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空天飛機:獨特潛質(zhì)備受關(guān)注
//agustinmoreno.com2014-05-21來源:經(jīng)濟日報
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  空天飛機:獨特潛質(zhì)備受關(guān)注

  本報記者 溫濟聰

  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(fā)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(wěn)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(xiàn)實。

  什么是空天飛機?關(guān)鍵技術(shù)是什么?它的未來發(fā)展趨勢和應(yīng)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(zhàn)機很可能是以高性能的無人機為主,現(xiàn)在許多國家都在緊鑼密鼓研制中!敝泻焦I(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)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(yīng)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。”顏華補充說,“更高”,是指在現(xiàn)有戰(zhàn)機大多不超過30公里高度的基礎(chǔ)上提高飛行升限,而目前大氣層30公里高度內(nèi)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(zhàn)機的基本能力!岸臁侵赶蚋叱羲侔l(fā)展;‘更強’,則是需滿足執(zhí)行更多任務(wù)等要求!

  長期以來,航空與航天是兩個不同的領(lǐng)域。大氣層內(nèi)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(wèi)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(xué)宇航學(xué)院講師游暉表示,空天飛機能夠達到完全重復(fù)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(fā)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(dāng)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(nèi)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(fā)動機成技術(shù)關(guān)鍵

  由于空天飛機要在大氣層內(nèi)與外太空中交替可重復(fù)使用,因此,對發(fā)動機動力的要求標(biāo)準(zhǔn)很高!澳壳,普通噴氣式飛機需要氧氣作為發(fā)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(fā)動機須區(qū)別于常規(guī)飛機。”顏華說。

  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(fā)動機,一般用噴氣式發(fā)動機實現(xiàn)常規(guī)水平起飛并加速到馬赫數(shù)1.8以上,這時沖壓發(fā)動機才能點火啟動,并靠它在臨近空間實現(xiàn)超聲速巡航飛行。“如果巡航馬赫數(shù)達到4或5以上,則還需要采用超燃沖壓發(fā)動機。”劉大響解釋。

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

  “氣動一體化的超燃發(fā)動機,先進的塞式噴管發(fā)動機,以及組合循環(huán)發(fā)動機方案是其后動力系統(tǒng)技術(shù)的新進展和新動向!庇螘煴硎,氣動一體化超燃發(fā)動機的前體作為進氣道的預(yù)壓縮面,其后體下表面作為發(fā)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(yōu)點則為其具有自動高度補償?shù)墓δ。它能根?jù)環(huán)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(fā)動機都有較高的性能,這一點與常規(guī)的噴管發(fā)動機有顯著不同!霸诮M合循環(huán)發(fā)動機方面,由于X-30、X-33和X-34的失敗,目前關(guān)注的RLV技術(shù)方案已經(jīng)從單級入軌轉(zhuǎn)移到了兩級入軌上!贬槍杉壢胲壏桨福捎谖鼩馐酵七M系統(tǒng)只需攜帶燃料,該推進系統(tǒng)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(yōu)點,這就是組合循環(huán)發(fā)動機。

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

  商業(yè)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(jīng)漸行漸近。記者采訪的多位業(yè)內(nèi)人士表示,空天飛機在商業(yè)和軍事上均具有光明的發(fā)展前景和研發(fā)價值。

  隨著航空航天活動規(guī)模的擴大,預(yù)計在21世紀(jì),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(shù)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(yè)已成為開展大規(guī)模航空航天活動的關(guān)鍵問題之一!庇螘煴硎,空天飛機的研制目標(biāo)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(nèi)。

  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(yè)價值。

  “未來,如果空天飛機技術(shù)徹底成熟,可能會被用于民用運輸和旅游領(lǐng)域,這是一個非常有趣的應(yīng)用領(lǐng)域。”王亞男向記者舉例說,如美國縮比復(fù)合體公司就研制了“白色騎士——太空船”復(fù)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(xù)通過火箭發(fā)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(jié)束后,太空船會自行下滑著陸。如果空天飛機技術(shù)達到更高水平,那么,這種復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域,空天飛機還可以極高的速度完成極遙遠(yuǎn)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?nèi)祟愡h(yuǎn)程運輸?shù)拿婷病!蓖鮼喣姓f。

  當(dāng)然,除了商業(yè)發(fā)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(xiàn)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(zhàn)場,它便可對敵方的宇宙飛船、衛(wèi)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(wèi)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(jiān)視和預(yù)警平臺,以代替?zhèn)刹煨l(wèi)星,監(jiān)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(dǎo)彈,它便可以隨時攻擊地面的目標(biāo)。”王亞男說,由于空天飛機飛行速度高達25馬赫甚至以上,所以,可承擔(dān)全球范圍的快速打擊任務(wù)及軍事物資的投送等其他重大任務(wù)。

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

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