組合動力天地往返運輸系統(tǒng)發(fā)展展望

◎西北工業(yè)大學(xué) 何國強

一、概述

我們仰望星空，會想知道太空到底是怎樣的。從空域圖可以看出，12公里以下有對流層，30公里以下有平流層，上面是空間層，然后是亞軌道，再向上就是一些衛(wèi)星及空間站等。人類科技發(fā)展的過程其實是人民對生活空間不斷拓展的過程。人們從陸地到海洋，然后走向月球，又到火星，是人類科技重大的里程碑。

目前，我們?nèi)绾未┰竭@樣的空間層？這里給大家介紹一種新型的飛行器——天地往返運輸系統(tǒng)。它是可重復(fù)使用飛行器，通過一次發(fā)射就可以把載荷送到相應(yīng)的軌道上去，主要用于航天運輸、空間服務(wù)以及載荷下行。傳統(tǒng)觀念上，人們用火箭垂直起飛，把載荷打上去，但是這些航天運載系統(tǒng)是一起使用的，成本相當(dāng)高，很難實現(xiàn)航班化的概念。而天地往返運輸系統(tǒng)是人類進出空間、探索宇宙的“天梯”，是世界航天大國標(biāo)志性重大裝備和基礎(chǔ)能力。重復(fù)使用技術(shù)是天地往返運輸系統(tǒng)大幅降低成本、顯著提升應(yīng)用靈活性、實現(xiàn)快速響應(yīng)發(fā)射的重要途徑，成為天地往返運輸系統(tǒng)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的主導(dǎo)方向之一。現(xiàn)在，可重復(fù)使用飛行器有多種分類方式，最常用的是按照入軌級數(shù)分為單級入軌飛行器和多級入軌飛行器系統(tǒng)，其動力型式主要有火箭動力和組合動力兩類。

按高度劃分的空域及相應(yīng)的飛行器示意圖

西北工業(yè)大學(xué)何國強

美國可重復(fù)使用飛行器研究發(fā)展圖

組合動力天地往返運輸系統(tǒng)采用吸氣式組合動力、升力式構(gòu)型，能夠在稠密大氣層、臨近空間、軌道空間自由往返飛行，是降低航天運輸成本、提高安全可靠性、快速進出空間的理想工具，是未來主流的發(fā)展方向，是世界航天大國的標(biāo)志性裝備和基礎(chǔ)能力。

二、國內(nèi)外發(fā)展情況

在可重復(fù)使用飛行器發(fā)展方面，美國作為世界新軍事革命的“引領(lǐng)者”，高度重視、持續(xù)投入，謀求全方位絕對優(yōu)勢和技術(shù)全面領(lǐng)先，其發(fā)展過程呈現(xiàn)出“國家安全戰(zhàn)略主導(dǎo)、航天發(fā)展戰(zhàn)略牽引、發(fā)展主體多元、發(fā)展重點聚焦”等特征。從50年代開始到現(xiàn)在，雖然經(jīng)歷了幾起幾落，但現(xiàn)在還是如火如荼的一種發(fā)展?fàn)顟B(tài)。20世紀80-90年代，美國人雄心壯志，開始了以單級入軌為目標(biāo)的NASP計劃，掀起了可重復(fù)使用飛行器研究熱潮，為重新進行天地往返打下了很好的基礎(chǔ)。2002年美國又制訂了軍民兩用的國家航天倡議（NAI），主要發(fā)展高超音速、先進進出空間技術(shù)。應(yīng)該說NAI計劃把我們天地往返空間作了規(guī)劃，呈現(xiàn)出由簡單任務(wù)到多任務(wù)、由小到大，逐漸實現(xiàn)天地往返目標(biāo)，同時也實現(xiàn)高超速飛行。

在飛行器組合過程中，組合動力技術(shù)成為關(guān)鍵。目前組合動力技術(shù)最關(guān)心的不是一級，而是兩級入軌的一種方案。除了美國以外，日本、歐洲等其它國家也紛紛對組合動力技術(shù)進行了研究。日本JAXA從20世紀90年代起，開展了以重復(fù)使用飛行器為目標(biāo)的火箭基組合推進系統(tǒng)研究。法國于1992年開展PREPHA計劃，2003年開展LEA計劃。歐洲航天局于2005年制定了先進推進概念和技術(shù)研究計劃（LAPCAT），主要開展超聲速推進的關(guān)鍵技術(shù)和飛行器概念設(shè)計。

組合動力是傳統(tǒng)動力裝置的有機組合。傳統(tǒng)的比較典型的動力裝置包括渦輪動力、火箭動力和沖壓動力三種。其中，采用渦輪動力的裝置，如航空發(fā)動機；采用火箭動力的，如傳統(tǒng)的火箭；采用沖壓動力的，如一體火箭、固體火箭，平時在大氣層里面巡航的。

兩組合動力裝置主要有火箭沖壓組合動力、渦輪沖壓組合動力和預(yù)冷組合動力。首先，介紹一下火箭沖壓組合動力。它既可以爬升又可以巡航，有很好的推動力，性能很好。大家都知道，航空發(fā)動機現(xiàn)在的推重比基本上是10以下，10的也在做。而火箭沖壓組合動力的可以達到20，所以它的性能非常優(yōu)秀，并且可以重復(fù)使用，將是未來單機入軌運載器和臨近空間高速飛行平臺的主要動力。第二種是渦輪沖壓組合動力。它是一個非常好的飛機動力裝置，可以采用兩級入軌的第一級，美國人也在做這種裝置。渦輪沖壓組合動力還可以采用常溫推動劑、便于攜帶，比沖高，非常適合巡航。但是它存在“推力鴻溝”，在高聲速下推力不足，無法入軌。我國西工大、北航等相關(guān)單位都在積極地進行研究。第三種是預(yù)冷組合發(fā)動機。它采用新型的熱力循環(huán)、深度空氣預(yù)冷技術(shù)和流體動力巧妙設(shè)計，把推重比做得非常高。由于它利用深度預(yù)冷的火箭技術(shù)，推重比很高，所以可以作為單級入軌重復(fù)使用運載器的動力，也可以作為臨近空間平臺的動力裝置。

三組合動力裝置則是火箭沖壓和渦輪的組合。這種動力裝置把原先兩兩組合過程中的一些缺點避免掉，可以用于未來的高速飛機和兩級入軌的飛行器動力。目前世界上很多國家都在研究這種類型的發(fā)動機，比如，美國的A5、GTX、ISTAR發(fā)動機，國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)等機構(gòu)也在研究這種動力裝置。

三、發(fā)展意義與發(fā)展建議

組合動力天地往返運輸系統(tǒng)是一種快速、經(jīng)濟、常態(tài)化、進出空間的主要途徑，是支撐空間對抗、能力提升的重要手段，也是我們新式作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵裝備。

研究組合動力天地往返運輸系統(tǒng)具有重要的意義：

（1）組合動力天地往返運輸系統(tǒng)是航天強國的重要標(biāo)志，將顯著推動我國由航天大國向航天強國轉(zhuǎn)變。通過載人航天、探月等多個國家重大工程實施，顯著提升了我國一次性航天運輸能力；當(dāng)前形勢下，加快推進組合循環(huán)動力重復(fù)使用運輸系統(tǒng)研究，將大幅提升我國自由進出空間、利用空間和控制空間能力。

（2）組合動力天地往返運輸系統(tǒng)是科學(xué)技術(shù)新的戰(zhàn)略制高點，將助力我國成為高科技領(lǐng)域的引領(lǐng)者，可以使能量在全空間綜合優(yōu)化，促進航空、航天領(lǐng)域融合發(fā)展；將帶動攻克設(shè)計理念、先進組合動力、寬域氣動設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，促進我國航空、宇航、動力、材料、制造以及空間環(huán)境等科學(xué)技術(shù)群體性創(chuàng)新；對我國高端裝備制造、新型動力、空天運輸系統(tǒng)、空間信息以及太空經(jīng)濟等領(lǐng)域產(chǎn)生輻射帶動作用。

（3）組合動力天地往返運輸系統(tǒng)將促進我國新質(zhì)作戰(zhàn)能力的形成。組合動力天地往返運輸系統(tǒng)可在軌道、亞軌道、臨近空間和稠密大氣層內(nèi)自由穿梭，促進形成從臨近空間到外太空的高技術(shù)武器裝備群；作為全空域的運載和武器平臺，在制地、制天、制空作戰(zhàn)上均有獨特優(yōu)勢，催生新質(zhì)作戰(zhàn)能力，顛覆傳統(tǒng)戰(zhàn)爭規(guī)則，帶來戰(zhàn)爭模式的巨變，形成新的戰(zhàn)略威懾力。

對我國發(fā)展組合動力天地往返運輸系統(tǒng)的建議如下：

首先，制定國家頂層的發(fā)展規(guī)劃，體現(xiàn)“動力先行”特點。國家發(fā)展規(guī)劃是快速推進科學(xué)技術(shù)的倍增器，如美國國家空天倡議（NAI）、歐洲先進推進概念和技術(shù)研究計劃（LAPCAT）、日本2025航天規(guī)劃等；可重復(fù)使用天地往返運輸技術(shù)發(fā)展，組合動力技術(shù)是關(guān)鍵。

其次，組合動力飛行器的發(fā)展路線，建議遵循從小到大、從兩級入軌到單級入軌的發(fā)展步驟，按照關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)集成驗證、工程研制的思路進行發(fā)展。

最后，集智攻關(guān)，共同發(fā)展。依托高校和科研院所，建立國家層面的協(xié)同創(chuàng)新研究團隊，探索國家創(chuàng)新新模式，推進組合動力天地往返運輸技術(shù)發(fā)展；充分發(fā)揮高校基礎(chǔ)研究和科研院所工程研制優(yōu)勢，分步驟推進各項關(guān)鍵技術(shù)研究；依托陜西空天動力技術(shù)優(yōu)勢，建議在陜西組建組合動力國家級平臺推動天地往返運輸技術(shù)發(fā)展。

四、結(jié)束語

探索浩瀚宇宙，建設(shè)航天強國是我們這代人的重要使命。在航天發(fā)展過程中，組合動力天地往返運輸系統(tǒng)是未來航班化進出空間的理想運輸工具和空間高機動平臺。同時，組合動力天地往返運輸系統(tǒng)的深化研究，是牽引我國航天技術(shù)重大發(fā)展、超前布局新型航天運輸能力的關(guān)鍵舉措。我也相信這樣的運輸系統(tǒng)將有廣泛的科學(xué)帶動性，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。