1、世界主要空天飞行器研制情况及未来发展趋势 唐绍锋 张静 中国运载火箭技术研究院 Development Status and Trend of the World s Major Aerospace Vehicles空天飞行器 (Aerospace Vehicle) 是航空航天飞行器的简称。美国国家航空航天局 (NASA) 航空航天技术术语词典和麦格劳-希尔科学与技术术语词典对空天飞行器的解释为“在可感大气层内外都可以飞行的一类飞行器”, 即既能航空又能航天的飞行器。一般来说, 将海拔 100km 高度的卡门线作为航空与航天的界线。所以空天飞行器是指既可以在海拔 100km 以下又可以在海拔
2、100km 以上飞行的飞行器。本文从商业和军事两方面阐述了空天飞行器的研究意义, 介绍了空天飞行器研发所必须要突破的关键技术和世界代表性空天飞行器项目的研制情况, 并对空天飞行器的未来发展趋势做出了预测。1 研究意义商业意义发展空天飞行器可以大大降低空天之间的运输费用。据估计, 空天飞行器的运输费用至少可以降到航天飞机的 1/5, 甚至可降到 1%, 其实现途径归纳起来主要有三点:一是充分利用大气层中的氧, 以减少飞行器携带的氧化剂, 从而减轻起飞质量;二是整个飞行器全部重复使用, 除消耗推进剂外不抛弃任何部件;三是水平起飞, 水平降落, 简化起飞 (发射) 和降落 (返回) 所需的场地设施和
3、操作程序, 不受发射窗口限制, 减少维修费用和管理调度成本。空天飞行器不仅可以向空间站等空间系统补充人员、物资、燃料, 提供在轨服务, 把空间站内制成的产品运回地球, 还可以搭载乘客进行太空旅行, 使人们观赏到旖旎的太空风光, 为人们提供在地球上无法获得的体验。基于空天飞行器的高速能力, 乘坐它可以大大减少旅行时间, 方便快捷地到世界的任何地方看望朋友或进行商业旅行。此外, 空天飞行器还可以对自然灾害进行快速响应。军事意义在军事上, 空天飞行器可以在大气层内外自由飞行, 如果将它发展成一种全新的航空航天轰炸机、战斗机和运输机, 其作战区域将是整个地球乃至近地空间。它能在 12h 内突破任何地面
4、防御系统, 从空间对陆、海、空目标实施精确打击, 即具备了全球快速打击能力。而且, 空天飞行器可以长期在太空部署, 可以对敌方的卫星、宇宙飞船, 甚至太空站实施打击。只要装备简单的机械手, 空天飞行器就能将敌方卫星俘获;装备导弹后, 空天飞行器就能成为标准的太空战机。空天飞行器是比航天飞机更为灵活、速度更快、战斗力更强并且功能更多的一种新概念太空武器。2 关键技术空天飞行器是航空航天相结合的飞行器, 需要研制国在航空和航天领域同时具备很高的技术水平。经过多年的研究探索, 科学家和工程师们发现, 研制空天飞行器是一件“知易而行难”的事情, 所需关键技术的难度并不像过去所估计的那么乐观, 不是短期
5、内就能取得突破的。空天飞行器研制主要有以下关键技术。1) 气动设计分析技术。空天飞行器的最大问题之一就是其空气动力学性能。空天飞行器的飞行范围是从大气层内到大气层外, 速度从 0 到马赫数 25。由于如此大的空间、速度跨度和工作环境变化, 飞行器设计必须要满足几个相互矛盾的要求。解决空气动力学问题的基本手段是风洞, 然而世界上暂时还不具备马赫数可以跨越这样大范围的试验风洞。即使有了风洞, 为了得到数据还需要做上百万小时的试验, 这意味着即使昼夜不停地试验, 也需要花费超过 100 年的时间。所以利用数值计算技术进行气动设计分析是解决空气动力学问题的必要手段, 而对纳维-斯托克斯 (N-S) 方
6、程的求解, 目前还存在许多理论上和计算速度上的问题。2) 推进系统研发技术。空天飞行器所面对的大空间、速度跨度和工作环境变化是现有的所有单一类型发动机都不可能胜任的, 所以全新的推进系统也是空天飞行器研发的关键技术之一。推进系统最重要的特性是比冲量。众所周知, 喷气式发动机比冲量大, 可以在大气层中吸入空气, 无需携带氧化剂, 但无法在大气层外工作, 而且有马赫数约为 5.5 的速度上限;而火箭发动机自带氧化剂, 可以在大气层内外全程工作, 使用速度范围较广, 但携带的氧化剂质量较大, 比冲量小。设想的空天飞行器的推进系统一般采用超燃冲压发动机与火箭发动机, 或涡轮喷气发动机、冲压喷气发动机与
7、火箭发动机的组合动力方式。然而超燃冲压发动机的研制目前还存在很多的技术难题, 而且多种发动机的组合方式会使推进系统变得过于复杂而可靠性降低。3) 材料与结构设计技术。空天飞行器需要多次出入大气层, 每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热, 特别是以高超声速再入大气层时, 气动加热会使其表面达到极高的温度。在飞行时, 飞行器头部和机翼前缘的表面温度可达 2760。在这种情况下, 航天飞机上的防热瓦块式热防护系统就不再适用了, 必须在开发新材料的基础上开展原创性的结构设计, 以给飞行器配备一个质量轻、性能好、能够重复使用的热防护系统。除此之外, 空天飞行器在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力
8、、振动、空气动力等作用, 在返回再入阶段要经受颤振、抖振、起落架摆振等作用。在多种工况复合作用下, 热防护系统既要保持良好的气动外形, 又要能够长期重复使用, 维护方便, 所以其设计具有相当的技术难度。4) 一体化设计技术。空天飞行器除起飞加速阶段外, 其他阶段的飞行速度都很高, 当其以马赫数超过 6 的速度在大气层内飞行时, 空气阻力将急剧上升, 所以其外形必须高度流线化。亚声速飞机常采用的翼吊式发动机已不适用, 需要将发动机与机身合并, 以构成高度流线化的整体外形, 即让前机身容纳发动机吸入空气的进气道, 让后机身容纳发动机排气的喷管, 实现发动机与机身一体化。在一体化设计中, 最复杂的是
9、要使进气道与排气喷管的几何形状能够随着飞行速度的变化而变化, 以便调节进气量, 使发动机在低速时能产生额定推力, 而在高速时又可降低耗油量, 还要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能, 以使它在再入大气层的过程中能够经受住高速气流和气动加热的作用。3 代表性项目研制情况目前, 美国、俄罗斯、欧盟、英国及日本都在空天飞行器的研发方面有较大的投入。然而, 从能够看到的资料分析, 目前世界上所有在研的空天飞行器都还未取得实质性成功, 还处在研究及发展阶段。美国美国开展的空天飞行器研发项目占全球总数的 50%以上。1982-1985 年, 美国在国防高级研究计划局 (DARPA) 的主持下开展了“国家航
10、空航天飞机” (NASP) 方案的可行性研究工作, 旨在研发一种可以水平起飞和着陆的单级入轨飞行器, X-30 是 NASP 的一个先进技术演示试验飞行器。X-30 对机身和发动机进行了一体化设计, 铲形前机身产生冲击波, 以在空气进入发动机之前对其进行压缩;后机身设计成集成喷嘴的形式以扩大排气;前后机身中间配置 1 台超燃发动机。根据设计, 飞行器长度为 48.8m, 翼展为 22.6m, 总质量为 136078kg, 动力装置为 1 台超燃发动机, 并且能携带 12 名航天员。尽管在必要的结构和推进技术方面取得了一些进展, X-30 方案还是由于诸多技术难题和昂贵的开发成本于1993 年停
11、止。世界主要空天飞行器项目 下载原表 B-52 飞机搭载 X-43 示意图 下载原图取而代之的是 X-43 无人驾驶试验飞行器。X-43 继承了 X-30 已突破的技术, 但是规模要比 X-30 小, 长度只有 3.7m, 质量约为 1300kg, 也采用超燃发动机作为动力。由于超燃发动机只能在马赫数 4.5 或更高的速度范围内运行, 为了达到这一要求, X-43 首先由 B-52 飞机搭载升空, 在适当时刻与母机分离, 依靠携带的“飞马座” (Pegasus) 火箭将自身速度提升至超燃发动机可以工作的范围, 然后依靠超燃发动机工作继续飞行。X-43 共进行了 3 次飞行测试, 并在2004
12、年 11 月 6 日的第 3 次测试时实现了马赫数 9.6 的飞行速度。比较而言, 目前为止最为成功的空天飞行器项目就是 X-37B“轨道试验飞行器”(OTV) 。X-37B 由波音公司旗下幻影工厂制造, 长度为 8.8m, 高 2.9m, 翼展为 4.6m, 尾部有两扇竖尾翼, 大小是航天飞机的 1/4, 起飞质量超过 5t。X-37B 体积虽小, 但功能齐全, 有一个与航天飞机相似的背部载荷舱, 尺寸与皮卡车的后货箱相当, 载荷能力约为 2t, 内置货舱可以搭载小型机械臂, 抵达轨道后可展开进行轨道作业。为了满足在轨能源需求, X-37B 还携带了太阳能电池板。X-37B 采用火箭发动机
13、(无法实现水平起飞) , 推进剂为甲基肼 (MMH) 和四氧化二氮 (N 2O4) 的双组元自燃推进剂。2010 年 4 月 23 日, 首架 X-37B 从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功发射升空, 宇宙神-5 (Atlas-5) 火箭执行了此次发射任务。这架 X-37B 轨道试验飞行器于 2010 年 12 月 3 日成功降落在美国加州范登堡空军基地, 飞行时间 224 天。2011 年 3 月 5 日, 第二架 X-37B 由一枚宇宙神-5 运载火箭搭载升空, 于 2012 年 6 月 16 日成功返回地球, 共飞行 468 天。2012 年 12 月 11 日, 从卡纳维拉尔角空军基
14、地再次成功发射 X-37B 飞行器。执行本次任务的 X-37B 与 2010 年发射的为同一架, 飞行 674 天后成功返回地球。2015 年 5 月 20 日, 由宇宙神-5 火箭对 X-37B 飞行器进行了第4 次发射, 于 2017 年 5 月 7 日成功返回地球, 在轨飞行 718 天。项目发展至今, X-37B 的存在价值一直备受争议, 而且美国军方甚少透露它的任务与行踪, 令外界对其用途有诸多猜测。有军事专家认为, 美国会在此基础上开发出彻底颠覆现有军事武器体系的作战系统;美国的基督教科学箴言报称, X-37B 的试飞“非常清楚地表明军事武器太空化已经开始”。X-30 下载原图临射
15、前的 X-37B 下载原图飞行中的 X-37B 下载原图除 X 系列试验飞行器外, 美国还有多项私人资本投资的空天飞行器研发项目。太空船-1 是 1 架装有火箭发动机的有翼飞行器, 由美国缩尺复合体公司制造。使用混合式固体火箭发动机, 有双尾翼以及可变的半三角翼机翼, 在不同的阶段, 机翼会变成不同的状态。与 X-43 类似, 太空船-1 需要母机载上高空后才开始自行飞行。飞行器长度为 5m, 翼展 5m, 翼面积 15m, 机身直径 1.52m, 加注燃料前质量 1200kg, 由 1 台一氧化二氮/端羟基聚丁二烯混合式固体火箭 (Space Dev 公司研制) 作为动力。2004 年 6
16、月 21 日, 太空船-1 成功地完成了第一次私人资本的人类太空飞行。太空船-1 由一架“白色骑士”喷气式飞机搭载升空, 当“白色骑士”飞抵 15km 高空时, 释放出太空船-1, 飞船火箭发动机点火, 80s 后飞行速度升至马赫数 3 左右, 攀升至约 50km 的高空, 在火箭发动机关闭后, 太空船-1 再向上冲到约距离地面 103km 的太空。在整个飞行期间, 太空船-1 大约有 200s 处于失重状态。随后, 太空船-1 开始降落, 这时它的机翼后半部和 2 个尾翼均向上旋转, 直至跟船身成直角, 以帮助船体减速。当太空船-1 重新进入低空后, 尾翼旋转回原来位置, 飞行员驾驶着没有任
17、何动力的太空船-1 滑翔, 像普通飞机一样, 在机场水平着陆, 完成载人亚轨道飞行。同年, 太空船-1 满足了 2 周之内载 3 个人 (或相等质量物品) 作 2 次高度 100km的飞行而飞行器更换的配件不得超过质量 (此处指除燃料之外的质量) 10%的要求, 因而赢得 1000 万美元的“安萨里 X 大奖”。太空船-1 的飞行虽然取得了成功, 但也暴露出很多安全隐患, 要实现人类太空旅行的常态化还需要继续努力。“白色骑士”飞机搭载太空船-1 下载原图在太空船-1 的基础上, 缩尺复合体公司与维珍银河公司联合开发了太空船-2。太空船-2 是一个低长宽比飞行器, 可以容纳 6 名乘客和 2 名
18、飞行员。同太空船-1 类似, 在 15km 高空处, 太空船-2 从它的母机 (白色骑士-2) 中被释放。太空船-2 长度为 18.3m, 翼展 8.3m, 高度 5.5m, 由 1 台液/固混合动力火箭作为动力。太空船-2 的乘员舱长度为 3.7m, 直径为 2.3m, 还设有 43cm 和 33cm 直径的窗口, 以满足乘客观看外部太空的需求。2014 年 10 月 31 日, 太空船-2 遭遇飞行失利, 导致 1 名飞行员死亡, 另 1 名飞行员受伤。美国国家运输安全委员会对事故进行了独立调查。2015 年 7 月发布的一份报告中称, 设计缺陷、飞行员操作错误、缺乏严格的联邦监督等是造成
19、事故的重要因素。白色骑士-2 搭载太空船-2 下载原图俄罗斯俄罗斯和美国是目前世界上仅有的 2 个成功完成航天飞机飞行的国家。俄罗斯正在开展代号为“多用途空天系统”的空天飞行器的研制工作。“多用途空天系统”是可重复使用的超声速有翼飞机火箭系统, 设想可以将 2060t 的有效载荷送入轨道, 由赫鲁尼切夫国家航天研究与生产中心及中央航空动力学研究所等单位负责开发。“多用途空天系统”采用了安装在后机身上的后掠机翼、双倾斜垂尾和安装在前机身的小型上反鸭翼的外形设计。早在 2013 年, 俄罗斯中央航空动力学研究所就已经完成了该飞行器载波空间飞行的可行性研究的第一阶段, 其进一步的研制进展还未有公开报
20、道。俄罗斯“多用途空天系统”模型 下载原图欧洲除美俄两国, 欧洲发达国家也有自己的空天飞行器项目。早在 20 世纪 80 年代, 德国就开始了代号为“桑格”的空天飞行器研发工作。飞行器采用两级概念, 第一阶段采用冲压式喷气发动机, 使飞行器水平起飞并爬升到 30km 的高度, 达到马赫数 7 的速度;第二阶段采用液氧/液氢火箭发动机将飞行器加速到轨道速度和高度。设想飞行器能够将低于 10t 的有效载荷或 1 个机组模块运送到低地球轨道。由于研发成本的原因, 该项目于 1995 年停止。德国“桑格”飞行示意图 下载原图英国在 1982 年由罗尔斯-罗伊斯公司和英国航空航天公司进行合作开始了自己的
21、空天飞行器“霍托尔”即“水平起飞水平着陆” (horizontal takeoff and landing) 的研发。“霍托尔”被设想为一个无人的、完全可重复使用的单级入轨有翼飞行器, 可将约 78t 的有效载荷运送到 300km 的轨道高度。按照设计, “霍托尔”长 62m, 高 12.8m, 机身直径 5.7m, 翼展 19.7m。其最有特色的技术就是它的 RB545 发动机, RB545 是由罗尔斯-罗伊斯公司开发的吸气式火箭发动机, 它是 1 个具有双重角色的动力装置在大气中工作时它是吸气式发动机, 在靠近及在近地轨道上工作时它类似于火箭, 它被认为是“霍托尔”的“心脏”。由于缺乏资金
22、, 该项目于 1989 年停止。“霍托尔”虽然被停止, 发动机 RB545 的研发却为英国新的空天飞行器“云霄塔”奠定了技术基础。同“霍托尔”类似, “云霄塔”的“佩刀” (SABRE) 发动机也是其最有特色的技术。“佩刀”发动机是一种协同联合循环火箭发动机, 其设计是通过使用液氢燃料来冷却闭式循环预冷器中的氦, 从而快速降低入口处的空气温度;然后将吸入的空气用于燃烧, 类似于常规飞机发动机, 一旦氦离开预冷器, 其就被预燃烧器中的产物进一步加热, 可以为驱动涡轮机和液氢泵提供足够的能量。当速度超过马赫数 5.5 时, 发动机进气口关闭, 发动机仅依赖机载的液氧/液氢燃料工作。与“霍托尔”相比
23、, “云霄塔”有如下不同: (1) 为了减轻质量, “云霄塔”使用了传统的可收回起落架; (2) “佩刀”发动机性能大大提高; (3) 通过将发动机放置在机翼末端的同时, 将机翼布置到靠近飞行器纵向质心的方式来解决飞行稳定性问题。“云霄塔”的长度为 82m, 直径为 6.3m。英国“云霄塔”飞行示意图 下载原图英国“霍托尔”外观图 下载原图欧盟“欧洲宇航防务集团太空飞机”飞行示意图 下载原图欧盟开发的“欧洲宇航防务集团太空飞机”在 2007 年的巴黎航空展上首次亮相。该飞行器的推进系统由 2 个喷气式发动机和 1 个火箭发动机组成。喷气式发动机负责从地面到 12km 高度的飞行。火箭发动机在
24、12km 的高度点燃, 工作 80s后, 飞行器高度达到 60km, 然后依靠惯性爬升到 100km 的峰值高度;在经历大约 35min 失重后, 返回大气层, 这时再次采用喷气式发动机着陆。飞行器按照设想能够在通常的民用机场起降。日本日本从 1988 年开始逐步把研究重点从航天飞机转向单级入轨的空天飞行器, 并针对其中的关键技术进行了进场着陆、流体力学计算、单级入轨方案分析、轻型耐热结构及高超声速发动机研究, 新建了冲压/超燃冲压发动机试验设施、先进复合材料试验设施, 扩大了高超声速风洞试验段, 积累了大量的技术基础。4 未来发展趋势由于空天飞行器具有巨大的商业价值和军事价值, 世界各航空航
25、天强国必定会更加重视空天飞行器的发展, 进一步加大研制投入和加快研制节奏。根据预测, 在未来 10 年, 由于空气动力学的发展, 飞行器的阻力将下降15%20%;由于材料和设计技术的进步, 飞行器的结构质量将下降 20%;由于元器件可靠性提高和制造工艺的改进, 飞行器的事故率将下降 80%。商业空天飞行器将向更大、更快、更安全、更经济、对环境污染更小的方向发展。军用空天飞行器将沿着高速、高机动、高可靠性、精确打击、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。未来空天飞行器平台的显著特点将是多采用具有大升阻比的升力体构型。其结构是超轻质, 高强度, 功能、结构一体化的, 具有最先进的高超声速推进系统、结构热防护系统、控制系统和安全保障系统。
