载系统一般是不能重复使用的。而空天飞机能够达到完全重复使用和大幅度降低航天运输费用的目的。

  按照定义,飞行高度在海拔80—100公里以上的飞行器可被称为航天器,这个高度也是电离层所覆盖的区域,其空气密度非常低,传统的航空器最大飞行高度被限定在海拔40公里左右,主要依赖于空气动力学原理来设计,超出这个高度后空气动力效应基本不起作用,因此海拔40—100公里的高度被认为是连接大气层和外太空的临近空间,这也是现阶段跨大气层飞行器进行巡航机动飞行的主要高度。在不同的高度之间,不同的飞行器所需要的设计原理完全不同,而空天飞机就是要打破这一界限,实现跨界融合,同时具备两个不同空域的飞行能力。

  采用两级动力入轨

  相比于航空动力或者航天动力,空天飞机的动力系统由于要考虑兼顾两者,就必须更加复杂,因此目前世界上任何一种单一类型的发动机都难以胜任。而我国正在研发的水平起降、可重复使用天地往返飞行器,是采用两级入轨技术。

  实际上,空天飞机大多数会选择依靠大型载机发射起飞,因为依靠大型载机平台,可以实现从传统的机场起飞,而空天飞机自身则使用火箭动力推进。空天飞机由载机携带,在一定的高度上释放发射,可以大幅简化对助推级的性能要求。此外,因为载机本身已经给予了空天飞机一定的势能和动能,因此空天飞机可以减少推进剂携带量,降低自身重量或者携带更多有效载荷。而且,此类空天飞机的火箭尾喷管不需顾及海平面至准真空环境的变化,有利于提高发动机的比冲,可在其飞行包线内的任意一个高度和速度上进行发射。

  组合体起飞时,只需使用载机上低速性能最高的航空涡轮发动机提供动力。当组合体抵达海拔30公里高度时,空天飞机脱离载机,由于该空域还在大气层内,空气虽然稀薄但仍能为发动机的工作提供效用,因此,在这一阶段空天飞机可以使用高速冲压发动机提供动力;当空天飞机飞至大气层边缘时,则采用不需要空气也能工作的火箭发动机,飞出大气层。

  目前,所有跨大气层飞行器并不能真正实现依靠单个飞行器发动机就能从地面到太空的飞行。当然,有人会说航天飞机可以实现,但是航天飞机仍然是一套火箭发射系统,垂直发射,且是两级入轨系统,虽然可以重复使用,但重复次数也是有限。航天飞机与空天飞机最大的不同就是起飞方式,空天飞机可以水平起降。

  高超音速飞行考验隔热能力

  要在海拔30公里的高度上以至少8马赫的速度进行高超音速巡航,因此空天飞机必须具有适合进行长时间、高空高速飞行的气动外形,尤其还要兼具水平起降和大气层内的飞行能力。跨大气层飞行器也具有传统的航空飞行器特点,在大部分的飞行包线内,跨大气层飞行器可进行高超音速飞行,而在飞行过程中会产生各种极端的气动现象,如高温扰动、薄激波以及熵边界层等,这些气动现象很大程度上影响着跨大气层飞行器的飞行品质。特别是熵边界层是一种强漩涡区域,形成的漩涡干扰非常明显,对斜激波可产生较大的诱导速度和热力学梯度,会使高超音速飞行器的气动设计变得复杂。

  由于跨大气层飞行器与普通的航空器不同,飞行高度和速度存在巨大的变化,隔热结构和机身材料上需要特别讲究,高超音速的飞行过程中气动加热是十分明显的,头锥和机翼前缘温度可达到1400℃以上,其耐热材料需要具备较高的导热率,碳复合材料使用的比例还会更高。

  未来临近空间争夺战的主力

  可以从普通机场水平起降,可以重复使用,再加上从地面到地球轨道的广阔飞行包线与高超音速的飞行速度,以空天飞机为代表的天地往返飞行器,具备反应速度快的特点:起飞后迅速进入临近空间进行高超音速飞行,还具备快速介入和脱离战区的能力,能大幅提升未来战争中空袭的突然性。在作战用途上除进行全球打击外,还可以作为天基激光反导平台,摧毁敌方弹道导弹或航天器,甚至还能在全球范围内实现军用物资的快速补给或兵力投送。由于跨大气层飞行器的飞行速度至少在8马赫以上,目前世界上的主流防空导弹很难达到这个速度,加之临近空间大气稀薄,许多航空器无法在这一高度上活动,因此跨大气层飞行器不仅能在敌方的防空导弹打击范围之外活动,还可以给敌方巨大的心理压力。

  此外,空天飞机将在争夺制天权作战中担任主力。未来作战的模式将随着跨大气层飞行器的加入而改变,需要涉及航空和航天两个高度、两种空间作战,特别是制天权的争夺将成为未来战争中的主要焦点。对于装备先进轨道平台武器系统或大气层内超远程攻击武器的一方可获得非常大的主动权,从大气层内的作战飞机到轨道上的卫星都可作为潜在攻击目标。即便是载机平台携带的空射型跨大气层飞行器,其机动性也较强,从轨道返回后可在横纵两个方向上进行大范围的活动,对敌纵深目标进行秘密侦察。

  始于上世纪60年代的空天飞机探索

  空天飞机的探索,始于上世纪60年代,发轫于美国。由B—52载机携带释放的X—15验证机飞行高度达到了108公里,飞行速度超过了6.7马赫,其机身表面覆盖的为合金涂料可抗1200℃的高温。X—15的早期飞行方案使用两台XLR—11火箭发动机,后改为使用XLR—99火箭发动机,并在机翼下方增加了两个液态氧燃料罐,可以增加60秒的飞行时间。

  上世纪80年代中期,受美国“阿尔法”号永久性空间站计划的刺激,一些国家对发展载人航天事业的热情普遍高涨,积极参加“阿尔法”号空间站的建造。美、英、德、法、日等国纷纷推出了可重复使用的天地往返运输系统方案。

  美国在1986年提出的X—30国家空天飞机计划被认为是一个标杆性的设计,其提出单级入轨、水平起降,但并没有实现。

  轨道科学公司在1995年研制的X—34则是另一种符合当前技术现状的跨大气层飞行器,X—34计划中所使用到的翼身组合气动、热防护系统、自动着陆等都是验证跨大气层飞行器的关键技术,在1999年至2000年之间,X—34进行了自动着陆系统、风洞测试、载机携带等论证,对机身结构、复合材料低温存储箱、热防护系统等关键子系统进行了测试。

  X—34的发射方案也具有极强的借鉴意义,其由L1011载机在1.1万米高度上释放,投放速度在0.7马赫,只到安全距离确认后解锁X—34上的舵面,发动机点火后开始加速爬升,全程最大飞行速度可以达到8马赫,最后自动着陆。然而,X—34计划于2001年被取消,2架原型机一直存储于NASA德莱顿飞行研究中心。

  2010年4月22日,美国空军花费10年研制的全新“空天战机”X—37B首次试飞。这种外形和功能都酷似小型航天飞机的飞行器将通过火箭送入轨道环绕地球飞行,然后再以滑翔方式返回地面。据悉,该机从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空,并且在加利福尼亚州着陆。之后又进行了多架次的起飞与返回试验。

  虽然X—37B由火箭发射进入太空,并不是像大多数人想象的空天飞机那样水平起飞,但这仍然是第一架既能在地球卫星轨道上飞行、又能进入大气层的航空器,同时结束任务后还能自动返回地面。