空天飞行器及动力技术发展研究

明新迪

摘要：本文首先从高超音速的定义出发，分析气动加热特性和航天飞行的气动特性。接下来从性能、结构、制造、经济、使用和控制等方面比较四种不同飞机气动外形的优缺点。最后从程序、方法、对策等方面对航天器的研制和动力提出了建议。

关键词：空天飞行器;空天动力;超燃冲压发动机

一、空天飞行器气动外形设计研究

航空航天飞机的气动外形主要有四种：旋转体、机翼融合体、升力体和波浪体。主体形状主要用于超音速、中型和高超音速导弹。它的特点是尖锥形头部和细长后退角的主体，锥形尖端形成的冲击波减少了阻力。其优点是施工简单，设计、制造成熟，采用各种技术。美国和俄罗斯都完成了Ma>5高超音速导弹的06.71试飞。然而，这种空气动力学形状在中期性能上较差。高超音速飞行：升升比低，机动性差，整体载荷比低，锥形拉长的弹体难以集成设计飞行。翼身融合的形状是从传统飞机演变而来的，构型、后掠翼和后掠翼部件是一体化设计和布局，没有明确的界限。后掠翼的横截面为圆形或椭圆形。后掠翼位于后掠翼的中心，升力取决于它们之间的压力差。由于复杂的几何形状和激波系统，特别是在中高超声速进入后，发动机入口处的流场是湍流的，喷嘴不能起到辅助增加推力的作用。

二、空天动力发展研究

推进技术是航天器最重要的技术。如果推进技术不够成熟，整个航天计划就无法实现。美国国家航空航天局（NASA）基础航空研究计划高超音速项目2008年年会报告将投资基金按行业分类。航天动力涵盖从Ma=0到25的广泛飞行速度，反映出 航天动力不同速度阶段的技术特点及问题。

然而，火箭发动机的安全性和可靠性远不如吸气式发动机，因为它们的特定冲击载荷比低。吸气式发动机主要是燃气涡轮发动机和冲压喷气发动机，在中音速下推阻比急剧下降，而后者在中音速和高超音速下具有良好的飞行性能，但不能从头开始。因此，发展联合循环发动机是目前航天动力的主要发展趋势。联合动力主要包括火箭冲压发动机联合发动机和涡轮冲压发动机联合发动机。

1.火箭冲压组合发动机

火箭冲压发动机组合发动机具有弹射模式、碰撞模式和纯火箭模式三种工作模式，纯火箭模式用于进入低轨道。主要优点是：

（1）结构简单、紧凑、体积小、重量轻。 整个推进系统在多种模式下仅使用一个流道，降低了结构质量和结构尺寸。

（2）可靠性高，维护简单，但只能部分重复使用。滑翔水平着陆是飞机气动设计与高速飞行气动设计的主要区别，折中设计显着降低了飞行和着陆性能。 降落伞回收容易受到冲击损坏，回收位置难以控制。

（3）高比冲击力和高推重比。

目前，火箭冲压发动机联合发动机是实现载人轨道的跨大气飞行器唯一可用的联合循环动力。火箭超燃冲压发动机正以导弹的形式在美国、俄罗斯、法国等各国投入实际使用。

2.涡轮冲压组合发动机

与火箭冲压发动机组合发动机相比，涡轮冲压发动机组合发动机的主要优点是高效、安全和高可靠性。通过消除单独携带氧化剂的需要，它可以减轻结构的重量，提供更大的安全余量，包括长寿设计和低维护、高耐用性设计和卓越的安全性，并且可重复使用（超过 1，000 次操作） ）; 在许多基础研究和一些实验研究的基础上，包括水平起降、发射、飞行和改进的地面机动性（包括爬升终止和发动机故障的急救）、无发射台、灵活操作和快速返回，我们认为复合发动机目前存在以下技术挑战：①评估和计算短舱位置与背压之间的关系;②优化发动机结构开发、验证和使用的设计工具。

渦轮发动机和冲压发动机垂直平行排列对比前后排列：①发动机的宽长组合小，但高度大。应作为预压缩发动机进气。预压缩效果好，飞机前缘在发动机进气口下唇，口之间的垂直高度应有适当的范围，并利用上下平行布置的组合高度。特定尺寸和空气动力学形状必须与车身高度集成。② 进气口和喷嘴易于设计。

三、空天飞行器和动力发展建议

1.逐步推进，谨慎跨越

从2007年到2012年5月中旬，美国进行了8次高超音速飞行试验，其中3次在Waverider X-51A上，2次在猎鹰HTV-2上，所有试验要么以失败告终，要么没有达到试验的目的。美国在2003年提出立即全球打击计划，从各个方向进行关键的高超音速技术研究，短期目标是研制一种一次性高超音速巡航导弹，从地面出发站开发可重复使用的空地运输系统。尽管在美国研究基础扎实、投资大、实力强，但研发仍不顺利。这主要原因是跨越式发展，尤其是飞行测试，带来了巨大的技术不确定性和风险。按照计划，飞行测试计划在技术上超出了中超音速阶段，小于Ma=4。一个直接从亚音速跃升到 6-8 倍高超音速的解决方案，大大增加了未知数。海军、陆军、波音、通用电气和普惠公司都参与了竞争，并提出了多项举措，同时开展了多项举措，以实现研究人员多元化和增加技术风险。航天和航天技术研究要遵循科学发展理念，按照科学规律进行。从动力技术发展来看，利用火箭撞击联合动力发展航天飞行器还是比较可行的方式。随着涡轮冲压联合循环技术的进步滞后，需要使用成熟的火箭和基于火箭的联合循环技术进行飞行来开展执行器与控制技术研究。

2.注重数值仿真，进行大量试验验证

根据国外研究经验，数值模拟可以节省大量资金，加快开发进度。从测试机制和原理到测试部件、系统和整机，技术风险只能通过逐步深化来降低。尤其是飞行验证验证试验非常重要，很难在地面试验台上完全模拟航天器或动力飞行环境，最终的技术验证也必须通过飞行试验来完成。

3.空天技术发展，动力必须先行

航天技术发展的关键是动力，动力的种类要根据实际水平来选择。超燃冲压发动机的研发难度很大，需要大量的人力、物力、财力，需要长期的技术积累。通过开展冲压发动机基础研究和核心技术研究、核心技术数值研究和实验研究、试验设备建设和技术改造，形成良好的技术基础。

结束语

空天飞行器是航空航天领域重要的研究方向，随着科学技术的不断发展，航空航天领域的不断探索，也对空天飞行器及动力技术提出了新的发展思考及建议，相关的研究对飞行器技术的发展提供了参考依据，为航空航天领域发展提供了技术准备。

参考文献

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