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空天飞机:独特潜质备受关注

http://www.bjmmedia.cn      发布日期:2014-05-26      中关村多媒体创意产业园      关注度:
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一个筋斗云就能飞“十万八千里”,这是《西游记》中神通广大的孙悟空;未来有一天,一架从洛杉矶飞往上海的民航客机在起飞8分钟后,借助火箭发动机点火冲出大气层进入太空开展巡航后,再次飞入大气层并平稳降落在浦东国际机场,整个飞行时间只有不到一个小时……

不管是古代神话,还是未来畅想,随着2010年美国空天飞机X-37B的试飞成功,人们的美好愿景正逐渐走向现实。

什么是空天飞机?关键技术是什么?它的未来发展趋势和应用前景怎样?就让我们访院士、问专家,一起揭开空天飞机的神秘面纱——

自由穿行空天之间

“第五代战机很可能是以高性能的无人机为主,现在许多国家都在紧锣密鼓研制中。”中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司高级工程师颜华告诉记者,下一代飞机不仅需要具备隐形能力,还应该更高、更快、更强。“在未来,航空和航天将融为一体,向空天飞机迈进。”颜华补充说,“更高”,是指在现有战机大多不超过30公里高度的基础上提高飞行升限,而目前大气层30公里高度内是航空,100公里以上则是航天,能在二者之间飞行将会是下一代战机的基本能力。“而‘更快’是指向高超音速发展;‘更强’,则是需满足执行更多任务等要求。”

长期以来,航空与航天是两个不同的领域。大气层内是普通飞机、飞艇、热气球等飞行器的“地盘”,而在大气层外,则是航天飞机、宇宙飞船、卫星以及各国空间站的天下。“空天飞机是一种未来的飞机,它可以竖直起飞,也可以像普通飞机一样水平起飞,通过不断加速冲出大气层并进入地球轨道,成为航天飞行器;而返回大气层后,便像普通飞机一样在机场着陆,成为自由地往返天地之间的运输工具。”北京航空航天大学宇航学院讲师游晖表示,空天飞机能够达到完全重复使用从而大幅度降低航天运输费用的目的。

在军事专家、《航空知识》副主编王亚男看来,空天飞机方案主要有两种。“一种是拟用作跨洲际飞行的高超音速运输机,能以5倍左右的音速在30000米高空做巡航飞行;而另一种则为‘跨大气层飞行器’,不但可做轨道飞行,也可以在次轨道上做气动力机动,再回升到轨道上并以轨道速度航行。”

目前,已投入试飞阶段的空天飞机只有美国的X-37B,它于2010年4月从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地被名为“阿特拉斯5号”的航空火箭发射升空。在宇宙太空遨游了7个多月后,它自主返回大气层,于当年12月在加利福尼亚州范登堡空军基地着陆。尽管这架空天飞机在起飞阶段仍需火箭运送,但已基本具备在大气层内外飞行的能力。

颜华告诉记者,许多国家在这方面取得了不少成果,比如美国在研制的可在航母上起降的隐形无人机X-47B。“相信不少航空强国也会对空天飞机开展研究。”

发动机成技术关键

由于空天飞机要在大气层内与外太空中交替可重复使用,因此,对发动机动力的要求标准很高。“目前,普通喷气式飞机需要氧气作为发动机工作的‘氧化剂’,但30公里以外的太空氧气很少。所以,空天飞机的发动机须区别于常规飞机。”颜华说。

中国工程院院士、航空航天专家刘大响对记者表示,与普通喷气式飞机不同,空天飞机要采用涡轮冲压组合发动机,一般用喷气式发动机实现常规水平起飞并加速到马赫数1.8以上,这时冲压发动机才能点火启动,并靠它在临近空间实现超声速巡航飞行。“如果巡航马赫数达到4或5以上,则还需要采用超燃冲压发动机。”刘大响解释。

王亚男认为,空天飞机的发动机必须保证能从0加速到25马赫的过程中稳定高效地工作。大气层外要用火箭发动机推进,而大气层内要用喷气发动机推进,此外,还要确保两种动力的无缝转换衔接。单一类型的发动机无法完成这样艰巨的任务。

气动一体化的超燃发动机,先进的塞式喷管发动机,以及组合循环发动机方案是其后动力系统技术的新进展和新动向。”游晖表示,气动一体化超燃发动机的前体作为进气道的预压缩面,其后体下表面作为发动机气体燃烧后排出的外喷管,为飞行器提供动力。而塞式喷管的最大优点则为其具有自动高度补偿的功能。它能根据环境压力来改变喷流气体的膨胀截面积,因此,无论是在真空条件下还是在海平面条件下,塞式喷管发动机都有较高的性能,这一点与常规的喷管发动机有显著不同。“在组合循环发动机方面,由于X-30、X-33和X-34的失败,目前关注的RLV技术方案已经从单级入轨转移到了两级入轨上。”针对两级入轨方案,由于吸气式推进系统只需携带燃料,该推进系统可用于RLV直到火箭级必须使用的时候。这样,通过对吸气式推进和火箭推进组合,就可以利用两种推进的优点,这就是组合循环发动机。

为了有效减少重返大气层和在大气层内超音速飞行时面临的阻力,空天飞机的动力系统还要与机身进行一体化对接,并确保发动机进气道与排气道可随速度不同而随时调整形状,在尽可能发挥最大动力效能的同时节省燃料。

商业军事前景俱佳

“神”气十足的空天飞机听起来让人不可思议,而实际上它已经渐行渐近。记者采访的多位业内人士表示,空天飞机在商业和军事上均具有光明的发展前景和研发价值。

随着航空航天活动规模的扩大,预计在21世纪,仅美国送入轨道的总重量就高达9万吨,因此,每年的运输量将猛增到数万吨。“但是,以前最先进的航天运输工具——美国的航天飞机,运送每公斤有效载荷进入地球轨道的费用达11607美元。因此,大幅度降低运输费用和成本,业已成为开展大规模航空航天活动的关键问题之一。”游晖表示,空天飞机的研制目标是最终要使其运输费用至少可降到航天飞机的10%,甚至可降到1%以内。

诚然,空天飞机具有普通飞机无可比拟的飞行速度,它可以大大缩短全球飞行时间,从而具有独具魅力的商业价值。

未来,如果空天飞机技术彻底成熟,可能会被用于民用运输和旅游领域,这是一个非常有趣的应用领域。”王亚男向记者举例说,如美国缩比复合体公司就研制了“白色骑士——太空船”复合体系列飞行器,这种飞行器起飞前组合在一起,从跑道上滑跑升空,到高空时,白色骑士便会与太空船分离,前者像飞机一样返航,而太空船则继续通过火箭发动机加速攀高,进入大气层上缘部分,接近亚轨道高度,让其中的乘客过一把航天员的瘾。

在飞行结束后,太空船会自行下滑着陆。如果空天飞机技术达到更高水平,那么,这种复合体空天飞行器可以进一步改进,直接将游客或旅客送入轨道空间,让他们体验航天员的感觉。

在实际应用领域,空天飞机还可以极高的速度完成极遥远的航程,因为航行中的大部分旅程都是在轨道空间度过的,这意味着平均飞行速度可能达到5至10倍音速,甚至更高,跨越太平洋也就是半个小时的事儿。这样一来,空天飞机可能大大改变人类远程运输的面貌。”王亚男说。

当然,除了商业发展前景之外,空天飞机的军用价值也十分重要。王亚男告诉记者,空天飞机突出的军事用途体现在:首先,由于空天飞机可以在太空部署,未来一旦将太空定位为战场,它便可对敌方的宇宙飞船、卫星,甚至太空站进行攻击;如果装备简单的机械手,它就可以破坏或擒获敌方的卫星;其次,空天飞机由于飞行高度非常高,灵活机动,还可以作为监视和预警平台,以代替侦察卫星,监控敌方军事行动。“空天飞机由于可以自由往返于太空和大气层,倘若在其上安装激光武器和导弹,它便可以随时攻击地面的目标。”王亚男说,由于空天飞机飞行速度高达25马赫甚至以上,所以,可承担全球范围的快速打击任务及军事物资的投送等其他重大任务。

此外,空天飞机还能帮助己方部队夺取电磁战场上的绝对优势及夺取制天权,并且切断敌方的通讯,摧毁敌方的各种卫星,使敌方的卫星无法为其自身工作。”游晖补充道,它是比普通航天飞机更为灵活、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。

(来源:经济日报)



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