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評中國跨大氣層航天運載器發展

來源:新浪軍事 責編:大嘴 作者:離子魚 時間:2008-04-23





國產轟6戰機機腹加掛一種新型航天飛行器

中國航天技術在“神舟”之后又勝利完成了“嫦娥奔月”的壯舉,標志著運載火箭與衛星技術達到了新的高點,而在網絡圖片中出現的空間飛行器模型又展示了新的進展。圖片中掛載在轟6機身下的航天飛行器模型受到國內外的廣泛關注,該飛行器前端為卵型頭錐,帶有翼面的柱形機身尾部安裝有單發發動機噴口,噴口外形特點類似于典型的火箭發動機。該模型在整體設計特點上與國外發展的航天飛機比較接近,如果情況屬實,可以認為中國航天技術已經由火箭向跨大氣層飛行器發展。

  航天飛機與空天飛機

  跨大氣航天運載器通常指航天毽機和設計中的空天飛機,單級人軌火箭雖然在理論上也能夠滿足重復使用的要求,但是前兩者在使用靈活性上要比后者更有優勢,所以國內外航天,航空技術人員非常重視發展高性能航(空)天飛機。空天飛機和航天飛機作為可重復使用航天器屬于航天運載器的尖端技術,也是國內外長期投入很大力量和資源開發的先進技術。中國設計可重復使用航天運載器是繼載人飛船和探月衛星后的新成就,體現了中國航天技術已經開始由積累和探索向大規模發展方向進步的趨勢。

  航天飛機是目前跨大氣層飛行器中真正達到實用化標準的機型,空天飛機則是束來發展趨勢和技術方向。很多介紹空天飛機的文章中都強調其在大氣層外的軌道靈活性優勢,并且被認為是兼具飛機和運載火箭兩方面優勢于一體。但是,用來擔負大氣層外飛行的空天E機在使用上并不能像飛機那樣方便。空天飛機雖然在技術上確實能夠在太空中靈活調整軌道,但是大氣層外的近地軌道在人類長期的宇航活動中已經充斥了大量人造飛行器及殘骸,這對其在大氣層內和近地軌道的使用存在很大的影響。因此,認為航(空)天飛機可以隨時把載荷送上太空的想法至少在目前還是不現實的。

  因為發展航天飛機是需要強有力的航天、航空、材料、動力和氣動設計作為依托,所以現在具備生產實用型航滅飛機能力的國家只有美國和俄羅斯。美國航天飛機雖然在使用過程中出現過災難性事故,但仍然是現有航天器中最有效的運載工具。前蘇聯發展的“暴風雪”航天飛機在基本設計和技術上與美國類似,不過解體后惡劣的經濟條件使現在的俄羅斯失去了維持航天飛機發展的能力,只是其航天科研和生產基礎還具備必要時可恢復研制航天飛機的能力。歐洲航天局的“赫爾墨斯”和日本的“希望”都屬于小型低成本航天飛機,目前都只進行到模型試驗階段,距離真正達到實用化標準還有較大的距離。空天飛機的設計中,x一30,33和“桑格爾”在技術上非常先進,但現有技術條件下完成這樣先進的項目存在較大的困難,國外空天飛機的應用技術總體上還處于早期探索和驗證階段。

  空天飛機和航天飛機這類可重復使用航天器因為要滿足運載器往返需要,在可以攜帶的有效載荷上必然要低于一次性的運載火箭。但是可重復使用航滅器在理論上除了燃料和必須消耗品(防熱材料)外,構成制造和使用成本主體的運載器本身卻可以完全重復利用。空天飛機是現有航天飛機的整體技術進一步提高后的必然結果,空天飛機與航天飛機同樣用來滿足高密度宇航飛行的任務,空天飛機依靠低成本和高靈活性,可以取代運載火箭甚至是航天飛機,為宇航運輸提供反應迅速和單位載荷成本更低的跨大氣層運載工具。

  動力裝置是技術關鍵

  國際上公認空天飛機的技術難度要遠遠超過規格類似的航天飛機,兩者在機體設計和材料上并不存在明顯的差異,動力系統的技術和實用水平才是決定空天飛機技術難點的關鍵。航天飛機目前都是采用常規助推火箭進行彈道式發射,只要有足夠推力的火箭,就等于具備發展航天飛機的基礎。空天飛機的動力系統在結構和應用技術上與航天飛機截然不同,由此也使其在應用方面存在很多短時問難以克服的困難。

  目前空天飛機的動力系統多采用吸氣式噴氣發動機和火箭動力的組合形式。這樣的動力系統在技術上基本可以適應現有科技發展水平,實際使用的技術難度和資金需求也沒有超過現有條件的限制。不過,組合動力系統在不同飛行階段中不可避免地存在死重問題,因此很難滿足經濟性要求。國外重點開發的是兼具吸氣式噴氣發動機和火箭的綜合動力系統,通過讓同一臺發動機全程使用低溫燃料來滿足大氣層內外使用的要求。國外目前已經公開的這類裝置主要是采用液氫,甲烷燃料的空氣渦輪發動機(ATR)、超燃沖壓發動機(SCRAMJET)、液態空氣循環發動機(LACE)以及風扇一引射一沖壓推進系統(SERJ)。

  現代化高超音速航空動力裝置在技術上具有很大的發展潛力和應用范圍,單純吸氣式結構的發動機可以滿足高超音速飛機的基本動力要求,當飛行器本身攜帶氧化劑(更先進的技術是通過大氣層內飛行過程中捕獲和儲備氧氣作為氧化劑)時還能夠滿足亞軌道或跨大氣層飛行器的動力需要。綜合動力系統是將吸氣式發動機與火箭發動機綜合起來,在大氣層內飛行時利用低溫燃料(液氫、甲烷、丙烷)與進氣道吸人的沖壓空氣混合燃燒,當飛行器到達高空后逐漸在發動機燃燒室內加入液氧助燃,到飛行器接近大氣層外沿時完壘依靠低溫燃料和液氧燃燒產生動力,發動機燃燒室的工作狀態由吸氣式變為與火箭發動機類似的工作方式。空天飛機的綜合動力系統在原理上與目前戰術導彈固沖一體化動力系統類似,都采用吸氣式發動機燃燒室兼作火箭發動機的燃燒室,它們之間的主要區別是吸氣動力與火箭動力工作的先后順序。空天飛機的動力系統在采用吸氣方式工作時,在大氣層內的飛行速度可以達到6~12馬赫;在采用液體燃料火箭方式工作時,可以使飛行器速度增加到20一30馬赫,能夠滿足飛行器進行亞軌道或者跨大氣層飛行的要求。不過,這種綜合動力系統的技術難度要比分別采用大氣層內外兩套動力高得多,而且目前的技術水平也難以發展出滿足跨大氣層使用的動力裝置。現有超燃沖壓發動機和類似高超音速動力裝置的技術水平,只具備滿足飛行器在大氣層內15馬赫以下使用的設計和材料要求,短時間內也難以達到實用化型號所需要的推力和可靠性標準。

跨大氣層飛行器的軍事價值

  航天技術發展過程中最基礎和最有力的動力,就是在軍事上的需求。航(空)天飛機的發展在一開始就具備非常明顯的軍事應用意圖,各國無論是發展亞軌道高速飛行器還是跨大氣層飛行器,首先關注的都是這類飛行器的軍事應用。國際上跨大氣層飛行器技術水平最高和軍事應用最明顯的是美國,其航天飛機一直是整個空天一體戰裝備發展的組成部分,服役后確實也對美國軍事力量發展起到重要的作用。美國正在進行的x一30/33空天飛機計劃更是豪不掩飾其軌道轟炸/偵察機的使用定位。太空軍事化已經成為現代化軍事技術發展中不可回避的問題,中國即使想要和平利用太空,也不得不面對軍事上存在的壓力。

  航天飛機目前在設計和技術方面已經達到比較成熟的標準,而世界航空,航天技術強國已全面展開新型空天飛機的發展,其中,作為空天飛機基礎的亞軌道飛行器已經在試驗中獲得了很多經驗。亞軌道飛行器在航天任務中可以用來發射衛星和小型空天飛機,也可以根據使用需要在50~90公里上進行高超音速洲際飛行。

  亞軌道飛行器的飛行高度超過了目前絕大多數地空導彈的作戰范圍,而且5-8馬赫的飛行速度也能夠規避現有防空戰斗機的攔截。全程大氣層內飛行的亞軌道飛行器雖然無法具備空天飛機的太空運載能力,但是超高空高速飛行性能卻使其有著很強的軍事價值,國外開發的類似飛行器基本都以洲際轟炸機作為設計目標。

  亞軌道飛行器之后就是可以取代航天飛機的真正意義上的空天飛機。單級人軌空天飛機在燃料、載荷和飛行性能方面互相平衡和制約,各方面性能要求導致其必然是個龐然大物。國外現有單級入軌空天飛機的設計體積與重量都非常大,這又進一步加劇了材料和動力上的難度,最終導致x一30/33這類空天飛機設計走入了死胡同。單級入軌空天飛機無疑是現有可重復使用航天器類型中技術水平最高的,不過其動力裝置實在是短時間內難以克服的瓶頸,采用大型飛機運載小型飛行器的兩級人軌方式則是對技術難度和使用需要之間的妥協。兩級人軌方式是利用常規飛機將空天飛機運載到必要的高空和速度,機載空天飛機脫離母機后加速完成跨大氣層飛行。但是,兩級入軌空天飛機不可避免的要受到載機性能和載荷的限制,能夠攜帶的有效載荷重量和規格都比較小。兩級人軌空天飛機比較適合攜帶小于3噸重量的有效載荷進行高靈活性發射,也可以用來改進為軌道轟炸機或者小型反衛星武器的發射平臺。

  中國航空和航天科研系統很早就開始發展自己的跨大氣層飛行器,限于國內技術儲備不足和材料技術方面存在的缺陷,目前衛星發射和載人航天使用的仍然是傳統運載火箭。航空航天飛行器的發展過程中需要對需求、技術和成本進行綜合考慮與平衡,看起來最先進、甚至是理論上最好的,卻未必是最適合的。以中國目前的基礎條件想要跳過航天飛機階段直接發展空天飛機,其技術基礎和經驗積累可能完全無法保證研制要求,將導致研制周期較蠔。因此,采用大型飛機運載小型火箭動力飛機的兩級空天運載系統較為符合中國目前的技術條件和水平。

  兩級空天飛機需要大型載機平臺為其提供初始速度,但國內外在短時間里都無法提供滿足這一要求的大載荷平臺。運載火箭和航天飛機的助推火箭都只能在發射時一次性使用,準備火箭和運載器所需要的時間和對氣象條件的要求相對較高,必須在具備特殊基礎設施的專用場地才可以發射升空。空天飛機在理論上可以使用常規機場作為起降設施,起飛準備和對氣象條件的要求也比航天飛機寬松很多,但是使用上的良好前景目前卻難以抵消動力裝置技術上存在的困難,所以在其所需技術成熟前,航天飛機仍然有其價值。中國現有的火箭技術和航天器設計水平基本可以滿足發展航天飛機的需要,快速發展的經濟和日益改善的基礎科研條件也為其提供了必要的基礎。由此筆者以為,中國在發展可重復使用航天器的過程中不可能一步到位完成空天飛機,國內在技術、資料和人力儲備方面目前還比較薄弱,尤其先進吸氣式高超音速動力裝置的技術水平更是與國外差距明顯,所以,首先要在現有條件下確定適合實際情況的發展道路。國內已經具備大推力氫氧火箭和載人航天器的技術條件,在運載火箭技術的基礎上發展小型航天飛機是在現有相關技術基礎和資金保障條件下能夠做到的。國內現有大推力火箭和小型航天飛機技術起步并不慢,已經利用縮比模型完成了多種地面和空中試驗,在大體掌握技術原理的情況下為實用型號發展積累了一定的應用經驗。

  航天飛機在大部分技術上與空天飛機基本相同,尤其是在材料、結構和氣動方面更有著明顯的繼承和借鑒價值。沒有航天飛機的技術積累,就很難突破空天飛機的技術難關,中國也不可能在跨大氣層飛行器的關鍵技術方面從國外獲得支持,所以國內發展亞軌道或跨大氣層飛行器必須依靠國內自力更生。中國發展可重復使用航天器應該按照先易后難的方式逐步完善,在突破技術難點的目標下分階段完善整體技術和積累使用經驗。中國在高超音速飛行器方面應首先跟蹤國外先進技術的發展,利用超燃沖壓動力技術完成以軍事偵察和戰略轟炸為主要目標、速度范圍在6—15馬赫的亞軌道高速飛行器。跨大氣層飛行器重點開發利用火箭助推升空的小型航天飛機,首先利用航天飛機解決近地軌道衛星發射和其他有價值的航空航天任務,然后依靠亞軌道飛行器和小型航天飛機的技術,綜合發展兩級入軌空天飛機,逐步根據經濟和需求發展與相關技術的成熟程度推進實用型號的進步。

  國內開發跨大氣層飛行器存在的技術難點主要在動力設計和材料兩方面,氣動和飛控設計也非常復雜。發展航天飛機首先要獲得大推力火箭助推器,發展空天飛機則需要攻克高性能大推力綜合動力裝置這個難關,而且飛行器氣動外形與飛行控制系統的協調問題也需要長期的試驗和準備。國內發展的常規運載火箭因為在使用中與航天飛機存在明顯區別,其技術和材料很難直接應用到航天飛機上。航天材料技術的發展則直接關系到航天飛機的整體技術水平,如果不能攻克這個難關,航天飛機的設計就難以滿足達到實用化標準。國內航天器發展目前存在技術底子薄、實踐經驗少的問題,在發展先進航天器時必須進行長時間的準備和技術積累,尤其要在整個研制過程中投人足夠的資金來保障項目進展。照片中的飛行器模型在外形設計上明顯達到相當成熟的標準,也應該是具備火箭增速能力的有動力模型,可以認為國內在跨大氣層飛行器的技術應用方面較為扎實,在綜合技術條件上有可能已經接近工程發展所需要的標準。

  航天技術和航天運載器本身在設計上都具備改進成軍事裝備的潛力,但是從該模型的特點來看,還屬于比較單純的航天運載器,在軍事上能夠起到的作用主要集中在發射衛星和應用其他載荷方面,本身并沒有體現出明顯的攜帶武器執行作戰任務特征。中國在美國已經高調開始太空軍事部署的時候,必然也會有所反應,成功發展出航天飛機將促進軍用亞軌道高超音速飛行器和空天飛機的發展,為即將出現的天軍和太空戰奠定基礎。現代兵器第4期

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