世界空天飞机发展概况

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导读:空天飞机,即兼具航空与航天的新型飞行器,可根据不同的需求,在大气层和卫星轨道上灵活机动。它比普通战斗机飞得更高、更快,而比弹道更加灵活且能重复使用,能在战争一爆发就“即时打击”,将是未来战争中可与航空母舰媲美的强力杀伤性武器,军事方面的显著优势使其必将成为各大航天强国争夺制天权与空间优势的战略武器平台。

目前世界各国空天飞机主要处于研究与验证阶段,主要在研项目包括美国的X-37空天飞机,英国的Skylon空天飞机,印度的RLV-TD空天飞机和中国“腾云”工程的空天飞机。其他国家没有完整的空天飞机研制计划。

1.美国X-37试验机

X-37试验机为一种可重复使用空天飞机,又称轨道试验飞行器(Orbital Test Vehicle),该空天飞机研制计划的总计划Future-X于1996年由NASA提出,1999年X-37试验机项目由美国波音公司(The Boeing Company)接手,进行X-37试验机的研究制造。

X-37空天飞机结构

X-37在起飞时需要以火箭搭载或大型飞机投放升空,其耐热能力能抵受穿越大气层时所产生的热力,并且在太空上连续飞行一年以上。在回程时,X-37能够像一般飞机一样使用飞行跑道降落,还能在结束任务时自动返回地面,被视为是未来“太空战斗机”的雏形。X-37的最高速度能达到音速的25倍以上,常规军用雷达技术无法捕捉。

X-37B空天飞机

目前X-37试验机共发展出3个规划型号,分别为X-37A、X-37B和X-37C。X-37A为试验初期的型号,以高纯度过氧化氢和JP-8煤油作为推进剂,用于使用高空飞机从高空投放后测试自主着陆能力。X-37A在2005至2006年间共进行过4次无动力投放试验,至少有一次成功着陆。X-37C是2011年美国波音公司计划在X-37B的基础上增大180%体积的载人型号,使用波音CST-100乘员舱可以容纳多达六名宇航员和更多的货物。

X-37B空天飞机近照

2006年,美国空军宣布以X-37A为基础发展X-37B。目前,美国空军共拥有两架X-37B试验机,第一个原型用于大气测试,而第二个原型用于支持无障碍发射。

X-37B主要参数及性能

项目

参数

项目

参数

是否载人

电力

砷化镓太阳能板、

锂离子电池

机长

8.92米

有效载荷舱

2.1米×1.2米

机高

2.90米

有效载荷

227~272公斤

翼展

4.55米

轨道速度

28044千米/小时

最大起飞重量

4990千克

轨道

低地球轨道



推进剂

甲基肼、四氧化二氢

资料来源:调研整理

X-37B采用了新一代防热材料,满足重返大气层的需要。X-37B主体结构使用轻质复合材料结构,机翼前缘采用了新一代耐高温材料——强化单体纤维抗氧化陶瓷(TUFROC)瓦,能够承受再入大气层时1650摄氏度以上的高温,其性能超过航天飞机前缘使用的碳/碳材料。X-37B还采用了强化单体纤维隔热(TUFI)瓦、先进的共形可重复使用防热(CRI)毡等新型防热材料。

X-37B太空运行构想图

自2010年起,X-37B试验机共进行了5次轨道飞行任务,其中4次已经完成,1次仍在进行。第6次轨道飞行任务计划于2019年11月进行。

图表:X-37B进行的轨道任务

飞行批次

轨道器

运载火箭

发射时间

返回时间

持续时间

任务分类

OTV-1

第一架

Atlas  V 501

2010.4.22

2010.12.3

224天

USA-212

OTV-2

第二架

Atlas V 501

2011.3.5

2012.6.16

468天

USA-226

OTV-3

第一架

Atlas  V 501

2012.12.11

2014.10.17

674天

USA-240

OTV-4

第二架

Atlas V 501

2015.5.20

2014.5.7

717天

USA-261

OTV-5

未知

Falcon  9

2017.9.7

尚未返回

>500天

USA-277

资料来源:调研整理

计划中测试的技术主要包括先进的制导,导航和控制,热保护系统,航空电子设备,高温结构和密封,保形可重复使用的绝缘材料,轻型机电飞行系统,先进的推进系统,先进的材料和自主轨道飞行,再入和着陆。


OTV-4测试的技术包括收集从在空间环境中操作的霍尔推进器对及轨道器施加的推力,以及NASA的METIS(材料和太空技术创新)实验,将近100种不同的材料样品暴露在太空环境中超过200天。

地面上观测到的X-37B OTV-5运行图

关于OTV-5所测试的技术,官方公布的少量信息中包括结构嵌入式散热器(ASETS-11),它由美国空军研究实验室(AFRL)研制,用于在太空环境中长期测试实验电子设备和振荡热管。根据AFRL透露,三个主要科学目标是测量初始在轨热性能、测量长期热性能以及评估任何寿命退化。


2.英国“云霄塔”Skylon空天飞机

英国最早的空天飞机项目为1985年英国宇航公司和罗尔斯-罗伊斯公司共同提出的“霍托尔”方案。而后“云霄塔”项目继承了其项目的研究技术和成果,并于1989年由当时新成立的英国喷气发动机公司(REL)承担了项目的研究。

Skylon空天飞机

“云霄塔”空天飞机在技术应用上有多种创新,包括:标志性的单级入轨;采用吸气/火箭混合动力发动机方案,使用两台SABRE 4双模式发动机;独特的半壳式结构的机身设计;创新的冷却技术;新型的喷管工艺。


它设计采用碳化硅增强钛空间框架,这是种轻巧坚固的结构,可以支撑铝质燃料箱的重量,外层附着陶瓷皮。多层钛箔隔热层夹在外壳和框架之间,保护Skylon内部免受高超音速飞行的热量和重新入轨的极高热量。

图表:“云霄塔”空天飞机的主要参数

参数

指标

参数

指标

尺寸

机长/m

83.133

最高速度

吸气/马赫

5.43

机身直径/m

6.3

火箭/马赫

27.8

翼展/m

26.818

质量

净质量/t

53.4

高度/m

13.5

推进剂质量/t

277

发动机

吸气状态最大推力/kN

2×1350

最大理论起飞质量/t

345

吸气模式比冲/(m/s)

35000

运载能力

赤道上空300km  /t

15

火箭发动机最大推力/kN

2×1800

“国际空间站”/t

9

火箭发动机比冲/(m/s)

4500

极轨/t

4.8

资料来源:调研整理

云霄塔飞机目前面临着极大的技术难题,主要包括:热交换预冷系统;燃烧室的冷却;尾喷口受热胀冷缩的困难;零部件的可靠性,需要重复使用。攻克这些难题需要投入大量的精力。最乐观的估计要到2025年才能实现首飞。

Skylon空天飞机飞行概念图

SABRE发动机是Skylon空天飞机的核心。SABRE是一种高超音速混合动力发动机,具有吸气式发动机和火箭发动机两种工作模式。当速度低于5马赫时,它可以像传统喷气式飞机一样工作;当达到高超音速时,它转换成燃烧氢气和液氧的纯火箭发动机,可实现高达25马赫的速度。

SABRE发动机

SABRE的技术关键是革命性的预冷器,该预冷器的研究进行了20年。在接近5马赫的速度下,即使是最好的金属合金也会软化和融化;而在高超音速下,进入Sabre引擎的空气的力量是5级飓风的25倍,热量就像从切割炬中喷射出来的一样,因此进入发动机的空气需要大幅冷却。预冷器通过一系列超轻型热交换器,可以使1000℃的高温气体在1/100秒内冷却到-150℃,保护发动机在接近高超音速时免受熔化。

SABRE发动机的构成


3.印度RLV-TD空天飞机

早在2001年印度空间研究组织(ISRO)已经提出了研制可重复使用的航天飞机计划,不过当时印度航天的重点还是普通的运载火箭和应用卫星,无法在航天飞机上投入太大精力,只能进行一系列技术研究和验证。


2006年,ISRO在地面风洞中对可回收航天飞机的气动进行了一系列风洞试验和计算模拟,最终选定了类似美国X-37B空天飞机的外形。无论从气动布局还是回收方式来看,RLV-TD都与美国的X-37B空天飞机极为相似。

RLV-TD空天飞机

RLV-TD采用飞机式长6.5米,采用常规气动布局,包括三角翼、大角度V形尾翼,外形上更像一架缩小的航天飞机。它通过火箭运载、垂直点火发射,火箭进入外层空间后,RLV-TD与运载器分离,释放轨道器,轨道器依靠涡轮冲压喷气发动机提供动力,飞行时先吸进大气层中的空气,然后将氧气分离出来并将其液化储存,供大气层外的后续飞行使用;在降落时,RLV-TD可像常规飞机一样在跑道上滑跑降落。

RLV-TD空天飞机进行发射前准备

RLV-TD最早计划2009年进行首次飞行试验,不过由于技术问题不得不推迟。作为一个优先级较低的技术验证项目,2010年印度GSLV火箭国产氢氧发动机故障而发射失败后,大量人力物力又被抽调优先保证低温氢氧发动机的成功,更严重影响了RLV-TD的研制进度。RLV-TD研制中还增加了一项重要的“铁鸟”试验,用于模拟验证机的实际飞行状态,检验印度自行研制的导航制导和飞行控制设备的可行性和可靠性。


验证机结构上还增加了名为“热结构”的新型设计方案,这些新技术的试验都耗时耗力,也造成了RLV-TD验证机首飞的进一步推迟,ISRO不得不将原定的2013年发射推迟到2015年。而2015年,RLV-TD验证机的发射计划又被更受看重的天文卫星AstroSat和印度区域导航定位系统IRNSS的发射打乱,只能推迟到2016年进行试验。

RLV-TD空天飞机进行发射试验

2016年5月23日上午,印度航天研究组织ISRO在印度安得拉邦斯里哈里科塔展开了印度首架自行研制的空天飞机技术验证机——RLV-TD(可重复使用运载验证器)的首次飞行试验。其主要任务为:验证未来可重复使用的航天飞机的相关技术,主要是热防护和飞行控制技术。试验过程中,运载火箭共工作了91秒时间,随后与RLV-TD分离,此时高度约为48公里。RLV-TD分离后,依靠惯性继续上升到65公里的高度,RLV-TD飞行器无动力自由滑翔13秒后然后向下高速滑行,期间RLV-TD的最高速度为5.5马赫,整个飞行过程持续约770秒,着陆时未进行自主回收滑跑降落试验。


4.中国空天飞机项目

近年来,航天科工开展了“飞云、快云、行云、虹云、腾云”的航天工程,与“高速飞行列车”工程一起,形成“五云一车”的商业航天新格局。


其中,最为关键“腾云工程”属于空天往返飞行项目,将突破以组合动力、机体/推进一体化技术为代表的核心技术,建成空天飞行器技术综合研究体系。其中以研制空天往返飞行器为主。计划在2020年前完成联合发动机的技术验证飞行试验,2025年完成关键技术的攻关,2030年前实现空天飞机的技术验证试飞。

“腾云”工程空天飞机模型

在2017年的全球航天探索大会上,中国航天科工集团展示“腾云工程”,其主要目标是:在2030年之前,设计并制造完成中国首架可水平起飞、水平着陆并且可以多次重复使用的空天往返飞行器。


总结:空天飞机虽然现在更多的还只是初步构想与试验阶段,可其在未来的军事潜能让人无法停下对它的探索。空天飞机的技术难度比航天飞机更大,一些国家或许在空天飞机技术上更为领先,但仍未达到预期的设计要求。目前高超音速与空天飞行技术正处于发展的十字路口,各国都在努力地钻研。​​​​


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本文作者2019-3-27 16:06
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