微阻力多功能航天器的可行性研究與設計

朱相宇 趙天

(西北工業大學航空學院,陜西西安 710068)

微阻力多功能航天器的可行性研究與設計

朱相宇 趙天

(西北工業大學航空學院,陜西西安 710068)

“微阻力”無人空天作戰平臺利用強電壓電離空氣之后在上下表面之間產生的壓力差作為動力,一改用燃料推進的傳統,但仍在空氣動力學支持的范疇之內。這樣一來就避免了燃料燃燒釋放的氣體對大氣的污染。控制系統利用“自適表面活動層”技術實現飛行品質的提高,靈敏度的加強。同時飛行器上裝備有攻擊系統,對地球上任何目標進行有效的快速打擊,從而具有了對地、對空、對衛星的全方位打擊能力,武器系統由氧碘化學激光器組成。激光武器具有射程遠、威力強大、無法攔截等優點,十分適合裝備在空天武器上,而空天飛機較大的內容積也正好為裝載激光武器較大的連帶設備提供了條件。而探測系統則利用廣域,及激光全息照相技術進行深空探測及研究。

氧碘化學激光器 電離空氣 自適表面活動層 紅外探測器 激光全息照相

目前，地球資源日益枯竭，大氣污染逐年增大，已嚴重影響了人們的生活。在這種背景下，作為零污染、零碳排放的新動力火箭，摒棄以燃料提供動力的方式，無疑讓人們看到了曙光。同時，省去燃料即減輕了飛行器重量。對于飛行器而言，不論是在航空領域還是航天領域，換用新型動力能源，減輕其重量都是很重要的。因為減輕重量就意味著有更多難以實現的功能的難關有望被攻克，同時飛行器所需燃料也大大的減少，降低技術難度，發動機相關的問題不需要再納入考慮之中，很多由于能量的原因困擾人類阻礙航空航天發展的問題即可隨之迎刃而解。

1 總體設計

我們摒棄了發動機，用“電”作為動力。我們將飛行器上表面的空氣電離，使變為真空，下表面空氣壓強恒定不變，出現壓力差，以此提供升力。這是為了避免在設計背景中所提到的不利因素，利用無污染無碳排放的能源將飛行器推上天。

主體由完全相同的三個圓錐狀構成，中間相連。每個“圓錐”上部附帶18個細管，細管表面絕緣，“細管”頂端導電。電流可以通過“細管”內部傳至頂端。中間橢球部分為武器系統，內置激光武器發射裝置，裝置可360度旋轉。

“微阻力”無人空天作戰平臺的三個完全相同的部分均可提供動力，并通過改變各個部分產生的動力的大小來改變飛行器的運行方向。這個過程可以由精確的飛行器控制系統來完成。

多次出入大氣層，高速帶來的氣動加熱可使機體局部溫度超過2000度，“微阻力”在主要受熱區域都以鎳基高溫合金為主要材料，并配以鈦合金、復合材料構成組合型板結構，夾層中還可利用傳熱率高的材料通過熱管效應將熱量傳給流動的冷卻劑來達到散熱效果。對于其他內部材料，大量采用新型復合材料可減少整機結構重量并增加機體強度。

2 系統設計

該飛行器由動力系統，武器系統，控制系統，探測系統組成。

2.1 動力系統

我們創新的主體主要在于動力系統。改變正常火箭原有的空氣動力布局，但是其原理仍然在空氣動力學范疇之內，利用上下表面的壓力差產生強大動力。

上表面安裝許多垂直于該表面的“細管”，在上表面上均勻分布。細管絕緣，底部連接飛行器上表面。給細管的頂部和飛行器的上表面之間加上強大的電壓，正負極之間的空氣會被電離。正負離子在電壓作用下向兩極靠攏，正離子向下部到表面與負極中和，負離子向上與正極中和，同時向兩級聚攏的離子受到同性之間排斥力的作用，也會被排出到周圍空氣中。這時候在細管的頂部和飛行器的上表面之間會產生瞬時的空氣極其稀薄的情況，而下表面的空氣壓強仍然為大氣壓強，此時在上下表面之前將出現壓力差。

2.2 控制系統

基于“自適表面活動層”的材料技術使得控制面變為飛行器與空氣存在剪應力的面。“自適表面活動層”使機身各關鍵部位都可控，配以高智能的計算系統，各個感觸點把信息傳向控制中樞系統，控制系統經綜合計算后向感觸點返回電信號，使作動器控制周圍活動層做出相應形變以達到對周身氣流的優化，以最小的阻力代價換得飛行器的控制。控制系統可智能地整動力系統工作的信息，配合飛行狀態，通過讓左右兩個動力裝置產生的壓力差不等而產生橫向力矩。這使得“微阻力”無人空天作戰平臺上的機載航空電子系統能夠直接綜合飛機外部傳送過來的戰場信息，從而實現在“無線電”靜默情況下隱蔽地對敵攻擊。

2.3 武器系統

“微阻力”武器系統由氧碘化學激光器組成。激光武器具有射程遠、威力強大、無法攔截等優點，十分適合裝備在空天武器上，而空天飛機較大的內容積也正好為裝載激光武器較大的連帶設備提供了條件。“微阻力”對地球上任何目標進行有效的快速打擊，從而具有了對地、對空、對衛星的全方位打擊能力，無論是戰術任務還是戰略任務都可出色完成。“微阻力”可以在2小時內對全球任一位置的目標進行精確打擊，即能執行常規任務又能執行戰略打擊任務，其高空高速的特性使敵方難以拿出有效的攻擊手段對其進行壓制，從而達到戰略性威懾的目的。同時，作為一個可長時間留空的平臺，經特殊改裝的“微阻力”還可執行24小時預警、電子壓制、戰略偵查等任務，是一款通用性極強的裝備。

3 技術支撐

(1)空天飛機在返回大氣層時，會產生很高的溫度。能達到3000攝氏度。所以，隔熱防護非常重要。我們采用先進的可重復使用的耐高溫復合材料，如：鎳基合金、難熔合金、金屬間化合物、陶瓷纖維增強的金屬基復合材料、陶瓷及碳碳復合材料以及輕質隔熱材料等。

隔熱防護技術的技術難點在于可靠的耐高溫材料、熱能轉化問題。

(2)“自適表面活動層”技術。這種新技術的實現取決種革命性的新型智能材料——活性聚合物，這是一種能夠在外加電場作用下，通過材料內部結構改變而產生伸縮、彎曲、束緊或膨脹等各種形式力學響應的新型智能高分子材料。控制中樞系統正式在感知周圍的氣動參數后對各活動層點發出電信號，使表面形成諸如擾流器的形狀來改善飛行性能，進而讓飛行器在不同狀態分別滿足諸如跨聲速面積定律等結構技術要求，大大提高了飛行品質。

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