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世界主要空天飛行器研製情況及未來發展趨勢(下)

(接上期)

3 代表性項目研製情況

目前,美國、俄羅斯、歐盟、英國及日本都在空天飛行器的研發方面有較大的投入。然而,從目前資料分析,世界上所有在研的空天飛行器都還未取得實質性成功,還處在研究及發展階段。

美國

美國開展的空天飛行器研發項目佔全球總數的50%以上。1982-1985年,美國在國防高級研究計劃局(DARPA)的主持下開展了「國家航空太空梭」(NASP)方案的可行性研究工作,旨在研發一種可以水平起飛和著陸的單級入軌飛行器,X-30是NASP的一個先進技術演示試驗飛行器,能攜帶1~2名航天員。

儘管在必要的結構和推進技術方面取得了一些進展,X-30方案還是由於諸多技術難題和昂貴的開發成本於1993年停止。取而代之的是X-43無人駕駛試驗飛行器。X-43繼承了X-30已突破的技術,但是規模要比X-30小,長度只有3.7m,質量約為1300kg。X-43共進行了3次飛行測試,並在2004年11月6日的第3次測試時實現了馬赫數9.6的飛行速度。

比較而言,目前為止最為成功的空天飛行器項目就是X-37B「軌道試驗飛行器」(OTV)。X-37B由波音公司旗下幻影工廠製造,大小是太空梭的1/4,起飛質量超過5t。X-37B體積雖小,但功能齊全,有一個與太空梭相似的背部載荷艙,尺寸與皮卡車的後貨箱相當,載荷能力約為2t,內置貨艙可以搭載小型機械臂,抵達軌道後可展開進行軌道作業。為了滿足在軌能源需求,X-37B還攜帶了太陽能電池板。X-37B採用火箭發動機(無法實現水平起飛),推進劑為甲基肼(MMH)和四氧化二氮(N2O4)的雙組元自燃推進劑。

2010年4月23日,首架X-37B從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功發射升空,宇宙神-5(Atlas-5)火箭執行了此次發射任務。這架X-37B軌道試驗飛行器於2010年12月3日成功降落在美國加州范登堡空軍基地,飛行時間224天。

項目發展至今,X-37B的存在價值一直備受爭議,而且美國軍方甚少透露它的任務與行蹤,令外界對其用途有諸多猜測。有軍事專家認為,美國會在此基礎上開發出徹底顛覆現有軍事武器體系的作戰系統;美國的《基督教科學箴言報》稱,X-37B的試飛「非常清楚地表明『軍事武器太空化』已經開始」。

除X系列試驗飛行器外,美國還有多項私人資本投資的空天飛行器研發項目。太空船-1是1架裝有火箭發動機的有翼飛行器,由美國縮尺複合體公司製造。在太空船-1的基礎上,縮尺複合體公司與維珍銀河公司聯合開發了太空船-2。太空船-2是一個低長寬比飛行器,可以容納6名乘客和2名飛行員。

俄羅斯

俄羅斯和美國是目前世界上僅有的2個成功完成太空梭飛行的國家。俄羅斯正在開展代號為「多用途空天系統」的空天飛行器的研製工作。「多用途空天系統」是可重複使用的超聲速有翼飛機火箭系統,設想可以將20~60t的有效載荷送入軌道,由赫魯尼切夫國家航天研究與生產中心及中央航空動力學研究所等單位負責開發。

早在2013年,俄羅斯中央航空動力學研究所就已經完成了該飛行器載波空間飛行的可行性研究的第一階段,其進一步的研製進展還未有公開報道。

歐洲

除美俄兩國,歐洲發達國家也有自己的空天飛行器項目。

早在20世紀80年代,德國就開始了代號為「桑格」的空天飛行器研發工作。飛行器採用兩級概念,第一階段採用衝壓式噴氣發動機,使飛行器水平起飛並爬升到30km的高度,達到馬赫數7的速度;第二階段採用液氧/液氫火箭發動機將飛行器加速到軌道速度和高度。由於研發成本的原因,該項目於1995年停止。

英國在1982年由羅爾斯-羅伊斯公司和英國航空航天公司進行合作開始了自己的空天飛行器「霍托爾」[即「水平起飛水平著陸」(horizontal takeoff and landing)]的研發。「霍托爾」被設想為一個無人的、完全可重複使用的單級入軌有翼飛行器,可將約7~8t的有效載荷運送到300km的軌道高度。由於缺乏資金,該項目於1989年停止。「霍托爾」雖然被停止,發動機RB545的研發卻為英國新的空天飛行器「雲霄塔」奠定了技術基礎。

歐盟開發的「歐洲宇航防務集團太空飛機」在2007年的巴黎航空展上首次亮相。該飛行器的推進系統由2個噴氣式發動機和1個火箭發動機組成。飛行器按照設想能夠在通常的民用機場起降。

日本

日本從1988年開始逐步把研究重點從太空梭轉向單級入軌的空天飛行器,並針對其中的關鍵技術進行了進場著陸、流體力學計算、單級入軌方案分析、輕型耐熱結構及高超聲速發動機研究,新建了衝壓/超燃衝壓發動機試驗設施、先進複合材料試驗設施,擴大了高超聲速風洞試驗段,積累了大量的技術基礎。

4 未來發展趨勢

由於空天飛行器具有巨大的商業價值和軍事價值,世界各航空航天強國必定會更加重視空天飛行器的發展,進一步加大研製投入和加快研製節奏。

根據預測,在未來10年,由於空氣動力學的發展,飛行器的阻力將下降15%~20%;由於材料和設計技術的進步,飛行器的結構質量將下降20%;由於元器件可靠性提高和製造工藝的改進,飛行器的事故率將下降80%。商業空天飛行器將向更大、更快、更安全、更經濟、對環境污染更小的方向發展。

未來空天飛行器平台的顯著特點將是多採用具有大升阻比的升力體構型。其結構是超輕質,高強度,功能、結構一體化的,具有最先進的高超聲速推進系統、結構熱防護系統、控制系統和安全保障系統。

(中國運載火箭技術研究院唐紹鋒 張靜)


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