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空天飛機:獨特潛質備受關注

http://www.4081052.live      發布日期:2014-05-26      中關村多媒體創意產業園      關注度:
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一個筋斗云就能飛“十萬八千里”,這是《西游記》中神通廣大的孫悟空;未來有一天,一架從洛杉磯飛往上海的民航客機在起飛8分鐘后,借助火箭發動機點火沖出大氣層進入太空開展巡航后,再次飛入大氣層并平穩降落在浦東國際機場,整個飛行時間只有不到一個小時……

不管是古代神話,還是未來暢想,隨著2010年美國空天飛機X-37B的試飛成功,人們的美好愿景正逐漸走向現實。

什么是空天飛機?關鍵技術是什么?它的未來發展趨勢和應用前景怎樣?就讓我們訪院士、問專家,一起揭開空天飛機的神秘面紗——

自由穿行空天之間

“第五代戰機很可能是以高性能的無人機為主,現在許多國家都在緊鑼密鼓研制中!敝泻焦I成都飛機工業(集團)有限責任公司高級工程師顏華告訴記者,下一代飛機不僅需要具備隱形能力,還應該更高、更快、更強!在未來,航空和航天將融為一體,向空天飛機邁進!鳖伻A補充說,“更高”,是指在現有戰機大多不超過30公里高度的基礎上提高飛行升限,而目前大氣層30公里高度內是航空,100公里以上則是航天,能在二者之間飛行將會是下一代戰機的基本能力!岸臁侵赶蚋叱羲侔l展;‘更強’,則是需滿足執行更多任務等要求!

長期以來,航空與航天是兩個不同的領域。大氣層內是普通飛機、飛艇、熱氣球等飛行器的“地盤”,而在大氣層外,則是航天飛機、宇宙飛船、衛星以及各國空間站的天下!空天飛機是一種未來的飛機,它可以豎直起飛,也可以像普通飛機一樣水平起飛,通過不斷加速沖出大氣層并進入地球軌道,成為航天飛行器;而返回大氣層后,便像普通飛機一樣在機場著陸,成為自由地往返天地之間的運輸工具!北本┖娇蘸教齑髮W宇航學院講師游暉表示,空天飛機能夠達到完全重復使用從而大幅度降低航天運輸費用的目的。

在軍事專家、《航空知識》副主編王亞男看來,空天飛機方案主要有兩種!耙环N是擬用作跨洲際飛行的高超音速運輸機,能以5倍左右的音速在30000米高空做巡航飛行;而另一種則為‘跨大氣層飛行器’,不但可做軌道飛行,也可以在次軌道上做氣動力機動,再回升到軌道上并以軌道速度航行!

目前,已投入試飛階段的空天飛機只有美國的X-37B,它于2010年4月從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地被名為“阿特拉斯5號”的航空火箭發射升空。在宇宙太空遨游了7個多月后,它自主返回大氣層,于當年12月在加利福尼亞州范登堡空軍基地著陸。盡管這架空天飛機在起飛階段仍需火箭運送,但已基本具備在大氣層內外飛行的能力。

顏華告訴記者,許多國家在這方面取得了不少成果,比如美國在研制的可在航母上起降的隱形無人機X-47B!跋嘈挪簧俸娇諒妵矔䦟仗祜w機開展研究!

發動機成技術關鍵

由于空天飛機要在大氣層內與外太空中交替可重復使用,因此,對發動機動力的要求標準很高!澳壳,普通噴氣式飛機需要氧氣作為發動機工作的‘氧化劑’,但30公里以外的太空氧氣很少。所以,空天飛機的發動機須區別于常規飛機!鳖伻A說。

中國工程院院士、航空航天專家劉大響對記者表示,與普通噴氣式飛機不同,空天飛機要采用渦輪沖壓組合發動機,一般用噴氣式發動機實現常規水平起飛并加速到馬赫數1.8以上,這時沖壓發動機才能點火啟動,并靠它在臨近空間實現超聲速巡航飛行!叭绻埠今R赫數達到4或5以上,則還需要采用超燃沖壓發動機!眲⒋箜懡忉。

王亞男認為,空天飛機的發動機必須保證能從0加速到25馬赫的過程中穩定高效地工作。大氣層外要用火箭發動機推進,而大氣層內要用噴氣發動機推進,此外,還要確保兩種動力的無縫轉換銜接。單一類型的發動機無法完成這樣艱巨的任務。

氣動一體化的超燃發動機,先進的塞式噴管發動機,以及組合循環發動機方案是其后動力系統技術的新進展和新動向!庇螘煴硎,氣動一體化超燃發動機的前體作為進氣道的預壓縮面,其后體下表面作為發動機氣體燃燒后排出的外噴管,為飛行器提供動力。而塞式噴管的最大優點則為其具有自動高度補償的功能。它能根據環境壓力來改變噴流氣體的膨脹截面積,因此,無論是在真空條件下還是在海平面條件下,塞式噴管發動機都有較高的性能,這一點與常規的噴管發動機有顯著不同!在組合循環發動機方面,由于X-30、X-33和X-34的失敗,目前關注的RLV技術方案已經從單級入軌轉移到了兩級入軌上!贬槍杉壢胲壏桨,由于吸氣式推進系統只需攜帶燃料,該推進系統可用于RLV直到火箭級必須使用的時候。這樣,通過對吸氣式推進和火箭推進組合,就可以利用兩種推進的優點,這就是組合循環發動機。

為了有效減少重返大氣層和在大氣層內超音速飛行時面臨的阻力,空天飛機的動力系統還要與機身進行一體化對接,并確保發動機進氣道與排氣道可隨速度不同而隨時調整形狀,在盡可能發揮最大動力效能的同時節省燃料。

商業軍事前景俱佳

“神”氣十足的空天飛機聽起來讓人不可思議,而實際上它已經漸行漸近。記者采訪的多位業內人士表示,空天飛機在商業和軍事上均具有光明的發展前景和研發價值。

隨著航空航天活動規模的擴大,預計在21世紀,僅美國送入軌道的總重量就高達9萬噸,因此,每年的運輸量將猛增到數萬噸!暗,以前最先進的航天運輸工具——美國的航天飛機,運送每公斤有效載荷進入地球軌道的費用達11607美元。因此,大幅度降低運輸費用和成本,業已成為開展大規模航空航天活動的關鍵問題之一!庇螘煴硎,空天飛機的研制目標是最終要使其運輸費用至少可降到航天飛機的10%,甚至可降到1%以內。

誠然,空天飛機具有普通飛機無可比擬的飛行速度,它可以大大縮短全球飛行時間,從而具有獨具魅力的商業價值。

未來,如果空天飛機技術徹底成熟,可能會被用于民用運輸和旅游領域,這是一個非常有趣的應用領域!蓖鮼喣邢蛴浾吲e例說,如美國縮比復合體公司就研制了“白色騎士——太空船”復合體系列飛行器,這種飛行器起飛前組合在一起,從跑道上滑跑升空,到高空時,白色騎士便會與太空船分離,前者像飛機一樣返航,而太空船則繼續通過火箭發動機加速攀高,進入大氣層上緣部分,接近亞軌道高度,讓其中的乘客過一把航天員的癮。

在飛行結束后,太空船會自行下滑著陸。如果空天飛機技術達到更高水平,那么,這種復合體空天飛行器可以進一步改進,直接將游客或旅客送入軌道空間,讓他們體驗航天員的感覺。

在實際應用領域,空天飛機還可以極高的速度完成極遙遠的航程,因為航行中的大部分旅程都是在軌道空間度過的,這意味著平均飛行速度可能達到5至10倍音速,甚至更高,跨越太平洋也就是半個小時的事兒。這樣一來,空天飛機可能大大改變人類遠程運輸的面貌!蓖鮼喣姓f。

當然,除了商業發展前景之外,空天飛機的軍用價值也十分重要。王亞男告訴記者,空天飛機突出的軍事用途體現在:首先,由于空天飛機可以在太空部署,未來一旦將太空定位為戰場,它便可對敵方的宇宙飛船、衛星,甚至太空站進行攻擊;如果裝備簡單的機械手,它就可以破壞或擒獲敵方的衛星;其次,空天飛機由于飛行高度非常高,靈活機動,還可以作為監視和預警平臺,以代替偵察衛星,監控敵方軍事行動!空天飛機由于可以自由往返于太空和大氣層,倘若在其上安裝激光武器和導彈,它便可以隨時攻擊地面的目標!蓖鮼喣姓f,由于空天飛機飛行速度高達25馬赫甚至以上,所以,可承擔全球范圍的快速打擊任務及軍事物資的投送等其他重大任務。

此外,空天飛機還能幫助己方部隊奪取電磁戰場上的絕對優勢及奪取制天權,并且切斷敵方的通訊,摧毀敵方的各種衛星,使敵方的衛星無法為其自身工作!庇螘熝a充道,它是比普通航天飛機更為靈活、速度更快、戰斗力更強,并且功能更多的一種新概念太空武器。

(來源:經濟日報)



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