空間作戰飛行器

黃志澄

從世界軍事航天的發展趨勢來看,軍事航天的發展正處于一個轉折點,未來的戰爭必將會從海、陸、空擴展到太空。而太空對戰爭的作用,將從單純的支援逐步轉向空間對抗。美軍通過海灣戰爭和南聯盟戰爭,認為各類軍用衛星系統在未來戰爭中將起到力量倍增器的作用,另一方面,通過實戰也發現現有的軍用衛星系統還存在明顯的不足:

(1)對于戰場的實戰需要,缺乏應急發射衛星的能力。

(2)對敏感地區不能提供實時情報。由于運行軌道的限制,這些衛星不能經常在目標區飛行,從而使敵方比較容易躲避。目前每顆衛星的重量均在15噸以上,難于應急發射。組建小衛星星座可實施全球或近似全球覆蓋,將使衛星偵察系統具有實時或近實時的成像偵察能力。如果衛星星座受到敵方攻擊時有幾個衛星損壞,也容易調整和補救。但是,發射小衛星星座對運載器提出了降低運輸費用和快速反應的要求。小衛星星座的缺陷是容易受到攻擊。

(3)在空間對抗環境下,衛星系統的易損性是顯而易見的。衛星的軌道較固定,在軌道上的機動能力十分有限,其外形也難于隱身。由于機動性差,它既不可能裝備武器來自衛,也不適宜作為進攻武器的平臺。

(4)缺乏在軌操作(如維修和加注燃料等)能力。

可見,現有軍用衛星系統尚不能滿足未來空間戰爭的需要。對未來的高技術戰爭,美國軍方認為:不僅要從空間獲得支援,而且也會在空間作戰,更重要的是保護自己應用空間的自由,而不讓敵人具有應用空間的能力。與此相適應,美國航天司令部在1998年4月公布了《長期規劃》。在這個長期規劃中,首次提出了“空間作戰飛行器”和“空間機動飛行器”的概念。

空間作戰飛行器與《長期規劃》

什么是空間作戰飛行器呢?它是一種完全重復使用的單級入軌的航天器,可以飛到中高度地球軌道。它可以帶衛星和空間機動飛行器等有效載荷。

空間機動飛行器是較小的飛行器,可以完成對敏感地區進行監視、對在軌衛星進行維修和加注燃料等多種任務。對于空間作戰來說,關鍵是便宜和快速反應。現在美國的偵察衛星十分笨重,必須帶有很多冗余系統和大量的推進劑。在它入軌后,用航天飛機來維修和補給既困難又十分昂貴。為了便于制造和發射,未來的衛星將有較少的冗余和推進劑,而在緊急時,用空間機動飛行器可以對衛星進行快速補給和替換;也可以監視敵方的衛星,發現它們帶有進攻性武器時,就可以對其攻擊。

空間作戰飛行器的有效載荷也可以是軌道轉移飛行器。它將衛星移轉到高軌道或低軌道,或將衛星拖到空間作戰飛行器或空間機動飛行器上進行修理和補給。

這種往返式航天系統的任務是進行戰術與戰略偵察,檢查軌道上的航天器,為空間站服務和以最少的費用使衛星進入太空,用高精度武器打擊地面設施。雖然核武器在下個世紀還將具有遏制作用,但戰略導彈飛過侵略國上空,顯示實力后再回來是不可能的,只有往返式航天系統能做到這一點。它還能提供非核的精確打擊力量,特別是在本土還擊時,它不會造成生態災難。更難能可貴的,它還是一個軍民兩用系統,從而可以節省大量費用。

空間作戰飛行器除了可降低運輸費用外、還有機動發射、快速反應、在軌操作能力和一定的再入返回機動能力,并可能同時作為偵察平臺和武器平臺。這些功能的實現,使其本身就成為一種威懾力量,這就是為什么《長期規劃》對它如此青睞。

美國航天司令部的《長期規劃》提出的2020年設想的目標是:確保美國空間軍事大國的地位,為保障美國在未來空間的安全方面提供一個堅實的基礎。為此,美國航天司令部發展了控制空間、全球交戰、全面力量集成和全球伙伴關系等四個作戰概念。在這四個作戰概念中,控制空間處于首要地位。控制空間就是保證美國及其盟軍不間斷地進入空間、在空間行動自由的能力,以及在需要時,不讓別人應用空間。在控制空間這個作戰概念中,確保進入又處于首要地位。確保進入就是保證美國具有不間斷進入空間的能力,使美國可以在敵人沒有對其形成障礙的情況下,發射和重建衛星星座。具體地說就是:往返于空間的運輸、操作在軌資源、在軌資源的回收和服務這3項關鍵任務。美國航天司令部對確保進入的技術途徑進行了規劃,其中空間作戰飛行器具有突出的地位。

《長期規劃》指出:(1)對于和平時期發射衛星星座,近期仍然使用“宇宙神”、“德爾它”、“大力神”等運載火箭。到2002年,傳統運載火箭改進型將會降低25～50%的運輸費用,此類火箭可在45天之內發射中等重量的有效載荷。到2003年,將出現反應時間在90天之內的重量級傳統運載火箭改進型。從2006年開始,大多數軍用有效載荷將由商業部門發射。空間作戰飛行器將于2012年左右開始飛行,成為維持日常衛星星座的另一條途徑。

(2)對于按需部署的衛星,需要新的低廉、快速反應的發射系統,如重復使用的航天運載器、先進的上面級、空間作戰飛行器和空間機動飛行器。

(3)對于完成進入空間和從空間進行回收的快速反應任務,到2012年,空間作戰飛行器是一個關鍵的平臺。它有極高的速度,并無法預測它的發射時間和方位,能確保指揮官在處理當前和未來的威脅時,具有很大的主動權。

除此以外,這項規劃還賦予空間作戰飛行器阻止的功能,即阻斷、欺騙、削弱或摧毀敵方空間系統。

該規劃在論及導彈防御時指出:空間作戰飛行器將用于導彈防御、全彈道交戰和作戰評估。天基高能激光武器、天基動能武器和天基微波武器等天基武器,是未來空中和空間作戰主要的殺傷武器。它們對空間防御、彈道導彈的防御、地面部隊的防御等都是不可缺少的。空間作戰飛行器將成為攜帶天基武器理想的平臺。

空間作戰飛行器的發展途徑

空間作戰飛行器系統綜合了美國在跨大氣層飛行器、軌道轉移飛行器和軌道機動飛行器的研究成果。從60年代起,美國空軍就致力于跨大氣層飛行器的概念研究。60年代研究了X-20實驗研究機,為建成航天飛機作出了貢獻;60年代研究了X-30,即國家空天飛機。美國空軍大學在1996年8月完成的《空軍2025》的研究報告中,對跨大氣層飛行器作了總結和評估。這個報告對43個系統的重要性和技術可行性的評估表明:有人單級入軌的和無人空中發射的跨大氣層飛行器分別列在第10、11位。這兩類跨大氣層飛行器有許多共同點,它們都具有一定的運載能力,可以從地面快速起飛,在低地球軌道修理或回收衛星,并可作為監視、偵察平臺和天基反衛星平臺。但前者強調對高中低各種軌道的天基系統的支援,后者則強調部署低地球軌道的衛星或衛星星座。軌道轉移飛行器和軌道機動飛行器的概念是美國在進行“自由”號空間站大系統時提出來的,后來美國的空間站幾經波折,變成國際空間站,不僅刪去了上述兩種飛行器,而且空間站的軍事應用也不再提了。但當時進行的這兩種飛行器的概念研究,仍可用到空間作戰飛行器中來。

早在1995年,美國空軍就成立了一個空間飛機小組,對軍用空間飛機進行了概念論證。1996年,成立了軍用空間飛機辦公室,實施了一項小型空間飛機計劃。空軍也正在試驗由波音公司制造的90%縮比的空間機動飛行器,即X-40A。這個飛行器可用X-33、“冒險星”或傳統運載火箭發射,并能在空間運行一年。若美空軍決定進入下一階段研制,就要建造一架全尺寸、可飛行的小空間飛機。這架小空間飛機先由B-52或其他載機進行投放試驗以便獲取更多的著陸數據,然后將它帶入太空(或許是裝在航天飛機的貨艙中),進行自主軌道返回試驗。最后將建造一架由火箭推動的、大小同F-15戰斗機相近的驗證型助推飛行器,用以把小空間飛機送入軌道。這種助推飛行器應能把有效載荷加速到M12～18,并驗證其飛機式的運行方式。最終將有可能把小空間飛機與全尺寸助推飛行器裝到一起做一次完整的飛行,以驗證該系統的軍事用途。小空間飛機采用多級配置,它可以放出多達3架更小的空間飛機,靈活性可大大提高。美國空軍既準備用上述系統執行偵察和衛星發射等任務,還希望能把上述飛行器發展成為執行各種戰術任務的“太空戰斗機”。它們可使衛星暫時“致盲”,切斷敵方的太空信息來源;可向軌道或地面目標發射動能武器或其他武器;還可用于保護友方的空間資源。

在美國航天司令部提出空間作戰飛行器概念后,主要由新成立的美國空軍研究實驗室負責概念的研究工作。從美國空軍研究實驗室的設想來看,空間作戰飛行器的長期目標是單級入軌的飛行器,但其近期目標卻是兩級入軌的空間飛機。其發展途徑,美國空軍航天司令部認為,如果X-33和“冒險星”概念證明是成功的話,它們將是空間作戰飛行器的基礎。空軍對較小的X-33更感興趣,因為它立即可用,并更適宜于快速反應的軍事任務。另外,兩級的X-34對發展空間作戰飛行器也有重要價值。

與空間作戰飛行器有關的研究計劃

空間作戰飛行器的研制需要解決許關鍵技術,以下介紹的這些研究計劃都是通過研究實驗機來演示驗證某些關鍵技術,這將為空間作戰飛行器的研制鳴鑼開道。

1.X-33與“冒險星”美國根據總統克林頓于1994年8月5日簽署的新的航天運載政策,開始執行重復使用運載器計劃。1996年7月2日,美國副總統戈爾宣布將采用洛克希德·馬丁公司的單級入軌火箭方案,即“冒險星”升力體方案。該方案采用液氫/液氧塞式噴管火箭發動機,起飛重量為1179噸,長38.7米,翼展37.5米,干重不到起飛重量的10%。火箭的平面投影為三角形,鈍前體,平滑下表面,大曲率半徑側面輪廓。“冒險星”方案的低軌道運載能力為25.2噸,運往空間站的能力為11.25噸,低軌道的運輸費用計劃能降低到每公斤600～800美元,僅為目前航天運載器運輸費用的1/10或更少。這個方案投資9.4億美元,擬用3年半時間研制出縮比約1/2、重量約1/8、可重復使用的驗證飛行器X-33。其起飛重量為128.3噸,干重為33.8噸。

X-33在1997年10月31日通過了關鍵的設計評審。這次通過評審的X-33設計,包括經過改動的操縱舵和四瓣式液氫貯箱的安裝辦法。原來的操縱舵在跨音速條件下俯仰控制效能不足,跨聲速和亞聲速區逆向偏航角過大。修改后的設計把斜置舵的上反角從37度減為20度,以提高俯仰效能,減小逆向偏航角,同時還加大了垂尾尺寸,以增強氣動控制。由于XRS2000塞式噴管火箭發動機交貨日期推遲了7個月和研究全復合材料液氧貯箱不泄漏等,進度有所推遲,經費增加了3%。預計要到2000年7月,X-33才會進行首次飛行試驗。盡管X-33已經采用了一些最新的技術,但“冒險星”在性能上還需比X-33有明顯的提高。據預計,X-33的速度增量約為5.5公里/秒,而“冒險星”要達到7.91公里/秒,才能實現入軌的目的。X-33的干重為起飛重量的26.3%,而“冒險星”必須降至10%,其中還包括2%的有效載荷重量。目前工程技術人員正在進行多方面的技術改進,以使“冒險星”能成為一種可行的方案。

2.X-34X-34也是美國航空航天局重復使用運載器計劃的項目之一。它由三部分組成:一架亞音速載機,一個重復使用的亞軌道運載器和一個不可回收的軌道飛行器。亞軌道運載器總重10噸,裝有推力為90.7噸的液氧/煤油發動機。軌道飛行器由一個推力為6.2噸的液氧/煤油的主推進級(OV-1)和一個推力較小的雙組元推進劑的微調級(OV-2)組成。X-34由軌道科學公司研制。典型的X-34的飛行程序為:在經過改造的L1011載機到達發射點后,“飛馬座”助推器頭部抬高至分離攻角,載機開始緩慢爬升,同時減小推力,使載機和運載器的升阻比相匹配,以便安全地實現無動力分離。在確認完成分離后,運載器發動機點火,使運載器加速到2743米/秒的速度,并達到114.3公里的高度。當運載器發動機熄火后,打開運載器的艙門,將軌道器投放出去。在經過簡單的分離機動后,OV-1發動機點火,并加速至軌道速度。然后,OV-2發動機點火,使軌道呈圓形,或進行軌道轉移,達到一個較高的軌道。與此同時,運載器關閉艙門,進入準備再入的姿態。最后,它沿著一條與航天飛機相似的減速滑翔軌跡飛行,并利用全球定位系統進行自動著落。1999年6月29日,在美國加州的愛德華空軍基地進行了X-34的首次試飛。其目的之一是了解X-34與載機在飛行中的相互影響。

3.美國空軍的小型空間飛機計劃(X-40A)美國空軍在1996年曾召集17個合同商,對空間飛機概念進行了評論,并委托波音北美公司制造縮比90%、無動力的“微型空間飛機”驗證機X-40A,它總長6.7米。按目前的設想,上述軍用空間飛機是一個兩級系統。這種軍用空間飛機是重復使用的上面級,由一架較大的飛機攜帶并加速到高超聲速。它的載機也可是以火箭為動力的X-33。按設想,小型空間飛機部分要相對小一些,長約7.6米,寬約3.4米,為石墨環氧與鋁蜂窩結構,其有效載荷為054～0.91噸。它采用可儲推進劑,可在太空中停留一年左右,并可在空間機動。它還可根據需要部署,并能隨時應召返回地面并在跑道上著陸。1998年夏,在霍洛曼空軍基地進行了飛行試驗,X-40A驗證機在離地面30公里的高度由一架UH-60直升機投放。試驗的目的是驗證高速、低升阻比、無動力飛行器進場及著陸的特點、航空電子設備及導航與控制。自主著陸試驗將進行多次。

4.未來X飛行器計劃美國航空航天局在1998年10月開始執行一個在空間運輸方面更先進的未來X計劃。它包括名叫“探路者”的技術發展和演示倡議和名叫“開路者”的綜合試驗飛行器。“探路者”選擇的技術包括復合材料前緣的飛行試驗、氣動輔助變軌的演示、航天飛機實驗和太陽能電推進的飛行演示等。“開路者”計劃的第一個演示飛行器是重新設計的X-34。第二個演示飛行器是類似于美國空軍小型空間飛機的X-37。X-34最大的飛行M數為8,X-33的最大飛行M數為15,而X-37介于兩者之間。“開路者”計劃還包括X-33的改進、演示軍用航天飛機和快速載荷發送技術的飛行試驗。這項計劃由美國航空航天局馬歇爾中心管理。

5.X-37美國航空航天局在1999年和波音公司簽訂了4年的合同,研制和在軌道上試飛X-37重復使用飛行器,以演示驗證降低空間運輸費用的關鍵技術。計劃在2002年后期由美國航天飛機將其送入軌道兩次。第一次在軌幾天,第二次在軌三周。每次飛行都要再入和著陸。因此,X-37將是第一架在軌道飛行和再入環境下試驗的試驗飛行器。X-37的設計強調應可演示驗證許多技術,包括可重復使用的防熱系統、可貯存的無毒推進劑和新的空氣動力特征。美國航空航天局和波音公司分擔經費1.73億美元。空軍參加這個計劃,增加經費0.18億美元。X-33、X-34主要是演示驗證大氣飛行中的技術,而X-37將主要演示驗證在軌技術。通過X-37,美國空軍研究實驗室將為空間機動飛行器演示驗證太陽能電池翼和軌道位置精確保持技術,以及演示驗證降低運輸費用的再入和著陸的自動操作、在大氣中減少機動風驗等關鍵技術。波音公司認為到2010年能代替“德爾它”4型火箭的,可能是兩級入軌的重復使用運載器,而X-37對于單級或兩級入軌的運載器都可提供關鍵技術的演示驗證。X-37比X-40A大出20%,總長8.4米,翼展4.6米,載荷艙的直徑為1.22米、長為2.14米,有效載荷重量為227公斤,由帶舵面的雙垂尾進行飛行控制,用機身襟翼和減速板進行下降和進場著陸的速度控制。它裝有火箭達因公司的AR2-3發動機,其推進劑為過氧化氫和JP-10燃料。選擇過氧化氫是因為其密度高和可貯存。為了減少X-37的風險,要用B-52或直升機進行多次投放試驗,驗證其空氣數據系統、飛行控制軟件和空氣動力特性。

6.高超聲速X飛行器計劃(X-43)美國航空航天局正在執行的高超聲速X飛行器計劃,其目的是擴展將來可以軍用和民用的高超聲速飛行的技術基礎,將推進技術和速度能力向前推動一大步。這項新計劃將把超燃沖壓發動機技術,從地面試驗帶入飛行試驗。

高超音速X飛行器計劃的具體目標是對設計方案進行飛行演示驗證;改進以超燃沖壓發動機為動力的設計方法等。這個計劃將研制一個機體長3.66米、翼展1.5米的無人高超聲速驗證機X-43。驗證機采用升力體構形,發動機采用氫燃料、雙模態工作方式(沖壓/超燃沖壓),飛行速度范圍M4～10,機身和發動機為一體化設計。這個驗證機將由B-52飛機投放的“飛馬座”火箭有翼的第一級來助推。計劃于2000年進行第一次試驗,飛行試驗共進行4次,并制造3架驗證機。

試驗時,這種飛行器將在西部試驗靶場發射,沿太平洋上空飛行,在圣尼古拉斯島一條跑道上用降落橇降落。由于超燃沖壓發動機將占據試驗飛行器的整個腹部,所以降落橇將裝在飛行器的上機體內。接近圣尼古拉斯島時,飛行器將翻轉過來,“底朝天”地用降落橇著陸。進場和著陸都將由飛行器上的航空電子設備自主控制。由B-52飛機攜至高空投放的“飛馬座”火箭的第一級,將在約30公里的高度,把飛行器加速到所需的試驗速度。試驗的目的不是用超燃沖壓發動機加速,而是用它來維持飛行器同“飛馬座”分離時建立起來的試驗速度。每次試驗都要達到最短10秒的超燃沖壓推進工作時間。

結束語

美軍航天司令部提出空間作戰飛行器系統的概念,已將其功能從航天運載器擴展到在軌維修和偵察與武器平臺。因此,對空間作戰飛行器系統的要求也從降低運輸費用擴展到快速反應和多種作戰功能。為了實現這個目標,在相當長的一段時間內,空間作戰飛行器有效載荷的重量不會太大。美國發展空間作戰飛行器,在政治、技術和資金等方面都存在許多不確定因素。當前也只可能進行有限的技術演示驗證工作。美軍將關鍵技術的重點選為在軌技術、再入技術和進場著陸技術,顯然是一個明智之舉。這些技術,美國既有較好的基礎,又對達到總的目標十分重要。■