浅谈未来的航天飞行器

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未来的航天飞行器--空天飞机
摘要：2003 年，美国的“哥伦比亚”号失事，由此引发了空天飞机的研发热潮。空天飞机 集航空航天技术于一身，兼有航空和航天两种功能，既能完成民用航空航天运输任务，又能 执行多种军事航空航天任务，是一种具有广阔发展前景的载人航天器。 关键词：空天飞机 未来 航天器 Abstract：In 2003, the "Columbia" accident, which led to the development of the space plane. Set in an aviation and aerospace technology, the space plane, which is a broad development prospects of the manned spacecraft, is a combination of aviation and aerospace and can complete the task of space transportation as well as a variety of military tasks. Key words：Space plane Future Spacecraft 一、空天飞机概述 (一)什么是空天飞机 空天飞机是航空航天飞机 空天飞机 航空航天飞机的简称。 航空航天飞机 空天飞机是航空和航天技术相结合的初步尝试， 是既能航空又能航天的新型飞行器。 空 天飞机能实现航天运载系统的部分重复使用、 提高操作效率和大幅度降低航天运输费用。 它 集飞机 运载器 航天器 飞机、运载器 航天器等多重功能于一身，既能在大气层内作高超音速飞行，又能进入轨 飞机 运载器、航天器 道运行，兼有航空和航天两种功能。因而具有非常广阔的运用前景。 空天飞机能像普通飞机一样起飞， 以高超音速在大气层内飞行， 30～100 公里高空的 在 飞行速度为 12～25 倍音速，并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。 在此之前，航空和航天是两个不同的技术领域，由飞机和航天飞行器分别在大气层内、 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 够达到航天运载系统完全的重复使用和大幅度降低航天运输费用的目的。 （二）空天飞机的类型 目前，在研的空天飞机主要有两种 两种类型。 两种 一种是单级型 单级型，即把航空发动机和航天发动机均装在一个飞行器里，水平起降，单级入 单级型 轨。典型代表有美国的“ 国家空天飞机”和英国的“ 霍托尔” （HOTOL）单级入轨空天飞 机(见下图)。
气流和气动加热的双重考验，并多次重复使用。 三、空天飞机的发展现状 空天飞机的设想产于在 20 世纪 30-40 年代， 随后人们对空天飞机作过一些探索性试验。 由于当时的技术、经济条件相差太远，且应用需求不明确，因而进展缓慢。但世界各国并没 放弃寻求更为经济有效的往返于天地之间的运输系统，以取代昂贵的运载火箭和航天飞机。 随着流体力学，耐高温热材料，巨型计算机等高技术的突破和进展，为空天飞机的产生发展 奠定了理论和技术基础， 都纷纷提出了各自研制空天飞机的计划。 而这些计划却蕴含着今后 空天飞机的发展趋势。 （一）美国 20 世纪 80 年代初，以美，苏为首的两个军事集团的空间军备竞赛愈演愈烈，1985-1994 年美国实施了庞大的“国家航天飞机计划” 。由于巨额经费和技术上的复杂性以及政治上的 “国家航天飞机计划” 干预，此计划经历巨大挫折，但推动了高超音速技术的发展，逐步掌握了马赫数小于 8 的超 燃发动机设计技术。90 年代，洛马公司在美国航天局（NASA）支持下实施了空天飞机研制 计划（ 超-X”计划 ，推进系统采用新式的直排气动塞式发动机，由“ 飞马座”火箭发射 “ ”计划） 升空。目的是利用这些飞行器探索高马赫数的喷气发动机和超声速冲压喷气发动机的性能。 后继型 X-43C 已在研制之中。X-43C 长约 4.88 米，仍由“ 飞马座”火箭发射升空，尔后靠 自身动力加速到马赫 7，并以此速度巡航X-43C 预计到 2007 年进行首次试飞。X-43C 成 功后，NASA 将研制一种叫 RASCAL 的空天飞机。它有机翼，重 3.628 吨，可携带 7.256 吨 有效载荷，并能多次使用。 （二）前苏联（俄罗斯） 早在上个世纪 70 年代， 前苏联就开始了研制空天飞机的工作， 螺旋” 计划、 布拉风” “螺旋” 计划、 布拉风” “ 试验机计划和“暴风雪” 试验机计划 “暴风雪”号航天飞机升空为设计者积累了丰富的经验。俄罗斯提出了可重复 使用的空天运输系统构想。 按照此构想， 系统采用具有很强的灵活性和多种功能的两级入轨 方案，用于紧急救援、空间物资供应以及提供生态问题研究等，可搭载的有效载荷为 1-18 吨。这一方案的核心部分是使用安-225 重型机载，第一级的起飞重量为 620 吨，分离高度 为 10 千米。第二级带外挂油箱为 275 吨，可负载 6.6 吨，倾角 90°，进入高度为 400 千米 低地球轨道。其设想与空天飞机规划相近似：第一级为安-225“ 梦幻”飞机，从其上起飞 轨道飞机，但安-225“ 梦幻”的升限只有 10-12 千米，而新型空天飞机可上升到 100-200 千 米。目前，俄罗斯正在研制具有广泛发展前景的 MAKS 系统 系统，它是可执行广泛太空任务的 两用空天飞机，既可完成军事任务，也可用于其它目的，发射重量 620 吨，第二级重 275 吨，有效载荷重量 9 吨。轨道飞机乘员数量 2 人（ 或为无人驾驶） ，飞机长 19.3 米，机高 8.6 米，翼展 13.3 米，重量 27 吨。俄同时还在研制更重型的 MAKS 型系统，其运载能力可 达 18 吨。该系统第二级有三种变体，即 MAKS-OS、MAKS-T 和 MAKS-M.，即载人型、 、 一次性使用型和无人货运型。 （三）日本 日本由于经济实力雄厚， 对空间领域的探索虽起步较晚， 但也制定了空天飞机的研究与 发展计划。所设想的是一种单级入轨、水平起飞和着陆，能重复使用的空天飞机。近年来， 日本科学家独辟蹊径， 研究了用超导磁悬浮发射台 超导磁悬浮发射台来发射航天飞机。 这种发射方式最大的优 超导磁悬浮发射台 点是推力大、成本低、可重复使用；据报道，日本将建造的“航天母舰”可在太平洋上游弋，
变化对空天飞机的要求非常高。 目前的情况是： 航空领域使用的喷气式发动机在太空层吸入 空气，无需携带氧化剂，效率较高，但无法在大气层外工作；航天领域广泛使用的火箭发动 机，可以在大气层外工作，使用速度范围很广，但需携带大量氧化剂，较笨重而且安全性较 差。涡喷发动机适合于 M2.5 以下的飞行，亚音速燃烧冲压发动机适合于 M3-6 飞行，超音 速燃烧冲压发动机适用于 M6-12 飞行，火箭发动机则可使飞行器达到更高的速度。要想研 制速度达到几百千米的空天飞机就需要全新的可重复使用的推进系统。 这就需要研制一种既 能适应大气层又能适应真空条件，举要亚音速、超音速、高超音速等多模态的组合循环发动 机。对空天飞机来说，就要解决超音速燃烧冲压发动机技术，这种发动机能在超音速条件下 稳定、高效地工作，从而产生足够的推力。 （二）防热结构和材料 现有的航天飞机采用被动式防热系统， 防热结构和承载结构是分开设计的， 由于气动加 热时间较短，表面覆盖氧化硅防热瓦即可达到满意的防热效果，这就相当于给飞机“穿”上 了“防热服” 。空天飞机的情况就不同了，它需要多次出入大气层，每次都会与空气剧烈摩 擦产生大量热量，特别是以高超音速度返回、再入大气层时，气动加热会使其表面达到极高 的温度。据估算，空天飞机机头处温度最高约为 1800°C，机翼和尾翼前缘的温度为 1460° C，机体表面任何一点的温度都不低于 650°C，远远超过航天飞机的 315°C，甚至某些部位 所产生的温度是航天飞机的 10 倍左右，而且持续时间长达 1-2 小时。因此，空天飞机必须 采用新的防热结构和轻型的可重复利用的防热材料， 选用主动冷却系统， 并能长期重复使用 和维护方便。 （三）高超音速飞行理论与试验技术 人们把 M 数超过 5 的飞行称作高超音速飞行。对于 M 超过 12 的空气动力学知识，人们 6 现在还知之甚少。例如，在极高速飞行中，空天飞机的湍流边层雷诺数高达 100×10 ，仅 仅包围着机体，使机身和机翼出现“增肥”的效应。发动机进气道热湍流边界层的厚度可达 15 厘米，而尾喷气管的化学反应流会带来什么后果难以预料。这些疑难的空气动力学的问 题在研制空天飞机过程中是必须解决的。解决的途径有两条：一是建造 M 数很高的高雷诺 数、大尺寸风洞，进行模拟吹风试验；二是利用超级计算机进行计算。美国正在探索这两条 路径，并且利用自由飞模型试验，积累数据和知识。目前世界还没有 M 数大于 8 的风洞。 即使有风洞，尚需做上百万小时的试验。因此必须依靠理论计算来研究气动力问题，这就需 要研制计算速度高达每秒数十亿乃至数百亿次的超巨型计算机和求解复杂的纳维-斯托克斯 方程的软件。 （四）发动机与机身一体化 为减小气动阻力，空天飞机的外形必须高度流线型，需要将发动机与机身进行融合，以 构成流线型的整体外形。为了解决单级入轨，空天飞机机体的空重（除燃料和有效载荷以外 的重量）必须非常轻。因此，需要简化结构，把前机身做成发动机吸入空气的进气道，把后 机身做成发动机的排气喷管，这就是“一体化设计” 。 在一体化设计中， 最复杂的就是要使进气道与排气喷管的几何外形能随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的推力，在高速时又可降低油耗量，还 要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能， 以使它在再返回大气层的过程中， 能经受住高速
（三）空天飞机的特点 单级空天飞机技术较先进，使用方便；而两级空天飞机技术简单，易于实现。但无论哪 种类型，都具有其它航空运输器无可比拟的性能和特点： 1.吸气发动机，大载荷 主动力装置均采用吸气发动机，可增大有效载荷。如“ 霍托尔”采用吸气式双模态火 箭发动机、NASP 采用吸气式超燃冲压发动机、 桑格尔”载机采用吸气式涡喷冲压组合式 “ 发动机等。 这种动力装置不仅提高了发动机的使用性能和有效载荷能力， 而且为发展高超音 速飞机奠定了坚实的动力基础。 2.结构一体化，更安全 采用先进一体化结构设计， 技术先进。 目前各国的空天飞机设计都屏弃了传统的冷结构 设计， 采用放热结构与主体结构一体化的热结构设计， 并且针对不同的温层采用不同的冷却 技术。不仅减轻了机体重量，而且提高了热防护系统的可靠性和耐久性，更能满足高速飞行 的需求。水平起降设计可以借助空气升力飞行从而减少燃料消耗，起飞后故障可中途返回， 有较高的安全性。 3.机动能力强，易发射 空天飞机能将航天器送上任何轨道， 并可以向任何方向发射， 发射时机亦不受轨道要求 的限制；在从轨道返回时，可进行横向和纵向的广泛机动。同时，它可以像道通飞机一样在 大气层内飞行，也可进入外层空间自由飞行或按一定的轨道运行，具有很强的灵活性；能在 普通跑道起落，大大降低了对地勤服务的要求、简化起飞（ 发射）和降落（ 返回）所需的 场地设施和操作程序、减少维修费用，只需再配备必要的加注设备、地面技术与着陆系统即 可。 4.使用效能高，污染小 采用人货分开模式。 针对未来空间任务和有效载荷的多样性， 空天飞机大多采用人货分 开模式。如 NASP 主要载人， 桑格尔”载货， 霍托尔”和“ 高超音速飞机”单纯载货。 “ “ 此方式减少了技术风险，提高了完成任务的效益。 另外， 除挂燃料箱外， 主要系统均可重复使用， 减少了各级火箭的溅落， 而且燃料无毒， 污染极小，有利于生态环保。 5.飞行速度快，费用低 空天飞机在大气层内的飞行马赫数可为 12-25 ， 是现代高技术作战飞机飞行速度的 6-12 倍。同时，空天飞机的发射成本可比目前降低一个数量级。航天飞机的运输费用十分昂贵， 运送一千克有效载荷到轨道的费用高达一万美元， 而空天飞机的发射费用仅是航天飞机或一 次性使用火箭的几十分之一。 二、空天飞机的关键技术 (一)推进系统 空天飞机要在大气层内外飞行，飞行速度从零到 M25，如此大的速度跨度和工作环境