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何为空天飞机,他的渊源,关键技术,空天飞机发展的动因及意义

更新时间:1970-01-01 08:00:00 作者:

何谓空天飞机?他的渊源,关键技术,空天习机发展的动因及意义

空天飞机是既能航空又能航天的新型飞行器。它像普通飞机一样起飞,以高超音速在大气层内飞行,在30100公里高空的飞行速度为1225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完全重复使用和大幅度降低航天运输费用的目的。 

 

【历史探索】

  60年代初,就有人对空天飞机作过一些探索性试验,当时它被称为跨大气层飞行器。由于当时的技术、经济条件相差太远,且应用需求不明确,因而中途夭折;80年代中期,在美国的阿尔法号永久性空间站计划的刺激下,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。据估计,空间站建成后,为了开发和利用太空资源。向空间站运送人员、物资和器材等任务每年将达到数千次之多。这些任务如果用一次性运载火箭、载人飞船或航天飞机来完成,那么一年的运输费用将达到上百亿美元。为了寻求一种经济的天地往返运或系统,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。

  1986年,美国提出研制代号为X-30的完全重复使用的单级水平起阵的国家航空航天飞机,其特点是采用组合式超音速燃烧冲压喷气发动机。英国提出了一种名叫霍托尔(或译霍托克,意为水平起落航空航天飞机)的单级水平起降空天飞机,其特点是采用一种全新的空气液化循环发动机。90年代,他们又提出了一个技术风险小,开发费用低的新方案。德国则提出两级水平起降空天飞机桑格尔,第一级实际上相当于一架超音速运输机,第二级是以火箭发动机为动力的有翼飞行器。两级都能分别水平着陆。法国和日本也提出过自己的空天飞机设想。

  80年代末,这股空天飞机热达到高潮。也激起了中国航空航天专家的很大兴趣。 

 

【关键技术】

  发展空天飞机的主要目的是想降低空天之间的运输费用。其途径归纳起来主要有三条:一是充分利用大气层中的氧,以减少飞行器携带的氧化剂,从面减轻起飞重量;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)所需的场地设施和操作程序,减少维修费用。

  但是,经过几年的研究分析,科学家们发规,过去的估计过于乐观。实际上。上述三条途径知易而行难。需要解决的关键技术难度决非短时间内能突破,这些关键技术有:

   1、新构思的吸气式发动机

  因为,空天飞机的飞行范围为从大气层内到大气层外,速度从0M=25,如此大的跨度和工作环境变化是目前现有的所有单一类型的发动机都不可能胜任的,从而也就使为空天飞机研制全新的发动机成为整个项目的关键。

  众所周知,喷气式发动机需要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,且实用速度较小;而火箭发动机自带氧化剂,可以工作在大气层内外,使用速度范围较广,但携带的氧化剂较笨重,比冲小。目前设想的空天飞机的动力一般为采用超音速燃烧冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+火箭发动机的组合动力方式。但超燃冲压发动机的研制上存在相当多的技术问题,而多种发动机的组合方式又使结构变得过于复杂和不可靠。

   2、计算空气动力学分析

  航天飞机返回再入大气层的空气动力学问题,曾经耗费了科学家们多年的心血,作了约10万小时的风洞试验。空天飞机的空气动力学问题比航天飞机复杂得多。因为飞机速度变化大,马赫数从0变化到25;飞行高度变化大,从地面到几百公里高的外层空间;返回再入大气层时下行时间长,航天飞机只有十几分钟,空天飞机则为l2小时。

  解决空气动力学问题的基本手段是风洞。目前,就连美国也不具备马赫数可以跨越这样大范围的试验风洞。即使有了风洞还需要作上百万小时的试验,那意味着就是昼夜不停地试验,也需要花费100多年的时间。于是,只能求助于计算机,用计算方法来解决,而对那维尔斯托克斯方程的求解目前尚存在,许多理论上和计算速度上的问题。 

   3、发动机和机身一体化设计

  当空天飞机以6倍于音速以上的速度在大气层中飞行时,空气阻力将急剧上升,所以其外形必须高度流线化。亚音速飞机常采用的翼吊式发动机已不能使用.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人空气的进气道,让后机身容纳发动机排气的喷管。这就叫做发动机与机身一体化

  在一体化设计中,最复杂的是要使进气道与排气喷管的几何形状,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,以使它在返回再入大气层的过程中,能经受住高速气流和气动力热的作用,这样才不致发生明显变形,才可多次重复使用。

   4、防热结构与材料

  空天飞机需要多次出人大气层,每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热,特别是以高超音速返回再入大气层时,气动加热会使其表面达到极高的温度。机头处温度约为1800摄氏度,机翼和尾翼前缘温度约为1460摄氏度,机身下表面约为980摄氏度,上表面约为760摄氏度。因此,必须有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。

  空天飞机在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力、振动、空气动力等的作用,在返回再入阶段要经受颤振、科振、起落架摆振等的作用。在这种情况下,防热系统既要保持良好的气动外形,又要能长期重复使用,维护方便,所以其技术难度是相当大的。

  目前的航天飞机,由于受气动加热的时间短,表面覆盖氧化硅防热瓦即可达到满意的防热效果,但对空天飞机则远远不够。如果单靠增加防热层厚度来解决问题,则将使重量大大增加,而且防热层还不能被烧坏,否则会影响重复使用。一个较简单的解决办法是在机头、机翼前缘等局部高温区,使用传热效率特别高的吸热管来吸热,以便把热量转移到温度较低的部位。更好的办法是采用主动式冷却防热系统,也就是把机体结构与防热系统一体化,即把机体结构设计成夹层式或管道式,让推进剂在夹层内或管道内流动,使它吸走空气对结构外表面摩擦所生成的热量。

  为了满足空天飞机的防热要求,目前正在研究用快速固化粉末冶金工艺制造纯度很高、质量很轻的耐高温合金。美国已研制出高速固化钛硼合金,它在高温下的强度可达到目前使用的钛合金在室温下的强度,这种合金适宜用来制造机身内层结构骨架。

  机头与机翼等温度最高的部位,要求采用碳复合材料,这种复合材料表面有碳化硅涂层,重量轻,耐高温性能好。此外,还需要研究金属基复合材料,例如碳化硅纤维增强的钛复合材料等。这种材料应该兼有碳化硅的耐高温性能,又具有钛合金的高强度特性。

  空天飞机技术难度大,所需投资多,研制周期长,所以将来进入全尺寸样机研制,势必也会象空间站那样采取国际合作的方式。 

 

 

【空天飞机发展的基本动因】

  航天飞机普通化与普通飞机航天化的空天飞机研制,其实是航空航天技术、卫星技术发展和航空航天军事竞争的结果,同时也有航天市场需求的牵引作用。

  航空航天技术的发展推动空天技术融合。过去,当航天工业中使用的钛合金应用到飞机上时,飞机的强度(包括抗摩擦、抗高温、抗过载负荷等)大增,从而使飞机飞行高度、速度、灵活性和飞行距离都大为提高。当前,随着航天火箭发动机安全可靠性的增强,以及航天生命维持系统、航天新材料等的日益成熟完善,使飞机可以利用航空航天二元动力方式、航天密闭舱和生命维持系统来制造。美国的极超音速X43A无人机可以视为一种火箭,而俄罗斯拥有的高度灵活变轨战略导弹,也可以视为一种无人机。

  卫星小型化,为高性能飞机作为卫星发射平台、起到第一级可返回式火箭的作用奠定了基础。现在,轻型卫星已越来越成为主流,因为电子技术的快速发展,使计算机体积和重量大为减少。据统计,21世纪初,100~300公斤级卫星的发射数量减少了35%;相比之下,计划发射的1~100公斤级卫星的数量增加了68%;到2010~2015年,重量为1~100公斤的卫星最终将成为主流。同时,由于新技术的快速发展,在轨卫星的使用寿命增加,所需发射的运载火箭数量减少,现有的固定式发射系统从商业角度讲是极不合算的。换言之,以空天飞机为手段的近地太空航空航天系统,其未来商业潜力十分巨大,可能在10~15年后排挤纯航空系统的地位。 

 

【空天飞机的意义】

  商业价值

  随着航天活动规模的扩大,估计在21世纪,仅美国送入轨道的总重量达9万吨,因此,每年的运输量将猛增到数万吨。但是,目前最先进的航天运输工具——美国现在的航天飞机,运送每公斤有效载荷进入地球轨道的费用达11607美元(1986年美元值)。因此,大幅度降低航天运输费用,已成为开展大规模航天活动的关键问题之一。 

  据目前估计,空天飞机的运输费用至少可降到目前航天飞机的110,甚至可降到%。

  此外,用空天飞机发射、维修和回收卫星,不需要规模庞大、设备复杂的航天发射场和长达一两个月的发射前准备,也不受发射窗口的限制。它完成一次飞行任务后,经一周的维护就能再次起飞,能适应频繁发射的需要,它的投入使用,将使人类可以方便地进入空间,登天就不再成为难事了。

  提高飞机的飞行速度一直是航空界努力的目标。从50年代起美国就开始探索和研究高超音速飞行,30多年来,时起时落,一直没有取得重大突破。空天飞机的研制将带来航空技术的新飞跃,将使航空技术从超音速飞行跃入高超音速飞行的时代,无疑,将会进一步推动航空工业的发展。空天飞机作为一种高超音速运输机,具有推进效率高、耗油低、载客(货)量大、飞行时间短等优点,是实现全球范围空运的一种经济而有效的工具。

  军事价值

  空天飞机还具有重要的军事价值,可作为战略轰炸机、战略侦察机和远程截击机使用,这对进一步发挥战略空军的作用具有重要意义。 空天飞机最高时速3万公里,可在海拔200公里的绕地轨道飞行。

  美国正开发新型的航空航天飞机,在有人驾驶时,能在常规机场水平起飞和着陆;还可在大气层内飞行,此时飞行马赫数为5,从美国的纽约飞往东京只需2小时;也可作地球大气层外的轨道飞行,此时的飞行速度为25倍音速,仅需90分钟就能绕地球一周。除作常规的民航机外,它还可代替现有的航天飞机作轨道飞行。据估计,使用高超音速航空航天飞机可使民航机的速度增加6倍,而航天飞行器的发射费用减少90% 。 19862月,美国总统在国情咨文讲话中,把航空航天飞机称作新的东方快车,要求它在本世纪末投入使用。这种航空航天飞机是航空航天技术一体化的体现,能在常规飞机跑道上起飞和着陆,自由方便地往返大气层的一种新型飞行器。其起飞重量不到第一代航天飞机总重的1/5(约500吨),而运载能力则提高两倍多(达60吨以上),这样就可大幅度降低航天运输费用。

  在军事上,这种空天飞机既可作为全球高超音速运输、洲际轰炸和战略侦察,又可作为航天运载工具或太空兵器,有可能成为一般轰炸机、战斗机和导弹所不可比拟的攻击和防御力量。美国拟议中的空天飞机方案主要有两种:一种是拟用作跨太平洋飞行的高超音速运输机,称东方快车,能以56倍音速在3万米的高度作巡航飞行,只需两小时可从美国杜勒斯机场飞至日本东京;另一种为跨大气层飞行器,可作轨道飞行(飞入地球低轨道的速度为25倍音速),也可在次轨道作气动力机动,然后在回升到轨道上以轨道速度航行。美国从1982年开始实施空天飞机这一长远发展计划,总费用预计为数十亿至200亿美元,由美国国防部和国家航空航天局联合进行技术研究。为了解决在大气层中持续高超音速飞行的问题,1985年以前在氢燃料的空气涡轮冲压发动机和超音速燃烧冲压发动机技术研究方面,已有所突破。从1986年至1988年,集中进行这类发动机的方案论证工作,并加速发展机体设计、动力装置等关键技术,在1988年后着手研制一架试验样机,于l992年至1995年期间进行飞行试验。它既是一种反应快、费用较低的跨大气层飞行的运输机,也是一种装备有计算机和先进探测设备的侦察飞行器,还可能是一种廉价、灵活并可重复使用的太空发射平台。 在未来太空战中,既可以当作航空兵参加战斗,也可以参加天军行列,出现在太空战场上,与大空敌人厮杀。它是比航天飞机更为灵活、战斗力更强的一种大空武器。

  当然,在国际军力对比极不平衡的情况下,无论是从效用性、时效性和应用范围来看,还是从制造和使用的成本角度来说,纯粹空天飞机的未来角色,主要还在于战略威慑和执行特殊任务,不可能像普通军用飞机一样批量生产和成建制列装。而具备空天飞机特征的第六代战斗机,则更具有实际意义。因此,就目前而言,不少国家都把注意力放在发展高性能飞机执行航天任务上 。

  不过,如果科技进一步发达,使用核聚变发动机,一切问题就迎刃而解。 

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