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空天飞机 新时代的航天器

2018-05-02 09:51:53|来源:北京日报|编辑:薛维萌 |责编:韩东林

X-30飞行器概念图  

着陆后的X-37  

  全国政协委员、中国航天科工集团三院院长张红文不久前在接受采访时表示,目前我国正在研制的新一代天地往返飞行器是一种可执行航天发射任务并多次重复使用的“空天飞机”,项目名为“腾云工程”。那么,目前世界上空天飞机的研发情况如何呢?

  X-37飞行器是一种准空天飞机

  空天飞机最早的概念,由美国总统里根在1986年的国情咨文中提出:“我们要研究一种新的‘东方快车’飞行器,到下个十年结束时(指1999年,实际未实现——作者注),它将可以从杜勒斯机场起飞,进入近地轨道,并在两小时内飞抵东京。”东方快车计划很快演化成了国家空天飞机计划和X-30试验飞行器方案,但几年后便因冷战结束、经费削减而陷入停滞。但美国军方和民用部门对相关技术的研发却一直没有停止。2010年,X-37飞行器的首飞成功使空天飞机重新引起了人们的关注。

  目前,人们普遍设想的空天飞机概念是一种既能航空又能航天的新型飞行器。在大气层内,它能像普通飞机一样在跑道上起飞,但它的飞行速度比现在所有的飞机都快,在临近空间(指高度在30至100公里范围内的空间)内可达到13-25马赫,而目前民航客机的飞行速度一般不超过0.9马赫,军用超音速飞机的飞行速度最大也只有3马赫左右。它能够自主加速,从大气层中进入近地轨道,成为航天器。返回地面的过程中,又能像普通飞机一样在跑道上着陆。 

  和航天飞机与火箭类似的垂直发射相比,空天飞机的发射方式改为了与飞机类似的水平起飞。目前,空天飞机的起飞方式主要有两种,一种方式是将大气层内飞行所使用的航空发动机和在太空中使用的航天发动机装入同一个飞行器内,以美国的X-30试验飞行器方案为代表。这种方式的技术复杂程度高,但功能比较强大。另一种则是将飞入太空轨道的空天飞机置于母机之上,空天飞机内只安装航天发动机。当母机由普通机场起飞并飞行到一定高度后,空天飞机与母机分离并点火进入太空轨道。这种发射方式的实现难度低,可充分利用现有的民航大型运输机或军用轰炸机,但发展空间较小,其代表是德国的“桑格尔”空天飞机。 

  已经进行过数次飞行试验的X-37型(及其改进型X-37A、X-37B)试验飞行器还需要火箭发射升空,因此严格地说并不能算是一种真正的空天飞机,但它的几次飞行却验证了空天飞机较强的轨道机动能力。X-37还将飞行范围扩展到了其他航天器所无法涉足的临近空间领域。由于这里的大气密度还比较大,产生的大气阻力使卫星和航天飞机等传统飞行器无法在此高度内飞行。然而,利用空天合一的推进技术,空天飞机却可以在这个范围内以超高速自由飞翔。

  由于要频繁在太空与大气层间穿行,空天飞机的飞行经常伴随着大气对它的灼烧。为了应对这种恶劣条件,空天飞机一般会采用更加先进的外层防热材料。例如,X-37采用了由先进复合材料构成的防热瓦,能够承受最高达1600摄氏度的高温,耐久性和可重复性均高于航天飞机的防热瓦,寿命为现有防热瓦的10倍。这种材料的采用,也缩短了X-37落地后的防热瓦检修时间,使得它能比航天飞机更快地投入第二次飞行。

  目前,美军为X-37提出的目标为两次飞行期间的准备时间不大于90天,而在未来的空天飞机发展构想中,美军对这个时间的目标是10-15天。X-37不仅每次“休息”的时间比航天飞机短,而且每次“工作”的时间还比航天飞机长。由于将航天飞机上持续供电时间有限的燃料电池替换成了太阳能电池和高性能锂电池的组合,空天飞机最长能够在太空中持续工作270天,大大高于航天飞机的16天。

  军事民用都有广阔发展前景

  从各国空天飞机的研发计划看,空天飞机发展的首要驱动力是军事需求。空天飞机灵活机动、效费比高、飞行速度快,可以执行许多其他装备无法执行的任务。它的反应速度快,从一国本土起飞后两小时内就可以达到地球任何一个地方遂行作战任务。对于需要在全球范围内维护自身利益的大国来讲,空天飞机可以迅速对任意地区的危机作出反应,对敌方发动突然袭击。目前,有关国际条约中将领空的范围限制在高度100公里以下的空间,而100公里以上的空间则为“公空”,各国飞行器可自由飞行。空天飞机在执行军事任务时,可以首先爬升到100公里以上,在不引起国际争端的情况下飞过其他国家上空,到达战区后再降低高度作战。

  空天飞机可以在临近空间内超高音速飞行,能将传统的地面战、空战与新兴的太空战连成一体。以空天飞机为平台,既可以发射对地打击的各类导弹,又可以部署激光武器,拦截在高空中飞行的敌方弹道导弹。由于目前拥有航天发射能力的国家不多,具备攻击临近空间和太空中飞行器能力的国家更是凤毛麟角,因此对于大部分潜在的作战对象,空天飞机在战斗过程中几乎不会受到敌方攻击的威胁。利用超强的变轨能力,空天飞机还可以快速靠近敌方的航天器并对其进行捕获或直接摧毁,使敌方丧失利用卫星进行侦查和通信的能力。

  在电影中,我们有时会看到军队的指挥官利用卫星图像对战场态势进行现场直播式的观察。但在目前,这几乎是不可能实现的。能够以高分辨率对地观测的卫星一般工作在高度较低的近地轨道。由于要不停地在轨道上运动而不能相对于地面悬停,侦查卫星在一段时间内只能掠过战场上空几次。位于静止轨道上的卫星虽然相对地面不动,但轨道高度太高,无法看清地面上的细节。由于其较强的机动能力,空天飞机可以脱离特定轨道,持续在战场上空的外层空间中飞行,获取战场信息。 

  除了军事应用,空天飞机也能在和平利用太空的各个方面发挥作用。当出于和平目的靠近一颗卫星后,空天飞机可以为卫星补充维持轨道所用的燃料,延长其在太空中工作的时间,还可以进行一些卫星维修工作。空天飞机可以根据需求随时起飞,作为微小卫星的发射平台,携带微小卫星到达轨道后再将它们释放,从而比传统的火箭发射方式更加灵活。当某一地区突发自然灾害时,空天飞机可以迅速到达灾区上空,持续对灾区进行遥感探测,支持救灾工作高效开展。 

  目前,载人航天正朝着低成本的方向发展,可重复利用功能是各种正在研发的新一代载人飞船的“标配”。空天飞机可重复利用的特点恰恰顺应了这一潮流。空天飞机还可能为商业航天开辟太空旅游的新市场。未来的某天,普通人可能也会有机会像乘坐现在的民航飞机一样,在机场登上空天飞机,开启一次奇妙的太空之旅,欣赏到太空中的旖旎风光。(李会超)

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