空间作战飞行器

黄志澄

从世界军事航天的发展趋势来看,军事航天的发展正处于一个转折点,未来的战争必将会从海、陆、空扩展到太空。而太空对战争的作用,将从单纯的支援逐步转向空间对抗。美军通过海湾战争和南联盟战争,认为各类军用卫星系统在未来战争中将起到力量倍增器的作用,另一方面,通过实战也发现现有的军用卫星系统还存在明显的不足:

(1)对于战场的实战需要,缺乏应急发射卫星的能力。

(2)对敏感地区不能提供实时情报。由于运行轨道的限制,这些卫星不能经常在目标区飞行,从而使敌方比较容易躲避。目前每颗卫星的重量均在15吨以上,难于应急发射。组建小卫星星座可实施全球或近似全球覆盖,将使卫星侦察系统具有实时或近实时的成像侦察能力。如果卫星星座受到敌方攻击时有几个卫星损坏,也容易调整和补救。但是,发射小卫星星座对运载器提出了降低运输费用和快速反应的要求。小卫星星座的缺陷是容易受到攻击。

(3)在空间对抗环境下,卫星系统的易损性是显而易见的。卫星的轨道较固定,在轨道上的机动能力十分有限,其外形也难于隐身。由于机动性差,它既不可能装备武器来自卫,也不适宜作为进攻武器的平台。

(4)缺乏在轨操作(如维修和加注燃料等)能力。

可见,现有军用卫星系统尚不能满足未来空间战争的需要。对未来的高技术战争,美国军方认为:不仅要从空间获得支援,而且也会在空间作战,更重要的是保护自己应用空间的自由,而不让敌人具有应用空间的能力。与此相适应,美国航天司令部在1998年4月公布了《长期规划》。在这个长期规划中,首次提出了“空间作战飞行器”和“空间机动飞行器”的概念。

空间作战飞行器与《长期规划》

什么是空间作战飞行器呢?它是一种完全重复使用的单级入轨的航天器,可以飞到中高度地球轨道。它可以带卫星和空间机动飞行器等有效载荷。

空间机动飞行器是较小的飞行器,可以完成对敏感地区进行监视、对在轨卫星进行维修和加注燃料等多种任务。对于空间作战来说,关键是便宜和快速反应。现在美国的侦察卫星十分笨重,必须带有很多冗余系统和大量的推进剂。在它入轨后,用航天飞机来维修和补给既困难又十分昂贵。为了便于制造和发射,未来的卫星将有较少的冗余和推进剂,而在紧急时,用空间机动飞行器可以对卫星进行快速补给和替换;也可以监视敌方的卫星,发现它们带有进攻性武器时,就可以对其攻击。

空间作战飞行器的有效载荷也可以是轨道转移飞行器。它将卫星移转到高轨道或低轨道,或将卫星拖到空间作战飞行器或空间机动飞行器上进行修理和补给。

这种往返式航天系统的任务是进行战术与战略侦察,检查轨道上的航天器,为空间站服务和以最少的费用使卫星进入太空,用高精度武器打击地面设施。虽然核武器在下个世纪还将具有遏制作用,但战略导弹飞过侵略国上空,显示实力后再回来是不可能的,只有往返式航天系统能做到这一点。它还能提供非核的精确打击力量,特别是在本土还击时,它不会造成生态灾难。更难能可贵的,它还是一个军民两用系统,从而可以节省大量费用。

空间作战飞行器除了可降低运输费用外、还有机动发射、快速反应、在轨操作能力和一定的再入返回机动能力,并可能同时作为侦察平台和武器平台。这些功能的实现,使其本身就成为一种威慑力量,这就是为什么《长期规划》对它如此青睐。

美国航天司令部的《长期规划》提出的2020年设想的目标是:确保美国空间军事大国的地位,为保障美国在未来空间的安全方面提供一个坚实的基础。为此,美国航天司令部发展了控制空间、全球交战、全面力量集成和全球伙伴关系等四个作战概念。在这四个作战概念中,控制空间处于首要地位。控制空间就是保证美国及其盟军不间断地进入空间、在空间行动自由的能力,以及在需要时,不让别人应用空间。在控制空间这个作战概念中,确保进入又处于首要地位。确保进入就是保证美国具有不间断进入空间的能力,使美国可以在敌人没有对其形成障碍的情况下,发射和重建卫星星座。具体地说就是:往返于空间的运输、操作在轨资源、在轨资源的回收和服务这3项关键任务。美国航天司令部对确保进入的技术途径进行了规划,其中空间作战飞行器具有突出的地位。

《长期规划》指出:(1)对于和平时期发射卫星星座,近期仍然使用“宇宙神”、“德尔它”、“大力神”等运载火箭。到2002年,传统运载火箭改进型将会降低25～50%的运输费用,此类火箭可在45天之内发射中等重量的有效载荷。到2003年,将出现反应时间在90天之内的重量级传统运载火箭改进型。从2006年开始,大多数军用有效载荷将由商业部门发射。空间作战飞行器将于2012年左右开始飞行,成为维持日常卫星星座的另一条途径。

(2)对于按需部署的卫星,需要新的低廉、快速反应的发射系统,如重复使用的航天运载器、先进的上面级、空间作战飞行器和空间机动飞行器。

(3)对于完成进入空间和从空间进行回收的快速反应任务,到2012年,空间作战飞行器是一个关键的平台。它有极高的速度,并无法预测它的发射时间和方位,能确保指挥官在处理当前和未来的威胁时,具有很大的主动权。

除此以外,这项规划还赋予空间作战飞行器阻止的功能,即阻断、欺骗、削弱或摧毁敌方空间系统。

该规划在论及导弹防御时指出:空间作战飞行器将用于导弹防御、全弹道交战和作战评估。天基高能激光武器、天基动能武器和天基微波武器等天基武器,是未来空中和空间作战主要的杀伤武器。它们对空间防御、弹道导弹的防御、地面部队的防御等都是不可缺少的。空间作战飞行器将成为携带天基武器理想的平台。

空间作战飞行器的发展途径

空间作战飞行器系统综合了美国在跨大气层飞行器、轨道转移飞行器和轨道机动飞行器的研究成果。从60年代起,美国空军就致力于跨大气层飞行器的概念研究。60年代研究了X-20实验研究机,为建成航天飞机作出了贡献;60年代研究了X-30,即国家空天飞机。美国空军大学在1996年8月完成的《空军2025》的研究报告中,对跨大气层飞行器作了总结和评估。这个报告对43个系统的重要性和技术可行性的评估表明:有人单级入轨的和无人空中发射的跨大气层飞行器分别列在第10、11位。这两类跨大气层飞行器有许多共同点,它们都具有一定的运载能力,可以从地面快速起飞,在低地球轨道修理或回收卫星,并可作为监视、侦察平台和天基反卫星平台。但前者强调对高中低各种轨道的天基系统的支援,后者则强调部署低地球轨道的卫星或卫星星座。轨道转移飞行器和轨道机动飞行器的概念是美国在进行“自由”号空间站大系统时提出来的,后来美国的空间站几经波折,变成国际空间站,不仅删去了上述两种飞行器,而且空间站的军事应用也不再提了。但当时进行的这两种飞行器的概念研究,仍可用到空间作战飞行器中来。

早在1995年,美国空军就成立了一个空间飞机小组,对军用空间飞机进行了概念论证。1996年,成立了军用空间飞机办公室,实施了一项小型空间飞机计划。空军也正在试验由波音公司制造的90%缩比的空间机动飞行器,即X-40A。这个飞行器可用X-33、“冒险星”或传统运载火箭发射,并能在空间运行一年。若美空军决定进入下一阶段研制,就要建造一架全尺寸、可飞行的小空间飞机。这架小空间飞机先由B-52或其他载机进行投放试验以便获取更多的着陆数据,然后将它带入太空(或许是装在航天飞机的货舱中),进行自主轨道返回试验。最后将建造一架由火箭推动的、大小同F-15战斗机相近的验证型助推飞行器,用以把小空间飞机送入轨道。这种助推飞行器应能把有效载荷加速到M12～18,并验证其飞机式的运行方式。最终将有可能把小空间飞机与全尺寸助推飞行器装到一起做一次完整的飞行,以验证该系统的军事用途。小空间飞机采用多级配置,它可以放出多达3架更小的空间飞机,灵活性可大大提高。美国空军既准备用上述系统执行侦察和卫星发射等任务,还希望能把上述飞行器发展成为执行各种战术任务的“太空战斗机”。它们可使卫星暂时“致盲”,切断敌方的太空信息来源;可向轨道或地面目标发射动能武器或其他武器;还可用于保护友方的空间资源。

在美国航天司令部提出空间作战飞行器概念后,主要由新成立的美国空军研究实验室负责概念的研究工作。从美国空军研究实验室的设想来看,空间作战飞行器的长期目标是单级入轨的飞行器,但其近期目标却是两级入轨的空间飞机。其发展途径,美国空军航天司令部认为,如果X-33和“冒险星”概念证明是成功的话,它们将是空间作战飞行器的基础。空军对较小的X-33更感兴趣,因为它立即可用,并更适宜于快速反应的军事任务。另外,两级的X-34对发展空间作战飞行器也有重要价值。

与空间作战飞行器有关的研究计划

空间作战飞行器的研制需要解决许关键技术,以下介绍的这些研究计划都是通过研究实验机来演示验证某些关键技术,这将为空间作战飞行器的研制鸣锣开道。

1.X-33与“冒险星”美国根据总统克林顿于1994年8月5日签署的新的航天运载政策,开始执行重复使用运载器计划。1996年7月2日,美国副总统戈尔宣布将采用洛克希德·马丁公司的单级入轨火箭方案,即“冒险星”升力体方案。该方案采用液氢/液氧塞式喷管火箭发动机,起飞重量为1179吨,长38.7米,翼展37.5米,干重不到起飞重量的10%。火箭的平面投影为三角形,钝前体,平滑下表面,大曲率半径侧面轮廓。“冒险星”方案的低轨道运载能力为25.2吨,运往空间站的能力为11.25吨,低轨道的运输费用计划能降低到每公斤600～800美元,仅为目前航天运载器运输费用的1/10或更少。这个方案投资9.4亿美元,拟用3年半时间研制出缩比约1/2、重量约1/8、可重复使用的验证飞行器X-33。其起飞重量为128.3吨,干重为33.8吨。

X-33在1997年10月31日通过了关键的设计评审。这次通过评审的X-33设计,包括经过改动的操纵舵和四瓣式液氢贮箱的安装办法。原来的操纵舵在跨音速条件下俯仰控制效能不足,跨声速和亚声速区逆向偏航角过大。修改后的设计把斜置舵的上反角从37度减为20度,以提高俯仰效能,减小逆向偏航角,同时还加大了垂尾尺寸,以增强气动控制。由于XRS2000塞式喷管火箭发动机交货日期推迟了7个月和研究全复合材料液氧贮箱不泄漏等,进度有所推迟,经费增加了3%。预计要到2000年7月,X-33才会进行首次飞行试验。尽管X-33已经采用了一些最新的技术,但“冒险星”在性能上还需比X-33有明显的提高。据预计,X-33的速度增量约为5.5公里/秒,而“冒险星”要达到7.91公里/秒,才能实现入轨的目的。X-33的干重为起飞重量的26.3%,而“冒险星”必须降至10%,其中还包括2%的有效载荷重量。目前工程技术人员正在进行多方面的技术改进,以使“冒险星”能成为一种可行的方案。

2.X-34X-34也是美国航空航天局重复使用运载器计划的项目之一。它由三部分组成:一架亚音速载机,一个重复使用的亚轨道运载器和一个不可回收的轨道飞行器。亚轨道运载器总重10吨,装有推力为90.7吨的液氧/煤油发动机。轨道飞行器由一个推力为6.2吨的液氧/煤油的主推进级(OV-1)和一个推力较小的双组元推进剂的微调级(OV-2)组成。X-34由轨道科学公司研制。典型的X-34的飞行程序为:在经过改造的L1011载机到达发射点后,“飞马座”助推器头部抬高至分离攻角,载机开始缓慢爬升,同时减小推力,使载机和运载器的升阻比相匹配,以便安全地实现无动力分离。在确认完成分离后,运载器发动机点火,使运载器加速到2743米/秒的速度,并达到114.3公里的高度。当运载器发动机熄火后,打开运载器的舱门,将轨道器投放出去。在经过简单的分离机动后,OV-1发动机点火,并加速至轨道速度。然后,OV-2发动机点火,使轨道呈圆形,或进行轨道转移,达到一个较高的轨道。与此同时,运载器关闭舱门,进入准备再入的姿态。最后,它沿着一条与航天飞机相似的减速滑翔轨迹飞行,并利用全球定位系统进行自动着落。1999年6月29日,在美国加州的爱德华空军基地进行了X-34的首次试飞。其目的之一是了解X-34与载机在飞行中的相互影响。

3.美国空军的小型空间飞机计划(X-40A)美国空军在1996年曾召集17个合同商,对空间飞机概念进行了评论,并委托波音北美公司制造缩比90%、无动力的“微型空间飞机”验证机X-40A,它总长6.7米。按目前的设想,上述军用空间飞机是一个两级系统。这种军用空间飞机是重复使用的上面级,由一架较大的飞机携带并加速到高超声速。它的载机也可是以火箭为动力的X-33。按设想,小型空间飞机部分要相对小一些,长约7.6米,宽约3.4米,为石墨环氧与铝蜂窝结构,其有效载荷为054～0.91吨。它采用可储推进剂,可在太空中停留一年左右,并可在空间机动。它还可根据需要部署,并能随时应召返回地面并在跑道上着陆。1998年夏,在霍洛曼空军基地进行了飞行试验,X-40A验证机在离地面30公里的高度由一架UH-60直升机投放。试验的目的是验证高速、低升阻比、无动力飞行器进场及着陆的特点、航空电子设备及导航与控制。自主着陆试验将进行多次。

4.未来X飞行器计划美国航空航天局在1998年10月开始执行一个在空间运输方面更先进的未来X计划。它包括名叫“探路者”的技术发展和演示倡议和名叫“开路者”的综合试验飞行器。“探路者”选择的技术包括复合材料前缘的飞行试验、气动辅助变轨的演示、航天飞机实验和太阳能电推进的飞行演示等。“开路者”计划的第一个演示飞行器是重新设计的X-34。第二个演示飞行器是类似于美国空军小型空间飞机的X-37。X-34最大的飞行M数为8,X-33的最大飞行M数为15,而X-37介于两者之间。“开路者”计划还包括X-33的改进、演示军用航天飞机和快速载荷发送技术的飞行试验。这项计划由美国航空航天局马歇尔中心管理。

5.X-37美国航空航天局在1999年和波音公司签订了4年的合同,研制和在轨道上试飞X-37重复使用飞行器,以演示验证降低空间运输费用的关键技术。计划在2002年后期由美国航天飞机将其送入轨道两次。第一次在轨几天,第二次在轨三周。每次飞行都要再入和着陆。因此,X-37将是第一架在轨道飞行和再入环境下试验的试验飞行器。X-37的设计强调应可演示验证许多技术,包括可重复使用的防热系统、可贮存的无毒推进剂和新的空气动力特征。美国航空航天局和波音公司分担经费1.73亿美元。空军参加这个计划,增加经费0.18亿美元。X-33、X-34主要是演示验证大气飞行中的技术,而X-37将主要演示验证在轨技术。通过X-37,美国空军研究实验室将为空间机动飞行器演示验证太阳能电池翼和轨道位置精确保持技术,以及演示验证降低运输费用的再入和着陆的自动操作、在大气中减少机动风验等关键技术。波音公司认为到2010年能代替“德尔它”4型火箭的,可能是两级入轨的重复使用运载器,而X-37对于单级或两级入轨的运载器都可提供关键技术的演示验证。X-37比X-40A大出20%,总长8.4米,翼展4.6米,载荷舱的直径为1.22米、长为2.14米,有效载荷重量为227公斤,由带舵面的双垂尾进行飞行控制,用机身襟翼和减速板进行下降和进场着陆的速度控制。它装有火箭达因公司的AR2-3发动机,其推进剂为过氧化氢和JP-10燃料。选择过氧化氢是因为其密度高和可贮存。为了减少X-37的风险,要用B-52或直升机进行多次投放试验,验证其空气数据系统、飞行控制软件和空气动力特性。

6.高超声速X飞行器计划(X-43)美国航空航天局正在执行的高超声速X飞行器计划,其目的是扩展将来可以军用和民用的高超声速飞行的技术基础,将推进技术和速度能力向前推动一大步。这项新计划将把超燃冲压发动机技术,从地面试验带入飞行试验。

高超音速X飞行器计划的具体目标是对设计方案进行飞行演示验证;改进以超燃冲压发动机为动力的设计方法等。这个计划将研制一个机体长3.66米、翼展1.5米的无人高超声速验证机X-43。验证机采用升力体构形,发动机采用氢燃料、双模态工作方式(冲压/超燃冲压),飞行速度范围M4～10,机身和发动机为一体化设计。这个验证机将由B-52飞机投放的“飞马座”火箭有翼的第一级来助推。计划于2000年进行第一次试验,飞行试验共进行4次,并制造3架验证机。

试验时,这种飞行器将在西部试验靶场发射,沿太平洋上空飞行,在圣尼古拉斯岛一条跑道上用降落橇降落。由于超燃冲压发动机将占据试验飞行器的整个腹部,所以降落橇将装在飞行器的上机体内。接近圣尼古拉斯岛时,飞行器将翻转过来,“底朝天”地用降落橇着陆。进场和着陆都将由飞行器上的航空电子设备自主控制。由B-52飞机携至高空投放的“飞马座”火箭的第一级,将在约30公里的高度,把飞行器加速到所需的试验速度。试验的目的不是用超燃冲压发动机加速,而是用它来维持飞行器同“飞马座”分离时建立起来的试验速度。每次试验都要达到最短10秒的超燃冲压推进工作时间。

结束语

美军航天司令部提出空间作战飞行器系统的概念,已将其功能从航天运载器扩展到在轨维修和侦察与武器平台。因此,对空间作战飞行器系统的要求也从降低运输费用扩展到快速反应和多种作战功能。为了实现这个目标,在相当长的一段时间内,空间作战飞行器有效载荷的重量不会太大。美国发展空间作战飞行器,在政治、技术和资金等方面都存在许多不确定因素。当前也只可能进行有限的技术演示验证工作。美军将关键技术的重点选为在轨技术、再入技术和进场着陆技术,显然是一个明智之举。这些技术,美国既有较好的基础,又对达到总的目标十分重要。■