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[其他主题] 太空飞机(空天飞机、升力体? )普通帖:带着翅膀去旅行

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hkhtg090201 发表于 2009-12-26 13:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 hkhtg090201 于 2009-12-26 17:28 编辑

本贴不属于任何国家和组织,纯粹科普。
 楼主| hkhtg090201 发表于 2009-12-26 13:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 hkhtg090201 于 2009-12-30 15:41 编辑

太空飞机:带着翅膀去旅行

2009年12月26日 02:01  21世纪经济报道

  特约作者 谢懿

  即使是现在回想起来,2004年9月29日的那个明媚早晨,仍然让人记忆犹新——“太空船一号”升空不但为它赢得了1000万美元的安塞里X大奖,而且还预示了空间旅行将不再是少数人的专利。

  “太空船一号”爬升到距离地面111千米高空,打破了40多年前由美国宇航局(NASA)的X-15火箭飞机创造的飞行高度纪录。但其在此后两周内完成了两次亚轨道飞行之后,就再也没飞过。

  现在有许多各式各样的飞船在研发之中,哪个或者哪些最终会取得突破呢?

  “为了在成本和可靠性上做到具有革命性,我们必须建造出一个真正可重复使用的系统。”商业空间公司SpaceX的首席执行官兼首席设计师埃隆·马斯克(Elon Musk)说,“这是人类已知最大的技术挑战之一。”

  搭“车”去太空

  空间飞行器大致可以被分成两大类:有翼飞行器和弹道火箭。在工程和经济上,它们的理念呈现出了巨大的差异。弹道飞行器被直接放置在燃料之上,使用强大的推力把自己送入太空,在这个过程中它会抛弃引擎和燃料箱来减轻重量。

  有翼航天器则更为“优雅”。从地面或者另一架飞机的腹部起飞,利用地球大气尽可能地向上爬升,在返航的时候则滑翔着着陆。其潜在的可重复使用性将会导致一个极为诱人的结果,那就是总有一天有翼航天器将会比火箭更为廉价。甚至还可以使用相同的设施来作为客机,为商务乃至游客开启太空旅行之门。

  但在现实中,有翼航天器还从来没有到达过近地轨道。它们所使用的火箭引擎无法把它们再向上推行60千米。

  唯一的例外是航天飞机,它是有翼航天器和弹道火箭的结合体。不过,航天飞机并不是完全可重复使用的。在每次飞行中昂贵的外挂燃料箱都会被丢弃到海里。

  原先的设计是每年进行100次飞行并以此来降低每次太空飞行的成本,但是航天飞机机群从来没有在一年中飞行超过9次,而这个频率正是商业空间公司的切入点。

  可重复使用难题

  高新技术为有翼空间飞行器焕发出了新的生机,其核心就是超燃冲压引擎。和商业客机的涡轮引擎不同,超燃冲压引擎并不使用转动的叶片来压缩进入引擎的空气。相反,高速运动的飞行器本身就会压缩迎面而来的空气,这些空气随后会被送入燃烧室。在那里燃料燃烧会产生喷射出的气体,由此形成一般的涡轮引擎难以企及的高速。

  超燃冲压引擎只有在高速运动的过程中才能发挥功效,这本身就需要极为复杂的技术和大量的燃料。20世纪90年代进行的一系列试验的结果也并不理想,超燃冲压引擎所需要的能量比它们产生的能量还要多。
  2002年英、澳的HyShot成功试飞之后,超燃冲压引擎的发展和测试开始大幅度提速,以2004年NASA的X-34A破纪录地达到9.68马赫(1马赫=1倍音速)达到高潮。在过去的几年中,日本、俄罗斯、中国和印度等国家研发超燃冲压引擎的消息也开始不胫而走。

  2009年底,一个由NASA、美国空军和美国国防部高等研究计划局(DARPA)组成的合作机构计划在太平洋上空试飞更为先进的超燃冲压引擎航天飞行器。这一计划的目的是测试小型原型引擎是否可以按比例放大。设计工作在4-6马赫的X-51A还将测试一系列的新材料。如果成功,它们将使得超燃冲压引擎可以工作更长的时间,而不是先前测试中的短短几秒钟。

  更为关键的是,类似X-51A这样的超燃冲压引擎计划也正在向可重复使用的方向努力。不过到目前为止这一点仍未成功,因为所有的超燃冲压引擎测试飞行器都会在其短暂的工作寿命之后被毁,这大部分是由于燃烧的高温所造成的

  即使存在这些问题,NASA也受到最近所取得的进展的鼓舞,在2009年初建立了数个国家科学实验室,它们将研究并且最终开发超燃冲压引擎技术。

  跑道的胜利

  X-51A计划的结果也许会帮助DARPA正在设计的另一种引擎。被称为“火神”的这一引擎将使得航天器可以像普通的飞机一样从跑道起飞,然后再加速到高超音速。为了做到这一点,“火神”将使用一种改进的涡轮引擎来加速到大约2马赫,然后由超音速引擎——可能会基于首次被用于二战中德国V-1飞弹的脉冲爆震发动机设计——把它加速到超过4马赫。这两者会被整合进类似X-51A的机身中。DARPA希望到2012年能制造出一架测试机。虽然它最初的目标是军事用途,但是DARPA也希望它的未来版本可以使得从跑道起飞进入太空成为可能。

  那么,这些超燃冲压引擎飞行器最终能靠自己的力量进入地球轨道吗?

  超燃冲压引擎的最高速度据估计大约在12-20马赫,距离能把它们送入轨道的25马赫仍然还有差距。为了解决这个问题,在加速的初期或者末期还是需要火箭来助一臂之力。但这应该不会严重地影响它们的可重复使用性,因为这些太空飞机的绝大部分动力来自超燃冲压引擎,这使得它们比起航天飞机来更能重复使用。此外,由于是被设计成能从非常稀薄的空气中抽取氧化剂,它们会比传统的弹道飞行器轻得多。而对于航天飞机来说,光氧化剂就占据了其外挂燃料箱容量的大约85%。

  不过,对高超音速航天器的批评认为,即使相关的技术变得切实可行,它仍然可能由于其高昂的成本而停留在军事领域。

  第三条道路

  一些工程师相信还有第三条道路:一种相对廉价、可重复使用且不依赖于诸如超燃冲压引擎这样的实验性技术,以及一次性弹道系统的有翼航天器。英国的喷气引擎公司正致力于这个领域,它提出了使用“军刀”高新喷气引擎进入地球轨道的航天器Skylon。

  在高速飞行时,进入引擎的空气会被快速压缩进而迅速升温,这也正是超燃冲压引擎为什么必须使用特殊绝热材料的原因。为了克服这个问题,Skylon的喷气引擎将使用一个热交换器来把流入的空气从1000℃冷却到-100℃。随后这些冷却的空气会和液氢混合并且燃绕。于是,和超燃冲压引擎不同,“军刀”引擎会更轻并且可以升空加速至5.5马赫。在抵达26千米的高度之后,引擎会切换成普通的火箭引擎,使用装载的氧和氢来把飞机送入太空中。

  Skylon是对经典太空飞机梦想的回归。使用自己的动力起飞,无人驾驶的Skylon飞入地球轨道,运送载荷,然后在跑道上着陆。“让载具像民用飞机一样飞行是清除前进障碍的重要一步。”喷气引擎公司未来计划主任马克·亨普塞尔(Mark Hempsell)说。

  Skylon及其“军刀”引擎是英国宇航公司和劳斯莱斯公司在20世纪80年代工作的延续,因此它将继续先前已研发的系统。更重要的是,喷气引擎公司并不打算自己建造Skylon或者“军刀”引擎,而是将其转包给经验丰富、实力雄厚的航天企业。

  正如喷气引擎公司的战略所预示的,小公司正在意识到它们需要大的玩家才能取得真正的突破。同样地,拉斯基和NASA现在也视企业为合作伙伴,而非竞争对手。例如,“太空之门”计划将在由维珍银河、XCOR宇航以及蓝色起点等公司建造的亚轨道飞行器上进行科学实验。NASA会和其他商业客户一样为此支付费用,为这些公司的服务提供一个市场。此外,NASA也已经通过其旨在寻求更廉价、更可靠轨道空间运输工具的商业轨道运输服务计划资助了一些包括 SpaceX在内的企业。

  “今天所出现的商业空间需求正是一个迈向成功的绝佳机会,因为它们正在触及真正核心的问题。”拉斯基说,“高新技术将在其中扮演重要的角色,其结果就像是汽车和飞机对运输形式所产生的影响一样具有革命性。”

  因此,“太空船一号”的成功带来了一个无可辩驳的事实。正如亨普塞尔所指出的:“它抹去了太空飞行中虚幻的一面。”在太空飞行不长但却倔强的历史中,这是迈向一个与众不同、更激动人心未来的巨大一步。

  (作者谢懿:美国密苏里大学天文学博士、科学松鼠会资深作者)
 楼主| hkhtg090201 发表于 2010-6-7 18:38 | 显示全部楼层
X-37B不会寂寞:意大利研制“北河三”高超声速样机

新闻发布时间:2010-06-07


  [据美国航天网近日报道] 由于一些国家如意大利和俄罗斯推行本国的可重复使用有翼空天飞机,美国的秘密X-37B空天飞机最后可能会在低地球轨道有一些伙伴。
  
  意大利“北河三”高超声速样机
  
  意大利的空天飞机样机名为“北河三”(Pollux),在四月份一次飞行试验中执行了一次高速机动,最高速度达马赫数1.2。这些工作可能不会立刻实现全飞行。但意大利宇航研究中心(CIRA)的工程师们希望能为未来空天飞机添加重要训练,例如如何实现自主再入和穿越地球大气层安全返回。
  
  “北河三”可能不具备X-37B装配的发动机,以及X-37B上携有一些其他先进技术,但它可以帮助推动对空天飞机安全返回的物理应力和控制需求的了解。
  
  “北河三”空天飞机样机2010年4月11日被一架平流层飞艇带入24千米的高空抛落。抛落后样机速度达到马赫数1.2以上,并模拟了再入轨道的最后一段。在140秒的试验过程中,样机执行了一系列预先制定了的复杂机动,速度降至马赫数0.2, 使降落伞可以打开,样机最终溅落地中海。
  
  此次成功是建立在前一次飞行试验的基础之上,试验由另一架性能略差的样机执行,该样机名为“北河二”(Castor),没有装备发动机,于2007年3月发射,最大速度达到马赫数1.08。这些结果都将帮助设计未来的空天飞机和计划下一次Pollux试验。目前意大利计划在2011年最后一季度进行马赫数1.8的飞行试验,但最终决定取决于意大利政府投资的可用性。
  
  意大利宇航研究中心已经把目光投向使未来气动式飞行器的高超音速飞行速度能达到马赫数8左右。该中心已经与澳大利亚昆士兰州大学和澳国防部签署了合作协议。试验将使用与美国/澳大利亚合作的HiFire高超声速验证机相似的火箭。试验还将包括一个更小的飞行器(机长小于1.2米),“北河三”飞行器长为9.1米。(中国航天工程咨询中心 侯丹 陈菲)  


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X-37B不会寂寞:俄罗斯可能重启冷战时期空天飞机计划  

新闻发布时间:2010-06-07


  [据美国航天网近日报道] 由于一些国家如意大利和俄罗斯推行本国的可重复使用有翼空天飞机,美国的秘密X-37B空天飞机最后可能会在低地球轨道有一些伙伴。
  
  俄罗斯MAKS微型航天飞机
  
  俄新社报道称,俄罗斯可能重启一项冷战时期的可重复使用的多用途空天系统计划(MAKS),对美国X-37B空天飞机作出回应。俄罗斯的“多用途航空航天系统”是一个更完善的空天飞机系统,与X-37B不相上下。但没有关于MAKS微型航天飞机何时或如何重新飞行的消息。
  
  有专家在接收采访时提到“将采用飞机母舰作为第一级,该系统比美国的X-37B能力更强。”MAKS系统第一级包括携带着可重复使用225 MRIA 飞行器,其背上带有燃料箱,能携带两人。
  
  除了发射可重复使用轨道飞行器的MAKS-OS构造, MAKS-T构造将可以把重达18吨的有效载荷和燃料箱送入轨道。MAKS-M构造可以任意与外部燃料箱匹配,简单地发射新型载人可重复使用轨道飞行器。
  
  MAKS系统的运载价格在每千克货物1000~2000美元之间,而美国航天飞机的成本为20000美元。
  
  欧空局“云霄塔”空天飞机
  
  空天飞机何时出现尚无定论。2009年欧空局和英国政府启动了未来空天飞机工作,授予英国Reaction Engines有限公司128万美元,研发气动式火箭发动机。这种发动机计划用于无人可重复使用的“云霄塔”(Skylon)空天飞机。
  
  Skylon空天飞机的远大目标包括:在一个混合发动机里使用气动式发动机原理和火箭发动机原理,由此从理论上飞机可以从相同的跑道上起飞降落。目前无论是X-37B还是俄罗斯的MAKS系统都不能实现完全独立地起飞着陆的梦想。
  
  然而美澳联合的高超音速发动机试验、意大利计划进行的未来试验都可能实现不需要搭乘在火箭或母舰之上。(中国航天工程咨询中心 侯丹 陈菲)
monster 发表于 2010-6-10 22:34 | 显示全部楼层
本帖最后由 monster 于 2010-6-10 22:35 编辑
Skylon的喷气引擎将使用一个热交换器来把流入的空气从1000℃冷却到-100℃。...
Skylon及其“军刀”引擎是英国宇航公司和劳斯莱斯公司在20世纪80年代工作的延续,因此它将继续先前已研发的系统。 ...
hkhtg090201 发表于 2009-12-26 13:27

跟Hotol空天飞机原理很像。
 楼主| hkhtg090201 发表于 2012-12-20 19:21 | 显示全部楼层
先放到这儿。
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德国“未来高空高速运输”(Fast20XX)项目——高超声速旅行的概念
新闻发布时间:2012-12-20
[据澳大利亚每日航天网站2012年12月13日报道]  德国宇航中心(DLR)的太空系统研究院正在研究的“太空航班”(SpaceLiner)能够实现在90分钟内飞抵世界的另一端——澳大利亚,这项新技术仍处在试验和明确基础需求的阶段。

  来自德国、澳大利亚、西班牙、瑞士、意大利、比利时、荷兰、法国和瑞典的科学家们一直在对欧盟支持的这项为期3年的“未来高空高速运输”(Fast20XX)项目进行研究。现在项目已结束,相关结论将影响未来设计DLR“太空航班”和宇航创新公司的“阿尔法”(ALPHA)飞机的设计。

  像航天飞机一样飞行
  像航天飞机一样飞行的概念已经存在。DLR的“太空航班”试图在发射前像航天飞机一样采用火箭发动机垂直起飞。点火后,可重复使用的助推段将与轨道器分离。该轨道器将能承载50名乘客。8分钟后,进入滑翔阶段,飞行速度可达20倍声速。

  飞行大约80分钟后着陆在常规跑道。DLR项目协调员马丁·西潘(Martin Sippel)称,没有成功的案例,我们必须自己确定飞行器的尺寸,凭感觉使用“太空航班”的计算机模型,来摸索前行。

  “太空航班”面临着技术和运行的双重挑战。至今,Fast20XX研究项目中仍没设计出一架飞机,但为具有航空飞行和太空旅游能力的飞机研究了重要的跨学科内容。多个DLR研究院参与了该项目,除太空系统研究院以外,宇航医学研究院、结构与设计研究院、气动和流体技术研究院也为实验提供了帮助。(中国航天系统科学与工程研究院 陈菲 姚源)



德国“未来高空高速运输”(Fast20XX)项目——技术问题
新闻发布时间:2012-12-20
[据澳大利亚每日航天网站2012年12月13日报道]   
  
  计算机模拟
  飞行期间的一个重要问题就是为太空飞机制冷。上升段后,“太空航班”开始滑翔,在此期间要面临与地球大气摩擦产生的阻力。这个阶段能达到1800摄氏度的高温。解决方案是对飞机鼻翼和机翼尖缘进行主动制冷。这个理念是通过水从多孔陶瓷部件蒸发制冷。
  DLR结构与设计研究院正在为这种蒸发冷却研制合适的陶瓷工艺,通过计算机模拟其飞行根据Fast20XX在等离子风洞的试验,工程师们已明确,利用多孔陶瓷材料制冷时可行的。
  
  科学家们还在研究飞机周围的空气流动,并利用计算机程序建模。“太空航班”将飞到一个大气压力非常低的高度,所以流动现象会变化。这些模型在DLR的一个专用风洞进行了测试,并与意大利国家宇航中心(CIRA)的数字模拟进行了比较。
  
  高速飞机的基础需求
  除了研究空气动力学、材料和制冷,像“太空航班”这样的项目还需要多种其他类型的研究。例如,乘客是否能够忍受高超声速飞行?宇航医学研究院已经扫清该障碍。对环境影响到何种程度?尽管“太空航班”在飞行中只排放水,Fast20XX研究项目的研究人员也在收集数据,研究该项问题。
  
  此外,还需要考虑飞行需要放弃的情况,以及如何应对发动机故障等。“太空航班”只能在偏远地区实施发射,高速飞行必须在高空中进行,以便保护居民区域免遭音爆影响。
    
  还有许多问题有待解决。例如,火箭发动机如何可靠和安全地运行?油箱压力系统应该什么样?整体飞机的热防护系统必须怎样设计?由于乘客的客舱在紧急情况可用作救生舱,那么需要满足那些要求?在地面的营救中心的网络必须无缝覆盖。(中国航天系统科学与工程研究院 陈菲 姚源)

德国“未来高空高速运输”(Fast20XX)项目——从太空旅游到航班计划
新闻发布时间:2012-12-20
[据澳大利亚每日航天网站2012年12月13日报道]   
  
  从太空旅游岛航班计划
  马丁·西潘表示,长期运输飞行的第一步是德国宇航创新公司的“阿尔法”计划。该太空飞机也属于Fast20XX项目下,计划在14千米高空从“空客”A330上发射,机上载有2名乘客和1名飞行员,然后将飞行到100千米的高度。
  
  “太空航班”不是打算在太空中进行短途飞行,而是实现跨洲际的点到点的运送乘客和货物,这将主要由私人筹资。
  
  马丁·西潘表示,这是一个远期愿景,将在不早于2050年启动。我们希望为太空飞行技术开拓新的和广泛的市场,有效地降低把卫星送入太空的成本。(中国航天系统科学与工程研究院 陈菲 姚源)



点评

不早于2050年启动,还有将近40年,现在说这些计划是不是太早了。  发表于 2012-12-20 19:54
langge945 发表于 2019-3-25 15:14 | 显示全部楼层
俄罗斯欲研制氢燃料战斗机
2019-03-22
【据俄罗斯yandex网站2019年3月20日报道】俄罗斯正在计划实施低温燃料战斗机项目,准备制造第六代氢燃料战斗机,其速度可达高超声速。据悉,该项目会部分采用现役战斗机中使用煤油燃料的发动机技术。目前战斗机上使用的是以煤油为燃料的喷气发动机,而弹道导弹使用的是能够使其离开地球大气层的火箭发动机。长期以来,研究人员一直试图研制一种能够在大气和太空两用的动力装置:既可用于常规战斗机的飞行,也可用于近地空间,而使用低温燃料无疑是解决上述问题的可行方案之一。其实早在上世纪八十年代末,前苏联就已经制造了氢燃料发动机,并用图-155飞机进行了试验。目前该项目已经完成,这些工作也是目前俄罗斯高超音速武器的基础。(中国航空工业发展研究中心 杨玉岭)
http://www.dsti.net/Information/News/114511
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