國外空間攻防武器動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概述

任建軍

（上海空間推進(jìn)研究所，上海201112）

0 引言

空間攻防是指針對空間目標(biāo)，或者從空間對地面、海上目標(biāo)采取的軍事對抗行動(dòng)，包含“反導(dǎo)”（含反彈道導(dǎo)彈和機(jī)動(dòng)導(dǎo)彈）、“反衛(wèi)”、“天對地打擊”等形式，是當(dāng)今世界空間技術(shù)與軍事領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)問題。

空間攻防的典型手段是采用動(dòng)能攔截器（KKV）在軌道快速飛行的過程中自主導(dǎo)航、精確探測與制導(dǎo)控制，實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)的直接碰撞或精確相對運(yùn)動(dòng)，確保有效動(dòng)能碰撞、可控或軟殺傷目標(biāo)。作戰(zhàn)對象涵蓋彈道導(dǎo)彈、臨近空間高速飛行器、衛(wèi)星（天基平臺）、地面及海上高價(jià)值軍事目標(biāo)等。

姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)是此類飛行器的重要組成部分之一，直接決定飛行器軌道修正和姿態(tài)穩(wěn)定的精確性。本文主要闡述空間攻防武器動(dòng)力系統(tǒng)的國外發(fā)展情況、主要關(guān)鍵技術(shù)和未來發(fā)展趨勢。

1 國外發(fā)展情況

美國在空間攻防武器技術(shù)研究方面走在國際前列，以下對以美國為主的國外空間攻防武器動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展情況進(jìn)行簡述。

1.1 美國末段導(dǎo)彈防御系統(tǒng)用姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)

美國戰(zhàn)區(qū)高空區(qū)域防御（THAAD）導(dǎo)彈系統(tǒng)作戰(zhàn)空域覆蓋大氣層內(nèi)外，重點(diǎn)對射程在1 000 km至3 500 km范圍內(nèi)的彈道導(dǎo)彈實(shí)施攔截，現(xiàn)已正式裝備。導(dǎo)彈使用了三軸穩(wěn)定控制用快響應(yīng)液體雙組元姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)（圖1），其中4臺大推力軌控發(fā)動(dòng)機(jī)呈“十”字型集成結(jié)構(gòu)，用于軌道直接側(cè)向力控制；6臺小推力姿控發(fā)動(dòng)機(jī)呈雙“T”字集成結(jié)構(gòu)，用于滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航姿態(tài)控制；雙組元推進(jìn)劑貯箱采用金屬隔膜貯箱，可以有效控制飛行過程中推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)質(zhì)心從而提高姿/軌控精度，并保證推進(jìn)劑長期貯存；高壓氣瓶采用碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶；總裝結(jié)構(gòu)件選用輕質(zhì)復(fù)合材料。另外，正在開展凝膠化和可低溫貯存推進(jìn)劑技術(shù)研究，以進(jìn)一步提高對環(huán)境溫度的適應(yīng)性和長期貯存性。

圖1 THAAD導(dǎo)彈液體雙組元姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.1 Picture of THAAD liquid bipropellant propulsion system for orbit and attitude control

“愛國者-3” (PAC-3)導(dǎo)彈系統(tǒng)重點(diǎn)防御1 000 km以下射程的導(dǎo)彈，導(dǎo)彈采用固體姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng) (圖2)，外徑255 mm，總質(zhì)量約21.6 kg，由垂直于導(dǎo)彈軸線周面布置的180個(gè)固體姿控發(fā)動(dòng)機(jī)組成，用于彈體旋轉(zhuǎn)飛行過程中的單軸穩(wěn)定控制。每臺發(fā)動(dòng)機(jī)僅重65 g，集成了燃藥、點(diǎn)火器、燃燒室及噴管，一次性輸出沖量51 N·s，工作時(shí)間23 ms。

圖2 PAC-3導(dǎo)彈固體姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.2 Picture of PAC-3 solid propellant propulsion system for orbit and attitude control

1.2 美國中段導(dǎo)彈防御用姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)

“地基中段防御”（GMD）系統(tǒng)現(xiàn)階段采用的動(dòng)能攔截器EKV約重70 kg，動(dòng)力系統(tǒng)為擠壓式液體雙組元系統(tǒng)（圖3）。后續(xù)改進(jìn)向“多、小型攔截器（MKV）”發(fā)展，重量約4～5 kg，其動(dòng)力系統(tǒng)有雙組元液體、單組元HAN液體和固體等多個(gè)方案，目前已完成雙組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)懸浮試驗(yàn)（圖 4）。

圖3 GMD導(dǎo)彈攔截器及其EKV動(dòng)力系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.3 Picture of GMD and its EKV liquid bipropellant propulsion system

圖4 GMD導(dǎo)彈MKV動(dòng)力系統(tǒng)懸浮試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 Suspension experiment picture of GMD and its MKV propulsion system

“海基中段防御”（SMD） 系統(tǒng)以海軍SMD宙斯盾軍艦的大氣層外攔截導(dǎo)彈標(biāo)準(zhǔn)-Ⅲ型（SM-3）導(dǎo)彈為代表，其固體LEAP戰(zhàn)斗部采用了固體姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)（圖5），采用了多塊裝藥式的燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)，最大工作時(shí)間20 s。

圖5 SM-3導(dǎo)彈及其固體姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.5 Picture of SM-3 and its orbit and attitude control propulsion system using solid propellant

1.3 美國助推段導(dǎo)彈防御用姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)

NCADE空射攔截彈是近來美國助推段反導(dǎo)的一個(gè)新成員（圖6），可從多類作戰(zhàn)飛機(jī)上發(fā)射，快速攔截?cái)撤綄?dǎo)彈。使用了硝酸羥銨（HAN）基單組元液體推進(jìn)劑，統(tǒng)一提供軸向推進(jìn)和姿/軌控動(dòng)力。

圖6 NCADE空射攔截導(dǎo)彈及其液體單組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic of NCADE and its liquid monopropellant propulsion system

1.4 美國空間作戰(zhàn)用姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)

美國以反導(dǎo)彈技術(shù)帶動(dòng)其反衛(wèi)星技術(shù)，研制的反衛(wèi)星武器及其動(dòng)力系統(tǒng)主要包括以下幾種。

1)KE-ASAT反衛(wèi)攔截器。其動(dòng)力系統(tǒng)（圖7） 姿控發(fā)動(dòng)機(jī)包括4臺30 N雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)和4臺5 N冷氣發(fā)動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)兩檔姿態(tài)控制力。

2)NFIRE（近場紅外試驗(yàn)）預(yù)警衛(wèi)星上加裝的EKV及其雙組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)（圖8）。

3)XSS系列執(zhí)行監(jiān)視、干擾和攻擊等任務(wù)的試驗(yàn)小衛(wèi)星及其雙組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)（圖9）。

4)外大氣層攔截器（ERIS)。其動(dòng)力系統(tǒng)的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)采用氦氣冷氣發(fā)動(dòng)機(jī)，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用MON-3/MMH雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)，貯箱采用隔膜式貯箱。

5)“軌道快車”飛行器（圖10），用于驗(yàn)證在軌交會、位置保持、伴飛、對接、燃料再加注和組件替換等技術(shù)，同樣可以實(shí)現(xiàn)對敵方衛(wèi)星的抓捕、干擾和撞擊等毀傷效果。

圖7 KE-ASAT反衛(wèi)攔截器及其動(dòng)力系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.7 Picture of KE-ASAT and its propulsion system for attitude control

圖8 NFIRE衛(wèi)星攔截器及其液體雙組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic of NFIRE and its liquid bipropellant propulsion system

圖9 XSS衛(wèi)星及其液體雙組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic of XSS liquid bipropellant propulsion system

圖10 軌道快車飛行器及其動(dòng)力技術(shù)示意圖Fig.10 Schematic of orbit express and its propulsion system

1.5 歐洲姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)

法國和意大利研究的AETER-30（紫苑30）導(dǎo)彈（圖11）是PAMMS海基空防系統(tǒng)和SAMP/T陸基空防系統(tǒng)的通用導(dǎo)彈，采用固體姿/軌控發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，利用高性能燃?xì)忾y門控制推力輸出，工作時(shí)間約為1 s。另外，也在開發(fā)采用單組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)的攔截器（圖12），突出了簡單、小型化及模塊化的設(shè)計(jì)思想。

1.6 俄羅斯反衛(wèi)武器系統(tǒng)

俄羅斯在冷戰(zhàn)時(shí)期也發(fā)展了反衛(wèi)武器，并進(jìn)行了低軌目標(biāo)的攔截試驗(yàn)，其整體水平與美國基本相當(dāng)。目前俄正在研究與其他國家所發(fā)展的反衛(wèi)星技術(shù)相稱的武器，據(jù)稱已經(jīng)有了這種武器的一些“基本的、關(guān)鍵的”部件。

圖11 紫苑30導(dǎo)彈Fig.11 Picture of AETER-30

圖12 歐洲動(dòng)能攔截器及其動(dòng)力系統(tǒng)模型Fig.12 Model of European kinetic energy interceptor and its liquid monopropellant propulsion system

2 主要關(guān)鍵技術(shù)

空間攻防武器動(dòng)力系統(tǒng)具有輕小型化、快響應(yīng)、多次脈沖工作、高比沖和精確沖量控制等特點(diǎn)，研制需攻克的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面。

2.1 小型化模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

小型化模塊化設(shè)計(jì)可大幅度地降低動(dòng)力系統(tǒng)的費(fèi)用、減小尺寸和重量，滿足導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)尺寸限制和減重的要求。

2.2 高室壓、快響應(yīng)及高比沖姿/軌控發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

提高液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)室壓可以有效減小發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和重量，減小發(fā)動(dòng)機(jī)推力輸出延遲可以有效提高導(dǎo)彈制導(dǎo)精度，而提高發(fā)動(dòng)機(jī)比沖則可以減少動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)劑攜帶量，因此突破高室壓、快響應(yīng)且高比沖的姿/軌控發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)研制的前提條件。

2.3 輕質(zhì)、快響應(yīng)閥技術(shù)

通過優(yōu)化閥設(shè)計(jì)，減小閥結(jié)構(gòu)尺寸和重量，提高閥響應(yīng)速度，才能滿足姿/軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的快響應(yīng)和精確沖量控制。

2.4 金屬隔膜推進(jìn)劑貯箱技術(shù)

金屬隔膜貯箱能承受住推進(jìn)劑的腐蝕，可保證推進(jìn)劑加注后預(yù)包裝并長期貯存，這對于實(shí)戰(zhàn)武器極為必要。同時(shí)，金屬隔膜能夠在導(dǎo)彈高加速、大機(jī)動(dòng)過程中穩(wěn)定地供應(yīng)推進(jìn)劑，并能有效控制推進(jìn)劑的動(dòng)態(tài)質(zhì)心，利于提高姿/軌控精度。

2.5 動(dòng)力系統(tǒng)增壓技術(shù)

動(dòng)力系統(tǒng)增壓模式有常規(guī)的冷氣擠壓，也有新型的固體燃?xì)庠鰤骸⒁后w燃?xì)庠鰤汉捅脡旱榷喾N模式。

3 未來發(fā)展趨勢

隨著空間攻防飛行器技術(shù)及其應(yīng)用范圍的不斷發(fā)展，要逐步實(shí)現(xiàn)零距尋的、大機(jī)動(dòng)、長期在軌、智能可控且長期貯存等更為先進(jìn)的目標(biāo)，對動(dòng)力系統(tǒng)提出了更高的要求。動(dòng)力系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)冷氣恒壓擠壓式液體NTO/肼類雙組元姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)仍將占主導(dǎo)地位。該系統(tǒng)比沖高，響應(yīng)快，推質(zhì)比高，系統(tǒng)簡單且易于貯存，目前在反導(dǎo)、反衛(wèi)等直接碰撞攔截武器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，將在未來的10～15年內(nèi)仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

2)空間攻防武器的直接側(cè)向力控制需求將繼續(xù)牽引液體雙組元?jiǎng)恿ο到y(tǒng)朝輕質(zhì)化、高性能、快響應(yīng)方向發(fā)展。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，固體姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)得到優(yōu)先應(yīng)用。

3)液體推進(jìn)劑逐步實(shí)現(xiàn)預(yù)包裝長期貯存。采用與推進(jìn)劑長期相容的全金屬隔膜貯箱可以滿足液體推進(jìn)劑加注后的預(yù)包裝長期貯存，實(shí)現(xiàn)空間攻防武器長期貯存和即時(shí)發(fā)射的最終目標(biāo)。

4)低冰點(diǎn)推進(jìn)劑技術(shù)急需突破。攻防武器全地域、全季候的作戰(zhàn)需要，對推進(jìn)劑提出了低冰點(diǎn)的要求。目前國內(nèi)外正在開展雙組元和單組元低溫推進(jìn)劑的研究。

5)凝膠推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)展方向之一。目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了多年的凝膠推進(jìn)劑及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)攻關(guān)，取得了顯著進(jìn)展，但是這項(xiàng)技術(shù)距離工程應(yīng)用尚有一定距離，還需進(jìn)一步解決諸如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)響應(yīng)問題和推進(jìn)劑長期貯存穩(wěn)定性問題。

6)無毒化是動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。目前國內(nèi)外相繼開展了采用綠色無毒的單組元催化分解和雙組元推進(jìn)劑組合的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究，并取得了重大突破，但距離工程應(yīng)用還存在諸如安全性、單組元催化劑及推進(jìn)劑配方等諸多技術(shù)難題，作為裝備使用還需解決地面貯存問題，后續(xù)將繼續(xù)開展相關(guān)的研究工作。

4 結(jié)束語

姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)是空間攻防武器最重要的分系統(tǒng)之一，對提高飛行器的打擊精度具有不可替代的作用。國外在發(fā)展空間攻防武器的同時(shí)，在液體雙組元姿/軌控動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展，突破了小型化、姿/軌控發(fā)動(dòng)機(jī)、閥門、貯箱及系統(tǒng)增壓等關(guān)鍵技術(shù)，并繼續(xù)朝輕小型化、快響應(yīng)、高性能、預(yù)包裝、低冰點(diǎn)、凝膠推進(jìn)劑及無毒化等方向發(fā)展。

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