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空天飞行器:航天航空领域的跨界神器

2022-08-27 21:10:14 2466

摘要:来源:中国航天报据报道,我国亚轨道重复使用演示验证项目运载器于7月16日在酒泉卫星发射中心准时点火起飞,按照设定程序飞行后,平稳水平着陆于阿拉善右旗机场,首飞任务取得圆满成功。 目前,各航天大国都在加紧研制可自由进出空间并能按需返回、可重复...

来源:中国航天报

据报道,我国亚轨道重复使用演示验证项目运载器于7月16日在酒泉卫星发射中心准时点火起飞,按照设定程序飞行后,平稳水平着陆于阿拉善右旗机场,首飞任务取得圆满成功。

目前,各航天大国都在加紧研制可自由进出空间并能按需返回、可重复使用的空天飞行器。那么,世界各国都在研制哪些空天飞行器?空天飞行器又有哪些应用价值?

空天飞机想象图

空天飞行器是指能够在稠密大气层、临近空间、轨道空间往返飞行的重复使用航天运输系统。

该飞行器集航空、航天技术于一身,既能满足民用运输需求又能执行军事任务,具有自由进出空间、按需返回地面、可重复使用的典型特点,已成为未来进行大规模空间开发及确保空间优势的关键因素,越来越受到世界各国的高度重视。

为了快速、自由进出太空,抢占太空资源,世界航天强国先后研制了一次性使用运载火箭、航天飞机、可重复使用运载火箭,以及如今的空天飞行器。

可重复使用运载火箭猎鹰9号

众所周知,一次性使用的运载火箭在飞行中,需要依次抛掉已工作完毕的一级、二级火箭,这些被抛弃的火箭残骸落入大气层坠毁或烧毁,无法重复使用,而且发射准备周期过长,无法满足大规模低成本空间开发需求。

20世纪70年代,美国启动了航天飞机研发工作,试图通过回收重复使用火箭发动机和轨道飞行器的方式,来大幅降低发射成本,预计单次发射费用为5400万美元。

但是,由于结构热防护技术不成熟,轨道飞行器需要进行大量拆解、检测和维护工作,尤其是热防护瓦的维护和更换,使得航天飞机的发射和维护成本居高不下,单次发射成本竟然高达7.75亿美元。

美国航天飞机最后一次升空

如今,美国航天飞机虽然已经黯然退出历史舞台,但是其降成本的技术途径为后来的研究指明了探索方向。根据测算,一级火箭占全部运载火箭质量和成本的70%以上。为此,美国SpaceX公司提出了一级火箭垂直回收的解决方案,并多次试验取得成功,有望将成本降至一次性使用运载火箭成本的1/3。

与前面3种方式相比,空天飞行器,尤其是水平起降的空天飞行器可利用大气层中的氧气,大幅度降低起飞质量和总体规模,具备完全可重复使用能力,能够满足未来廉价、快速、便捷、自由进出空间的需求,具有巨大的发展潜力。

组合动力建奇功

空天飞行器也需要“动力先行”,但是目前的动力方式,包括涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机都存在一定适用短板,单一类型的动力形式都无法满足空天飞行器快速、廉价、自由往返空间的多任务飞行需求,组合发动机由此应运而生。

组合发动机将两种或两种以上单一类型发动机通过热力循环、结构布局等有机融合,发挥不同类型发动机在各自工作范围内的技术优势,具有工作范围宽、综合经济性好等特点。

美国、日本、欧盟、俄罗斯等传统航空航天大国纷纷开展组合发动机的研究工作,并取得了一定成果。目前比较常见的组合动力类型包括:火箭基组合发动机RBCC、涡轮基发动机TBCC、空气涡轮火箭组合发动机ATR、预冷类组合发动机、三组合发动机、基于爆震发动机的新型组合发动机等。

在攻克动力难关的同时,世界各国持续开展空天飞行器关键技术攻关及验证工作,并开展了多个研究计划。1986年,美国启动了NASP计划,掀起了世界范围内的空天飞行器研究高潮。美国的X-30单级入轨飞行器、X-43无人驾驶飞行器、英国单级入轨可重复使用运载器霍托尔空天飞机、德国的桑格尔空天飞行器项目是当时的“顶流明星”。但是受当时航空航天技术水平和经费限制,这些计划和方案最终都没能变为现实。

德国桑格尔空天飞行器假想图

2010年,美国X-37B飞行器的成功发射,推动了世界空天飞行器的研制全面升温。目前,俄罗斯的多用途空天系统计划、英国的云霄塔空天飞机项目、欧空局的空天飞机项目等正在如火如荼地开展,日本和印度也在积极布局,开展关键技术攻关。

美国的X-37B空天飞机

发展潜力不可估量

空天飞行器具有低成本、高可靠性的技术特征,能够满足未来廉价、自由进出空间的发展需求,商业和军事应用前景潜力巨大。

在商业上,发展空天飞行器可大幅降低空天运输费用,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,欣赏旖旎的太空风光,感受独特的太空体验。

近日,美国缩尺复合体公司和英国维珍银河公司的“太空船二号”,美国蓝色起源公司的“新谢泼德”空天飞行器先后完成自己的载人飞行首秀,引发了国内外媒体高度关注。

“新谢泼德”发射升空

在军事上,空天飞行器可以作为侦察监视与预警平台、空间武器发射平台、快速远距离运输系统,还可用于反卫星,充当战时空间预备指挥所。

搭载武器化身为航空航天轰炸机后,空天飞行器的作战区域将是整个地球乃至近地空间,实现1小时打遍全球。如果长期部署在太空,可以对敌方的卫星、宇宙飞船甚至空间站实施打击。

作为航天航空两大高技术领域的跨界产物,空天飞行器仍然面临巨大的技术挑战。气动外形与结构一体化设计技术、组合动力模态转换与匹配技术、超高温热防护技术、能量管理技术、宽域高动态强耦合飞行控制技术、地面和飞行试验技术都是横亘在世界各国面前的技术难关。

空天飞行器汇聚了大批具有前瞻性、先导性的高新技术,不仅能推动航空航天动力、飞行器设计、光电器件、先进材料与制造等众多技术的发展,还能对武器装备的发展起到重大引领作用。随着各项关键技术的日益成熟,空天飞行器正在掀起一轮新的研究热潮,值得各国高度关注。

(本文刊登于2021年7月24日的《中国航天报·飞天科普周刊》)

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