新概念航空航天飞行器

空天飞机

1.7概念航空航天飞行器21世纪掌握空间、争夺制天权的关键武器装备之一。与航天飞机相比，空天飞机多了一个在大气层中航空的功能，它起飞时也不使用火箭助推器，注燃料，能很快作下一次飞行。机和火箭发动机。涡轮喷气发动机可以使空天飞机水平起飞，当速度超过2400km/h时，就使用冲压发动机，使空天飞机在离地面60km3km/h的速度飞行；假设再层后，它又能像一般飞机一样在机场着陆，成为自由来回天地间的输送工具。始工作，燃烧自身携带的燃烧剂和氧化剂。降落时，两种发动机的工作挨次同起飞时相反。12~25，是现代高技术作战飞机飞6~12倍。它可以在个把钟头内，把货物从欧洲运到澳洲。空天飞机在跑道起落，出入太空自由，可以像一般飞机一样在地面机场水平起飞升空，返回大气层后像一般飞机一样自由选择机场水平降落，可以像一般飞机一样在大气层内飞行，也可进入外层空间自由飞行或按肯定的轨道运行。1kg有效载荷到轨道的费维护简便，一个星期后就可再次起飞。空天飞机在军事上的应用包括：确保快速廉价地进入太空空天飞机与目前使用的一次性使用运载火箭、飞船和局部重复使用航天飞机相比，在重复使用性、放射操作费用、可修理性和周转时间性等方面都有革命性的转变。可作为空间武器放射平台 在将来天战中，空天飞机可作为各种武器弹药，包括动能武器和高能激光武器微波武器等的放射平台对敌方陆海空天重要目标进展攻击，对战斗的胜败可起到至关重要的作用。反卫星其失灵或将其摧毁；或将它“俘虏将其带回地面。可作为快速运输机等。可作为战时空间预备指挥所空天飞机能像载人空间站那样在轨道长期停留，又配备了先进的指挥掌握系统，一旦战时需要，可以直接担当起作战指挥掌握任务。侦察监视与预警的敏捷机动性，综合侦察力量更强，实时性更好。实现空天飞机的技术难度比航天飞机更大耐高温的材料〔高速飞行时，其头锥温度可达27601930℃、机身下也可达1260℃〕和具有人工智能的掌握系统等。这些都需要进展大量的课题争论和技术攻关。60由于当时的技术、经济条件相差太远，且应用需求不明确，因而中途夭折；80年月中期，遍高涨，乐观参与“阿尔法”号空间站的建筑。据估量，空间站建成后，为了开发和利用太寻求一种经济的天地来回运输系统，美、英、德、法、日等国纷纷推出了可重复使用的天地来回运输系统方案。1986X-30单级水平起降空天飞机，其特点是承受一种全的空气液化循环发动机。90年月，他们又都能分别水平着陆。法国和日本也提出过自己的空天飞机设想。80年月末，这股空天飞机热到达高潮，也激起了中国航空航天专家的很大兴趣。进展空天飞机的主要目的是想降低空天之间的运输费用。其途径归纳起来主要有三条：〔放射〕和降落〔返回〕所需的场地设施和操作程序，削减修理费用。但是，经过几年的争论分析，科学家们觉察，过去的估量过于乐观。实际上，上述三条途径知易而行难。需要解决的关键技术难度决非短时间内能突破，这些关键技术有：构思的吸气式发动机由于空天飞机的飞行范围为从大气层内到大气层外，速度从0到Ma=25，如此大的跨度和工作环境变化是目前现有的全部单一类型的发动机都不行能胜任的，从而也就使为空天飞机研制全的发动机成为整个工程的关键。外工作，且有用速度较小；火箭发动机自带氧化剂，可以工作在大气层内外，使用速度范围冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+动机的研制上存在相当多的技术问题牢靠。计算空气动力学分析航天飞机返回再入大气层的空气动力学问题，曾经消耗了科10万小时的风洞试验。空天飞机的空气动力学问题比航天飞机0变化到25；飞行高度变化大，从地面到几百l～2小时。验，也需要花费100N-S方程的求解目前尚存在很多理论上和计算速度上的问题。发动机和机身一体化设计当空天飞机以6倍于声速以上的速度在大气层中飞行动机吸入空气的进气道，让后机身容纳发动机排气的喷管，即“发动机与机身一体化变化，以便调整进气量，使发动机在低速时能产生额定推力，而在高速时又可降低耗油量，高速气流和气动力热的作用，这样才不致发生明显变形，才可屡次重复使用。防热构造与材料空天飞机需要屡次出入大气层，每次都会由于与空气的猛烈摩擦的温度。因此，必需有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。外形，又要能长期重复使用，维护便利，所以其技术难度是相当大的。增加，而且防热层还不能被烧坏，否则会影响重复使用。一个较简洁的解决方法是在机头、外外表摩擦所生成的热量。为了满足空天飞机的防热要求，目前正在争论用快速固化粉末冶金工艺制造纯度很高、用的钛合金在室温下的强度，这种合金适宜用来制造机身内层构造骨架。机头与机翼等温度最高的部位材料等。这种材料应当兼有碳化硅的耐高温性能，又具有钛合金的高强度特性。也会像空间站那样实行国际合作的方式。接近空间飞行器20～100km的区域。在该空间中能完成肯定任务的飞行平台称接近空间飞行器。20km以下高度飞行，而卫星等航天器则在100km以上空间的轨道上运行。目前在20～100km接近空间的飞行器很少，主要是由于接近空间区域的大气密度很低，这一空间的空气密度又会产生很大阻力。〔再入或者不再入〕、概念的接近空间飞行器〔激光或者微波等动力〕等。浮空器的主要概念接近空间浮空器主要依靠空气的浮力抑制重力，依靠动力抑制风阻，能在20km以上的接近空间范围内长时间地定点悬停或低速机动飞行，以太阳能转化成电能为主要能源，再生式燃料电池/燃料电池/充电电池为关心能源，承受螺旋桨或者型电晕离子推动器推动的无人飞行器。精度和时间持续性都有很大的优势。〔30km时空气密度是海平面空气密度的约1/70〕，为了产生足够的浮力，浮空器体积浩大，这就给材料、构造和制造工艺等提出了很高要求。再入/不再入高速飞机的主要概念 该类接近空间飞行器需要以较高的飞行马赫数飞行这样才能产生足够的空气动力该类飞行器的优点是在较短的时间内可以形成较大的掩盖范围一般而言该类飞行器主要用于空间的快速到达和武器投送作为信息平台的意义还不是很大。概念的接近空间飞行器目前，在接近空间的范围内没有太多的飞行平台的缘由是1〕该空间内对于航空器而言空气过于淡薄，飞行器必需高速飞行才能获得足够的升力，但和燃料的航天发动机要付出很大的重量代价；2〕对于轨道飞行器而言，接近空间内的大气太阳能电池效率都不是很高〔国内的刚性太阳能电池效率能到达17%左右，国外在23%-25%左右，因此，要产生足够的动力，也要付出很大的重量代价。上。接近空间飞行器有重要的军、民用作用和用途，主要表现在以下几个方面：可以有效地弥补接近空间区域的空白从空间高度分层和安全战略来看，20km200km20～80km的接近空间区域飞行器有重要的军事和民用价值。经过论证分析，能在30km接近空间空域飞行的飞行器具有低、中空飞行器和太空飞行器所不具有的作用。在战斗中，目前以卫星、高空无人机和预警飞机、地面和海面信息系统为主组成的空、天、地、海信息网络系统有很多缺陷,而接近空间飞行器可以弥补这些缺陷。是，由于卫星本身的布置时间长〔含放射和入轨，放射场固定，造成卫星的本钱很高，所息猎取的主要手段是可见光/红外照相，美国最先进的侦察卫星是KS-12，其照相设备要求0.110亿美元。即使防范系统。计算分析说明，对一个战区每15分钟探测一次，需放射24颗卫星，每8分钟探36颗卫星，同时还要几颗同步轨道卫星协作。该系统还需建设浩大的地面更大，其放射本钱将更高。并且一旦放射后将只能掩盖预定的区域，无法再次转变，因此更适合作为信息中继平台。接近空间浮空器可以在某一固定空间长期定点停留执行探测任务明显。另外，与卫星相比，接近空间飞行器的本钱低、放射便利且快速，因此，在实战中很简洁得到补充。现今的很多武器系统使用GPS、北斗导航星系统供给的导航和定位数据，但由于导航卫星高度很高〔我国北斗导航星轨道在30000km以上飞艇的106倍，因此抗干扰力量明显差很多。据报到，美伊战斗中美国靠GPS制导的巡航在攻击目标时，由于受到GPS干扰器的干扰，有多枚竟然落到伊朗和叙利亚境内，可的抗干扰力量，从而发挥我方武器系统的威力。高空无人机和预警飞机在信息网中有突出的作用和地位而毁伤，高空无人机和预警飞机的本钱都较高。高得多，因此其掩盖范围更大，直径可以到达1200km以上。接近空间飞行器能充分发挥太阳能优势，可以长时间〔3个月以上〕留空，并昼夜不连续地完成信息猎取、信息中继、信理，接近空间飞行器留空时间很长，可以弥补它们作为信息猎取和中继平台。可控飞行的接近空间飞行器由于其隐身性能好击范围之外，能对该高度目标进展攻击的特种接近空间的本钱远高于接近空间飞行器，因此，其作战生存力比高高空无人机和预警飞机高。挥供给更为准确、完整的情报保障。将来的大载重接近空间平台还可以搭载攻击武器卫星，也可以对低空或者地面目标实施打击。部区域无线通讯相对困难，有可能处于通讯卫星的盲区，也不行能建筑大量地面蜂窝基站，信号路径损耗小很多，因此其在局部区域可以弥补通讯卫星的缺乏，实现“无盲区”通讯。灾方面可以进展灾情监测、应急监测、灾后重建和事故搜救等；在区域规划方面可以进展城市规划、区域测绘、交通治理和大型工程监测等；在公共安全方面可以进展要地防护、反恐、防暴、犯罪追踪和突发大事处理等。国外进呈现状与趋势接近空间机动飞行器是空天一体作战系统的重要组成·抗中猎取优势主导地位，其中美国和日本的研发工作走在最前列。20230米的接近空间飞艇争论202310与洛克希德马丁公司签署了价值4000HighAltitude研制合同〔图1.7.长152m50m150000m32t，10kw65000英尺〔20公里〕高空飞行一月。打算2023年6月完成设计与风险分析2023年7月～2023年820239月～20238月完成试飞与用户评审。洛克希德·马丁公司的高空飞艇平台主要控〔图1.7.。1.7.11.7.1洛马公司的高空飞艇图1.7.2洛马公司的高空飞艇军事应用19984月通过了接近空间信息平台争论开发的国家立项，成立了由众多争论20个以太阳能/燃料电池为动力的接近空间飞艇平台，驻空高度为20km〔图1.7.，掩盖整个日本群岛。目前已对系统设计、构造样式、飞艇使用材料、燃料电池与太阳能电池、飞艇的放射和回收、飞艇的跟踪个主要的接近空间信息平台应用以及平台有效载荷系统进展了争论和概念设计。1.7.3日本打算进展的接近空间飞艇平台30000米及以上高度的高空飞艇争论打算也在开展JPAEROSPACE公形接近空间机动飞行器〔图1.7.，实际上是一种高空飞艇，长53，宽30，飞艇内部充填氦气，承受螺旋桨推动系统，能在30-50km的高空长时间飞行为50万美元，远远低于任何一种有人驾驶侦察机的价格，还不到“全球鹰”高空长航时无人侦察机造价的40%，但却拥有较高的升空力量、货物运输力量、长时间飞行力量，集卫星的联系，而且没有卫星和侦察机的缺点，根本上不受地面和空中任何武器系统的攻击，是美202330.5km5天的军事任务。1.7.4“攀登者”接近空间飞行器图JP航空宇宙公司正在进展的另外两个工程是高空飞艇漂移平台和高空轨道飞艇的研制。公司打算为空军建筑一个名为“黑暗空间站DarkSkyStation〕的高空漂移平台〔图1.7.30.5公里的高空中，它将由很多飞艇构成，长约2英里，主要由一英里长的氦电池供给动力，同时利用燃料船从地面到轨道间的高空中转站31年半中，打算先建设一个3023的规模将进一步扩大，停留时间也将随之增加。1.7.6“黑暗空间站”图接近空间飞行器的关键技术统和特种轻质气密材料与构造成为制约该种飞行器进展的关键技术。长时定点悬停技术长时定点悬停是飞艇与其它飞行器比较的优势所在替代的。因此长时定点悬停技术是飞艇完成军事任务和发挥优势的必要保证。接近空间存在随纬度和季节变换的长时风场能源系统为推动动力系统供给足够的能量。量耗尽而被高空大气风吹出其预定的定点范围。由此可见，定点悬停技术成为制约接近空间飞艇进展的核心关键技术，必需依据大系统漂移范围不超出完成任务所规定的定点范围。要解决接近空间飞行器的长时定点悬停问题特性等。能源与特种推动系统为了保证飞艇有很长的留空时间并迎风飞行保持定点进一步增加很多。承受太阳能电池＋可充电电池作为能源系统，系统只要可坚持一个昼夜，那么在理论上就可保证长时间的供电需求。系统。另外30000飞艇是柔性构造，还需要争论柔性薄膜太阳能电池以及与囊体构造的复合技术。统的根底争论也是很有必要的。解决该关键问题需要争论超高空环境下能源的采集与存贮技术接近空间环境下特种螺旋桨与概念推动技术计，电晕离子推动器技术和推动系统与平台的一体化设计等。特种轻质气密材料与构造30000米的高空，空气密度低，只有海平面的约1/70，浮升单位体积产生浮力很小，每立方米只有0.015g浮力，因此，要求飞艇自身构造重量应尽可能的低，否则产生的浮力都无法抑制自身的构造重量，需要承受轻质高强度囊体与龙骨材料。为了满足有效载荷的要求，飞艇的体积很大〔百米级〕，这样使得大跨度构造设计与工艺成犯难题。飞艇长期驻空，氦气分子的原子直径很小，极易透过阻氦气构造而溢出，造成飞艇的浮力缺乏以抑制重量，飞艇的驻空高度会下降，不能满足性能指标要求。因此，除了要争论降低材料的透氦率和重量外，还要争论囊体的构造形式、权衡囊体的重量和数量、优化布局、削减毁伤性漏气的概率。另外接近空间环境下的凹凸温、光照、辐射和臭氧等恶劣环境会削减飞艇构造寿命，因此必需要争论恶劣环境下构造防护与延长寿命技术。微型飞行器微型飞行器〔MicroAirVehicleMAV〕是技术进展的必定产物，是目前国内外争论的一个前沿和热点问题。微型飞行器的概念源于20世纪90年月。依据美国国防预研局〔DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，简称DARPA〕提出的要求，微型飞行器的根本技术指标是：飞行15厘米，续航时间20-60分钟，航程到达10公里以上，飞行22-45公里/小时，可以携带有效载荷，完成肯定的任务。在军事方面，MAV可以装备到排一级士兵，进展低空军事侦察、监视、战场损伤评估等；当作反辐射和微型攻击武器，摧毁敌方雷达等电子设施以及携带微型战斗部进展攻击；用于目标搜寻和通信中继；进展生化探测，并标定危急区域等。在民用方面，MAV可以用于交通监控、边疆巡逻、森林及野生动植物勘测、航空摄影、输电线路检查、环境监测、气象得到了世界很多国家的极大关注，很快成为国际上的争论热点。微型飞行器的争论现状国内外各大科研机构广泛开展了对微型飞行器本体及其子系统的争论和开发旋翼飞行器、微型扑翼飞行器等三种类型。微型固定翼飞行器微型固定翼飞行器的典型代表是美国航空环境公司〔AeroVironment〕BlackWidow和洛克希德桑德斯公司〔LockheedSanders〕研制的MicroStar。BlackWidow微型固定翼飞行器〔1.7.7〕1556克，使用锂电池、携带摄像头以40公里/22分钟，数据链范围15公里。包括气压放射架、地面掌握系统和自动追踪天线在内的整个系统可装在一个手提公文箱内，总重只有6.8公斤。MicroStar微型固定翼飞行器〔1.7.8〕1585克，其中动力源44.5克，有效载荷18克，发动机重13.5克，巡航速度48公里/小时，续航时间20分钟，飞5.6公里。具有自动驾驶系统和电视摄像机，承受手持式放射器或直接手掷放射。图1.7.7 BlackWidow微型飞行器 1.7.8 MicroStar微型飞行器微型旋翼飞行器微型旋翼飞行器与微型固定翼飞行器相比其最大的优点是能够垂直是洛克尼克公司〔Lutronix〕研制的Kolibri和斯坦福大学研制的Mesicopter。Kolibri微型旋翼飞行器〔1.7.9〕1031637克的132克。该飞行器上部装旋翼，下部装照相机，承受GPS自动驾驶，可以垂直起降和旋停，留空时间至少30100克的设备。Ｍesicopter微型旋翼飞行器是一个厘米级大小的飞行器〔图1.7.1，其机身为1×16毫米的方形框架，有四个螺旋桨，螺旋桨直径为15毫米，厚度仅为0.08毫米。每个螺旋桨3325成具体任务。1.7.9Kolibri微型旋翼飞行器图1.7.10Mesicopter微型旋翼飞行器微型扑翼飞行器微型扑翼飞行器是一种仿照鸟类或昆虫飞行的型飞行器动性和敏捷性。因此，更适于执行侦察任务。近年来，在DARPA的资助下，微型扑翼飞行器的争论取得了肯定的成果。较典型的微型扑翼飞行器是加州技术学院研制的MicroBat和斯坦福争论中心〔SRI〕研制的Mentor。MicroBat微型扑翼飞行器是最早的电动扑翼飞行器。其机翼是承受微型机电系统MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)技术加工制作而成的。通过重量轻、摩擦低的传动飞行性能最好的是第四代样机〔图1.7.11〕，该机承受锂离子电池为动力，总重11.5克，最20.32厘米，飞行方式为无线电遥控飞行，最大续航时间为617秒。在DARPA资助下，美国斯坦福争论中心〔SRI〕研制的Mentor微型扑翼飞行器〔图1.7.12〕50克，有四片机翼，以电致伸缩聚合体人造肌肉EPAM〔ElectrostrictivePolymerActuatedMuscle〕为动力。目前正在进展该飞行器的气动力特性试验。图1.7.11 MicroBat微型扑翼飞行器 图1.7.12 Mentor微型扑翼飞行器微型飞行器的关键技术从微型飞行器的争论现状来看，虽然已经取得了相当的技术成果，积存了肯定的阅历，诸多技术领域的严峻挑战。低雷诺数下的空气动力学问题微型飞行器与常规飞行器的空气动力学特性有很大不同。常规飞行器的雷诺数约为106-108左右，空气的粘性效应可以无视。而微型飞行器的雷诺数大约在104左右，空气的粘性阻力相对较大，其影响无法无视。目前，微型飞行器在低雷诺设计中所承受的很多成熟技术，如气动计算方法与软件系统，风洞试验技术不能使用，而必需进展的理论和试验技术。微型动力装置和动力源问题任何飞行器的飞行首先要解决的问题是动力问题，没有动力飞行无从谈起。目前，微型飞行器可用的动力源有：内燃发动机、燃料电池、微型涡轮发动机、电动机以及太阳能等。5%左右，目前尚未研制出真正可用的微型内燃发动机，而且内燃发动机还存在噪音大及牢靠性差等方面的问题，要解决这个瓶颈还需要作大量的相关工作。美国麻省理工学院在DARPA机承受MEMS技术加工制作，工作原理与常规涡轮发动机相像，使用氢作燃料，直径为132.4×10610.05-0.1牛顿，输出10-30瓦。此外，往复化学肌肉、电致伸缩人造肌肉、弹性动力、热电动力和太阳能等技术目前也在争论中。飞行掌握及导航技术面效率低等缘由，从而使常规的飞行掌握方式遇到困难，一个解决途径是进展基于MEMS构，通过微流淌掌握实现对微型飞行器的飞行掌握[6]。微型飞行器必需具备自主导航力量，可以使用地形匹配或全球卫星定位系统〔GPS〕进展导航。但是目前一套小型GPS0.5瓦的功率，重达20-40g的天线，而且GPS系统的工作需要相当大的数据处理力量。因此研制体积小、重量轻、功耗低的GPS系统和地形匹配系统等对微型飞行器来说格外有必要。基于微机电〔MEMS〕技术的系统集成技术由于微型飞行器的体积小，其机体容量和承载重量均受到很大的限制微型飞行器的设