2016年国外航天与导弹前沿技术发展综述

2017-06-12张连庆陈建光中国航天系统科学与工程研究院

国际太空 2017年5期

贾平张连庆任晔刘博陈建光孙硕（中国航天系统科学与工程研究院）

Review on Cutting Edge Technology Development of Foreign Space and Missile 2016

贾平张连庆任晔刘博陈建光孙硕（中国航天系统科学与工程研究院）

2016年，国外航天与导弹领域的前沿技术蓬勃发展。在导弹领域，助推滑翔高超声速飞行器和吸气式高超声速导弹成功进行了飞行试验，使高超声速打击武器实用化进程加速。在卫星领域中，新型光学成像系统技术变革了传统成像系统设计方式，在保证高性能的同时，正进一步追求轻质、小型化；光频原子钟首次经受了太空发射环境考验，有望比现役星载微波原子钟获得更高的时频稳定性和精度；全球首个业务型卫星激光通信载荷开始为低轨遥感卫星提供稳定、高速率、大容量数据实时中继服务；先进自主在轨交会对接与指令机动技术在世界上首次进行了飞行试验，航天器平台智能化程度也不断提升。在空间对抗领域中，高轨作业在轨服务空间机器人采取了公私合作方式发展，这有利于技术与经济效益最大化；“空间态势感知体系架构”集成了多家军、民、商用空间态势感知系统，多方共享数据，极大地增强了空间态势感知能力。在运载领域中，二级入轨垂直下降可重复使用运载器实现了一子级海上回收，一级入轨垂直下降可重复使用运载器实现多次回收；“协同吸气式火箭发动机”发布了缩比验证机发展路线图，将使验证成本更低。新研发的多尺度金属超材料突破了在宏观尺度保留纳米级高物理性能的技术难题；太空增材制造技术首次在“国际空间站”上制造了小型实用产品，但适合空间站外太空环境的增材制造用原材料、金属材料制造工艺等技术仍有待突破。

1 导弹

美国“微型碰撞杀伤”（MHTK）导弹在2次试飞中分别验证了微型碰撞杀伤导弹空气动力学性能以及与发射系统的集成度。该导弹实现了直接碰撞杀伤技术和导弹小型化技术等现有技术的颠覆性集成，用于试验的弹体外形经优化后使灵活度提升了30%～40%，将显著提升美军以低成本应对弹药大规模袭击的拦防效能。

俄罗斯Yu－71助推滑翔高超声速飞行器连续2次试验成功，射程约6000km，最大飞行速度马赫数约为20；3M22“锆石”新型吸气式高超声速反舰导弹完成陆上首次发射试验，射程约300～400km，飞行速度马赫数达5～6。以上进展标志着俄罗斯高超声速打击武器技术取得了重大突破，实用化发展进程加速。

2 卫星载荷

美国新型“蜘蛛”（Spider）微缩干涉光学成像系统利用微型透镜阵列和光子集成电路替代了传统结构复杂的光学成像系统，厚度和质量仅为传统系统的1/10，相同光学口径下成像分辨率提高10倍以上。核心的光子集将为小卫星等平台提供轻质、高分辨率的成像设备，拓展上述任务能力。美国“极端光学及成像”项目计划结合光学系统设计、材料与制造，以及多尺度建模与优化等多领域技术研发轻质、小型高性能光学成像系统。方糖大小的小型光学元件可同时在可见光和红外波段实现成像、频谱分析、极化测量等功能。在保持高性能的前提下，使光学系统在尺寸、质量和功率上减少1个数量级。

德国光频原子时钟在火箭发射和再入大气过程中开展了试验，证明了在经历极端加速力学环境、太空温度变化后，在微重力环境运行的可行性。其中的光梳系统结构紧凑，解决了传统光梳系统庞大复杂、难以星载的问题。比微波钟具有更高的频标稳定度与精度，将为卫星定位、导航、通信等提供新一代时频标准。

全球首个业务型卫星激光通信载荷欧洲数据中继系统－A（EDRS－A）成功发射，并开始服务“哨兵”（Sentinel）系列卫星。该系统在低轨卫星与地球静止轨道卫星之间建立星间激光通信链路，最大作用距离为4.5×104km，最大数据传输速率达1800Mbit/s。该系统可使星间数据传输速率提高1倍以上，为低轨遥感卫星提供稳定的大容量数据实时中继服务。星间激光通信技术已进入实用阶段。

3 卫星平台

德国一颗微卫星与另一颗立方体卫星在世界上首次验证了航天器能够不依赖目标航天器发送的GPS数据或者地面控制中心的数据，仅靠星上光学相机和试验程序就能自主识别目标并与其交会的技术，最近交会距离达50m。该技术将节省地面遥控监视成本，提高任务响应速度，可用于空间机器人自主探测并抓捕废旧卫星和空间碎片，甚至执行近距侦察监视任务。

美国和加拿大联合利用一颗立方体卫星—加拿大先进航天试验纳卫星－4（CanX－4），通过无线电自主发送指令给另一颗立方体卫星—加拿大先进航天试验纳卫星－5，使其利用自身的推进系统执行机动指令，提升了轨道高度，全程无地面人员参与。2颗卫星均采用S频段链路用于下行数据传输和星间自主通信，数据传输率范围为32～256kbit/s。该技术有利于提升低成本地球轨道星座组网能力，经济效益显著。

4 空间对抗

美国新提出的大型“机器人组装模块化空间望远镜”（RAMST）主要依靠空间机器人在太空组装新概念大口径空间观测用航天器，通常需采用并联多臂机器人或多个机器人配合完成稳定装配。空间机器人在轨装配技术是推动包括大型空间望远镜在内的大型高性能航天器发展的重要途径，也将成为低成本快速部署航天器的有效手段。

美国“地球同步轨道卫星机器人服务”（RSGS）项目计划在未来5年以公私合作方式开展，拟研发和综合演示高分辨率检视、排除机械故障（展开故障）、辅助变轨、安装附加有效载荷等在轨维护与服务航天器技术，为商业和政府在轨航天器提供相关在轨服务，将为在轨服务操作提供较全面的实践与技术标准。复元－L（Restore－L）项目出台详细研究计划，推进近地轨道空间机器人在轨加注技术发展，有望为美国陆地卫星－7（Landsat－7）提供服务，首次实现近地轨道在轨加注技术的工程应用。空间机器人在轨加注技术将大幅提高卫星轨道机动能力，增强执行任务灵活性，延长在轨工作寿命。

美国“轨道瞭望”（O2）项目完成对7套空间态势感知数据网络的集成，将构建史上最多元、最大规模的空间态势感知架构。将多家军、民、商用新型空间态势感知系统集成后得到“系统的系统”，同时建立共享数据库，开发高效数据处理和分析算法。将大幅提升近实时监视太空环境、增强评估太空避碰风险和决策的能力，使精确性与经济可负担性呈数量级提高。

5 运载火箭

美国猎鹰－9（Falcon－9）火箭首次实现了一子级海上浮动平台垂直回收，后又多次回收成功，从而进一步验证和提升了稳定的海上着陆平台、火箭返回着陆控制等技术；“新谢泼德”（New Shepard）火箭成功进行了3次重复使用飞行试验，乘员舱安全着陆。猎鹰－9比“新谢泼德”回收技术更复杂，前者为两级入轨，后者为单级入轨；前者箭体更细长因而控制难度更大，因飞行高度更高进而返回速度更高。多次回收试验的成功标志着运载火箭子级垂直下降回收技术日趋成熟。

6 动力与能源

英国研制“佩刀”（SABER）发动机的公司发布了1/4缩比验证机发展路线图。该缩比验证机采用单个火箭发动机喷管，更容易采用商用现货部件，使验证成本更低、速度更快。发动机具有吸气推进和火箭推进2种模式，吸气式模式有望将飞行器从静止无缝加速至马赫数为5，火箭模式可实现更高马赫数的飞行以及太空飞行，可显著降低液氧携带量，增强可重复使用运载飞行器水平起降灵活性。

俄罗斯研发的世界首台液氧/煤油旋转爆震火箭发动机全尺寸样机完成了33次点火试验，实现连续爆震，产生稳定推力，发动机工作频率达20kHz，验证了旋转爆震火箭发动机的技术可行性。爆震燃烧温度高、熵增小，可大幅提高发动机热循环效率；结构简单、推重比大，将提升载荷运载能力，降低进入空间成本。

美国“先进全速域发动机”（AFRE）项目将发展能在马赫数为0～5+范围内无缝工作的可重复使用、全尺寸碳氢燃料涡轮基组合循环发动机（TBCC），能实现变循环工作的动力装置，使飞行器在不同的飞行条件（亚声速、超声速、高超声速）下都能获得良好的推进性能，是高超声速飞机的理想动力装置。

美国以液氧/煤油为推进剂的小型液体发动机“卢瑟福”（Rutherford）开展了静态点火试验，标志着该发动机正式通过性能验证，达到飞行需求。发动机由电池组驱动电机带动燃烧剂泵和氧化剂泵，实现了推进剂增压输送。发动机的再生冷却燃烧室、泵、主推进剂阀和喷注器等主要部件全部采用电子束熔融增材制造技术制造，这便于实现低成本、快速和批量制造，满足小型运载火箭高频度、快速发射需要。

德国新型铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池光电转换率达22.6%，刷新世界纪录。薄膜太阳能电池具有质量轻、耗材少、可弯曲、成本低等优点，用于航天器太阳电池阵系统，可大幅降低电源系统质量，提高太阳电池阵有效面积与功率。