美國未來的太空轟炸機

黃志澄

當(dāng)國際社會對美國的國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(NMD)的抨擊不絕于耳的時候,《洛杉磯時報》7 月28 日又披露了一條驚人消息:美國國防部正在考慮研制用于未來戰(zhàn)爭的另一個撒手锏——太空轟炸機。該報根據(jù)一份由美國國防部部長拉姆斯菲爾德簽署的文件披露,拉姆斯菲爾德于今年6月曾指示國防部研究“對實施快速全球打擊有價值的亞軌道太空飛行器”。美國的太空轟炸機的概念,就是美國自60年代以來一直在進行研究的跨大氣層飛行器。本文介紹了太空轟炸機的任務(wù)和發(fā)展背景以及美國研究過的太空轟炸機的方案設(shè)想和相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。

一、太空轟炸機的任務(wù)和發(fā)展背景

拉姆斯菲爾德提出的跨大氣層的亞軌道太空飛行器,當(dāng)它進入地球低軌道飛行時,就可作為太空作戰(zhàn)飛行器(SOV)和太空機動飛行器(SMV)使用。從長遠(yuǎn)來看,當(dāng)它采用現(xiàn)兩級或多級方案時,它的載機也可使用有重要軍用價值的高超音速飛機。在大氣層內(nèi)飛行的高超音速軍用飛機,比跨大氣層飛行器的機動性更好,但技術(shù)難度更大。任務(wù)分析表明,這種跨大氣層的太空轟炸機,將對21世紀(jì)的攻防對抗提供非常有價值的新能力,將使空中和太空的作戰(zhàn)平臺提高到新水平。太空轟炸機將有以下幾個特點:

1.它有很高的速度,從而具有很大的動能,使其效能倍增,可以采用很小的彈藥,并能同時打擊多個目標(biāo)。同時,也由于它有很高的速度,可以在很短時間內(nèi),攻擊世界上任何地方的目標(biāo)。由于它采用亞軌道飛行或在大氣層內(nèi)作高超音速飛行,可以在政治上躲開太空軍事化的敏感問題。

2.它具有出其不意的優(yōu)點。在戰(zhàn)略上,可以出其不意地打擊敵人幾乎沒有防備的縱深目標(biāo);在戰(zhàn)役上,可以出其不意地選擇最佳的攻擊時間;在戰(zhàn)術(shù)上,可以出其不意地使用多種亞軌道飛行路線,攻擊敵方防空的薄弱環(huán)節(jié)。

3.它可以在執(zhí)行完任務(wù)后,快速回收、裝備和重新起飛。它與遠(yuǎn)程彈道式導(dǎo)彈相比,可以威懾對方使用后回收,避免了立即引發(fā)戰(zhàn)爭的危險。

4.它除了擔(dān)負(fù)全球攻擊任務(wù)外,還可用于全球偵察。它既是發(fā)射衛(wèi)星與回收、維修衛(wèi)星的平臺,又是發(fā)射反衛(wèi)星武器的平臺。

這次美國國防部提出要研究太空轟炸機,有其深刻的政治和軍事背景。拉姆斯菲爾德出任美國國防部長后,美國的國防政策出現(xiàn)了一個新的趨勢,那就是憑借美國超強的經(jīng)濟實力,在縮小現(xiàn)有部隊編制的基礎(chǔ)上,加大軍事科研經(jīng)費的投入,不惜巨資研制世界上最先進的武器系統(tǒng),采用防御與進攻并舉的策略,鞏固美軍的軍事優(yōu)勢。

按照新軍事戰(zhàn)略,美國將較大幅度地削減海外駐軍,而由此留出的空隙,將由遠(yuǎn)程戰(zhàn)略武器來填補,太空轟炸機就是這類計劃中的武器之一。這種太空轟炸機,可使美軍得以發(fā)動迅速的全球轟炸任務(wù)。它可在戰(zhàn)爭爆發(fā)后的很短時間內(nèi),從傳統(tǒng)的防空火炮射程外,投射精確制導(dǎo)炸彈以摧毀敵方地下指揮所及地面防空陣地等遠(yuǎn)距離目標(biāo)。在經(jīng)過太空轟炸機一陣狂轟爛炸后,其他類型的轟炸機和戰(zhàn)斗機,就能更安全地執(zhí)行后續(xù)的攻擊任務(wù)。由于這種太空轟炸機飛得高,飛得快,敵方的常規(guī)防空武器將無法打擊它。太空轟炸機能在90分鐘內(nèi)摧毀地球上的任何目標(biāo)而返回美國基地。它像遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈一樣借助火箭推進系統(tǒng)從基地發(fā)射升空,能夠在距離地面上百公里的極高空,向攻擊目標(biāo)投擲精確制導(dǎo)炸彈。按照美國有關(guān)專家的初步設(shè)想,太空轟炸機可能需要駕駛員操縱,飛行速度將達(dá)美國現(xiàn)役重型轟炸機的15倍,飛行高度則為10倍。起飛125秒后,可飛至50公里外;起飛175秒后,可飛至160公里外。這種太空轟炸機一旦研制成功,將有助于美軍克服當(dāng)前最棘手的軍事難題:使美軍在海外基地日趨縮減的形勢下,仍能執(zhí)行摧毀遠(yuǎn)距離目標(biāo)的任務(wù)。

可以預(yù)料,美軍開始實施研制太空轟炸機計劃只是時間問題。如果美國一旦將這一野心勃勃的軍事計劃付諸實施,必然會刺激國際太空軍備競賽,同時也必然會受到那些維護世界和平、反對霸權(quán)主義和主張軍備控制的國家和人士的強烈反對。

二、太空轟炸機的主要方案

1.美國空軍《空間預(yù)測2020》研究報告中的“黑馬”方案

1995年發(fā)表的這份研究報告中,提出了一個水平起降以火箭發(fā)動機為動力的跨大氣層的“黑馬”方案。飛機的起飛重量為22噸,采用KC-135加油機加油后 總重可達(dá)85噸。飛機有7臺火箭發(fā)動機,兩臺發(fā)動機用于起飛和完成空中加油,5臺火箭發(fā)動機為入軌提供附加推力。推進劑采用非低溫推進劑,例如JP-5煤油和過氧化氫。為了增加比沖,也可考慮JP-8或JP-10來代替JP-5,從長遠(yuǎn)來說,也可采用高密度燃料。對于該方案,比沖增加1 秒,入軌的有效載荷可增加58公斤。若進一步采用沖壓火箭,可以進一步提高飛機性能,降低噪聲。歷史上,英國的“黑箭”和“黑俠”計劃和美國的研究飛機NF-104D,都采用過煤油和過氧化氫作為燃料。NF-104D在11年的運行期間,沒有發(fā)生過與火箭發(fā)動機有關(guān)的事故。飛機起飛時將加注100%的JP-5和7%的過氧化氫。起飛后在高度12公里和馬赫數(shù)為0.85時與加油機會合,注滿過氧化氫。然后,轉(zhuǎn)到正確航向,飛向地球軌道,可將0.454噸有效載荷送入35度軌道傾角和185公里的圓軌道。若進行亞軌道飛行 其有效載荷可增加到3噸?！昂隈R”方案的構(gòu)形如圖一所示。為了防熱,飛機的頭部、機翼和舵面的前緣采用碳/碳化硅材料,大面積覆蓋特制的高級毛氈(Dura TABI)。該方案盡可能采用一些隱形技術(shù)煵⒉捎盟樾?、蓻鲡和訑丶爸鲃邮綑C載防御系統(tǒng)和模塊化武器系統(tǒng)。武器包括動能武器、高能炸藥和定向能武器?！昂隈R”方案應(yīng)最大限度地利用現(xiàn)有軍事設(shè)施,盡可能多地從基地發(fā)射和返回,通過分散和機動,使其提高生存能力,要求飛機返回后能在12 小時后復(fù)飛。

2.美國空軍《空軍2025》研究報告中的“S3”方案

這個方案將超音速/高超音速攻擊機(SHAAFT)和防區(qū)外攻擊的高超音速導(dǎo)彈(SHMAC)以及可重復(fù)使用的太空控制軍用飛機(SCREMAR)結(jié)合起來。這里的太空控制軍用飛機實際上是一個三級方案。第一級是一個無人駕駛的飛翼,它用6臺加力渦扇發(fā)動機加速到馬赫數(shù)為3.5。每臺發(fā)動機的推力為22700公斤,翼展為49米,機翼面積為592平方米。第二級是有人駕駛的高超音速攻擊機。它將采用雙模態(tài)沖壓/ 超燃沖壓發(fā)動機(以液氫為燃料),加速到馬赫數(shù)12 煵⒖稍詬叨任30公里巡航,其最大航程為26000公里,續(xù)航時間為74分鐘。其2g過載轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)彎半徑為770公里,它的有效載荷為22700公斤,可帶10枚重為1816公斤的導(dǎo)彈。它也可帶容積相當(dāng)于F-15的SCREMAR。它的起飛重量為90噸,在升力系數(shù)為1.5,速度為每小時466公里時起飛。這個報告提出的SCREMAR可帶1360公斤的有效載荷進入近地軌道。它總長為20米,帶有兩個火箭發(fā)動機。其任務(wù)主要是部署和回收衛(wèi)星、修理受損的衛(wèi)星的用于反衛(wèi)星作戰(zhàn)。由于SCREMAR采用火箭發(fā)動機,將盡可能采用NASA的X-33、X-34、X-38等驗證過的技術(shù)和現(xiàn)用的航天飛機的技術(shù)。

3.美國空軍的小型航天飛機計劃

美國空軍在1996年曾召集17個合同商,對跨大氣層飛行器和太空飛機(spaceplane)概念進行了評論,并已委托波音北美公司制造縮比85%的無動力的“微型航天飛機”驗證機(即X-40A)。按目前的設(shè)想,上述軍用航天飛機是一個兩級系統(tǒng)。它的可重復(fù)使用的上面級,由一架較大的飛機攜帶并加速到高超音速。它的載機也可是以火箭為動力的X-33(見題圖)。按設(shè)想,小航天飛機部分長約7.6米,寬約3.4米,重約1134公斤,為石墨環(huán)氧與鋁蜂窩結(jié)構(gòu),其有效載荷為0.54～0.91噸。它采用可儲推進劑,可在太空中停留數(shù)周、數(shù)月乃至一年左右,并可在太空中機動。它可根據(jù)需要部署,并可隨時應(yīng)召返回地面并在跑道上著陸。它的靈活性和機動能力很強,可進出各種軌道,包括低地軌道和地球靜止軌道。

為了對飛行后檢查及再飛準(zhǔn)備程序進行評定,還將對加帶模擬推進系統(tǒng)的這架飛行器,進行快速再飛準(zhǔn)備的地面試驗。若美空軍決定進入下一階段研制,就要建造一架全尺寸、可飛行的小航天飛機。這架小航天飛機將先利用B-52 或其它載機進行投放試驗,獲取更多的著陸數(shù)據(jù),然后將裝在航天飛機的貨艙中被帶入太空,進行自主軌道返回試驗。最后將建造一架由火箭推動的、大小同F(xiàn)-15戰(zhàn)斗機相近的驗證型助推飛行器,用以把小航天飛機送入軌道。這種飛行器應(yīng)能把其有效載荷帶到或許是M數(shù)12～ 18的高速,并將驗證飛機式的操作方式。最終將有可能把小航天飛機與上述的全尺寸助推飛行器裝到一起做一次完整的飛行,以驗證該系統(tǒng)的軍事用途。小航天飛機的有效載荷能力比美國NASA過去研制的可重復(fù)使用運載器(RLV)低很多,可能只有其1/10,但采用多級配置,它可以放出多達(dá)3架小航天飛機,靈活性可大大提高。盡管美空軍官員只承認(rèn),他們準(zhǔn)備用上述系統(tǒng)執(zhí)行偵察和衛(wèi)星發(fā)射等任務(wù),但他們顯然還希望能把上述飛行器發(fā)展成為能執(zhí)行各種戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的“太空戰(zhàn)斗機”。研究表明,這種航天器可使衛(wèi)星暫時“致盲”,切斷敵方的太空信息來源;可向軌道或地面目標(biāo)發(fā)射動能或其它武器;還可用于保護友方的太空資源。

1999年NASA和波音公司簽訂了4年的合同,研制和在軌道上試飛X-37重復(fù)使用飛行器,以演示驗證將向空間的運輸費用從每公斤22000美元降到每公斤2200美元的關(guān)鍵技術(shù)。X-37將是第一架在軌道飛行和再入環(huán)境下試驗的試驗飛行器。X-37的設(shè)計強調(diào)空間的可支持性和可以演示驗證許多技術(shù),包括可重復(fù)使用的防熱系統(tǒng)、可貯存的無毒推進劑和新的空氣動力特征。

1998 年夏,X-40A實驗機從直升機上投放進行飛行試驗。試驗的目的是證實高速、低升阻比無動力飛行器進場及著陸的特點、航空電子設(shè)備及導(dǎo)航與控制。在美國航天司令部提出發(fā)展SOV后,X-40A的飛行試驗將和X-37的飛行試驗結(jié)合起來。2001年3月21日,NASA宣布作為X-37的85%縮尺的X-40A無動力飛行試驗再次取得成功。

太空轟炸機研制計劃目前雖尚處于概念階段,但美軍也可通過修改美國NASA過去5年研制的實驗型可重復(fù)使用航天運載器,而迅速進行采購計劃。NASA投入近10億美元,由洛克希德·馬丁公司研制的X-33,由于遇到技術(shù)上的困難及成本過高等問題,已于今年3月下馬。但美國太空指揮部司令艾伯哈特隨后表明,美空軍欲接手這項中途下馬的計劃。

4.美國麥道公司與NASA的M數(shù)10的飛機方案

美國麥道公司與NASA一起設(shè)想了一種高超音速軍用飛機,可用于全球的監(jiān)視、偵察和攻擊。它能在起飛后90分鐘內(nèi)與距離15750公里的目標(biāo)交戰(zhàn)。它在33.6公里的高度上以M數(shù)10巡航,在不用隱形技術(shù)時的生存概率大于95%。它的長度為5米,起飛重量為227噸。有效載荷可達(dá)4.5噸。它在低速飛行時,采用渦輪/沖壓發(fā)動機,它在高速飛行時,采用沖壓/超音速燃燒沖壓發(fā)動機。可采用氫或碳?xì)淙剂?。若需中途加?只能用碳?xì)淙剂稀?/p>

發(fā)展這種飛機的主要任務(wù),是提供在美國本土運行的軍事快速反應(yīng)、全球偵察和攻擊能力。為了使飛機有適當(dāng)?shù)某叽?必須先確定適當(dāng)?shù)淖鲬?zhàn)半徑。若基地位于美國國土的邊緣,則可確定作戰(zhàn)半徑為18530公里。不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)作戰(zhàn)半徑為14824公里時,可以滿足在所有興趣區(qū)域完成任務(wù)的要求。若基地并不位于美國國土,例如位于印度洋,則可以進一步減小作戰(zhàn)半徑,并縮短對東南亞和南非的反應(yīng)時間。

這個方案,可采用兩種運行模式。第一種模式是基本模式,它從美國國土起飛,然后爬升到巡航高度和加速到巡航M數(shù),在目標(biāo)區(qū)以最小的功率,完成 2.5 g的轉(zhuǎn)彎,然后以最大的升阻比、無動力下滑,和加油機交會對接,最后在多次(最多要5次)加油后,以亞聲速回到基地。在起飛、初始爬升、和加油機交會對接和返回著陸時使用渦輪發(fā)動機。在M數(shù)為4.0-4.5時熆始使用沖壓/超音速燃燒沖壓發(fā)動機,以求在低速和高速之間能夠光滑過渡。飛機要裝有足夠多的氫燃料,以便能夠達(dá)到目標(biāo)地區(qū),并與目標(biāo)交戰(zhàn),轉(zhuǎn)彎和開始無動力下滑。飛機也要裝有足夠多的碳?xì)淙剂?允許等待加油機10分鐘。第二種模式是不再回到美國國土和不加油的單程飛行。在與目標(biāo)交戰(zhàn)后,它繼續(xù)飛向某個遠(yuǎn)方的美國基地。為了進場和著陸,需要保留10分鐘的燃料。這種模式從后勤的觀點來看,由于不要加油,可能是有利的,但要在遠(yuǎn)方的美國基地上,備有低溫燃料。計算結(jié)果表明:對于第一種模式,采用雙燃料為宜;對于第二種模式,全部采用氫燃料為宜。

5.美國空軍《新世界了望》研究報告中的方案

美國空軍科學(xué)咨詢委員會在1996年2 月發(fā)表的這份報告,提出了一種高超音速飛機方案。該方案采用先進的隱形設(shè)計,用高性能的火箭與吸氣式組合發(fā)動機作為動力,飛行速度可達(dá)M數(shù)12-15煼尚懈叨任28-42公里,機動過載達(dá)到20g。這種高超音速飛機可以是由人駕駛的,也可以是無人而是由電腦控制的。它能在數(shù)十分鐘之內(nèi)到達(dá)世界上任何地方出現(xiàn)的目標(biāo)的可攻擊的范圍之內(nèi),不加燃料的航程為2.2萬公里。未來的偵察機和衛(wèi)星監(jiān)視系統(tǒng),可以當(dāng)敵方防空導(dǎo)彈在地球上任何地方發(fā)射數(shù)十秒種之內(nèi),告訴美國空軍該防空導(dǎo)彈發(fā)射場的準(zhǔn)確位置,而高超音速飛機則能在數(shù)分鐘之內(nèi)作出反應(yīng),并可從離目標(biāo)320公里之外發(fā)射導(dǎo)彈。這種飛機可從美國國土的基地起飛,或由高超音速運輸機運載。該機爬升時,隨高度的增加,一直從亞音速加速到高超音速。在接近目標(biāo)時,再返回到低空低速,并用精確制導(dǎo)武器或激光武器攻擊全球各地的高價值目標(biāo)。

三、太空轟炸機的關(guān)鍵技術(shù)分析

為了能研制成功跨大氣層的太空轟炸機,需要攻克一系列的關(guān)鍵技術(shù)。這里應(yīng)當(dāng)說明,太空轟炸機有不少關(guān)鍵技術(shù),是和較低速度的軍用飛機一樣的,即必須研制出智能化程度很高和自適應(yīng)能力很強的飛行控制系統(tǒng),以及能使該系統(tǒng)正常運行的計算機算法(控制規(guī)律);必須裝備可靠的、寬帶的數(shù)據(jù)鏈路和通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);必須解決人機交互作用、機載彈藥的小型化和系統(tǒng)綜合集成等一系列問題。除此以外,太空轟炸機和高超音速飛機還必須解決高超音速飛行遇到的特殊問題。這些問題主要有推進技術(shù)、空氣動力學(xué)和材料與結(jié)構(gòu)等。通過前一階段的高超音速研究計劃,在這些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域,都取得了很大進展,特別是材料領(lǐng)域,進展最大,已接近太空轟炸機的要求。為了攻克這些關(guān)鍵技術(shù),必須有效地使用地面試驗、計算和飛行試驗等三種手段。但這些手段在模擬高超音速飛行方面都有局限性。為了發(fā)展太空轟炸機和高超音速飛機,需要一體化地綜合使用這些手段。為了驗證這些關(guān)鍵技術(shù)及它們的綜合集成,需要進行先期技術(shù)演示驗證(ATD)和先期概念技術(shù)演示驗證(ACTD)。

假若采用以火箭發(fā)動機為動力的跨大氣層方案,根據(jù)美國現(xiàn)有的技術(shù)水平,上述關(guān)鍵技術(shù)在較短時間內(nèi)就可攻克。唯一困難的問題是太空轟炸機要進行飛機式的運行,以達(dá)到能夠待命起飛和在著陸后12 小時內(nèi)復(fù)飛的要求。這方面需要改變設(shè)計觀念和進行一系列的地面試驗和飛行試驗。假若采用以組合式吸氣式組合發(fā)動機為動力的方案,則研制實用的超音速燃燒發(fā)動機(Scramjet)仍有很大困難。近年來,由于計算機技術(shù)、地面試驗技術(shù)和飛行試驗技術(shù)的發(fā)展,已使超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)復(fù)雜的空氣熱力學(xué)流動,開始得到比以往要有效得多的模擬。這種發(fā)動機在2020年前開始得到實際應(yīng)用的可能性已越來越大。當(dāng)然,目前各國也正在積極尋求替代超燃沖壓發(fā)動機的新方案。

四、結(jié)束語

由于太空轟炸機的高的速度、生存能力和攻擊能力,將使空中和太空的作戰(zhàn)平臺提高到新水平。由于太空轟炸機可以返回,它將成為一種可以實際使用的威懾力量。

從目前的技術(shù)水平來看,太空轟炸機可以實現(xiàn)的方案是采用火箭發(fā)動機為動力的跨大氣層飛行器。當(dāng)它進入地球低軌道飛行時,就是太空作戰(zhàn)飛行器和太空機動飛行器。從長遠(yuǎn)來看,為了進一步提高機動性,它的載機也可使用高超音速飛機。這種載機其本身就有重要的軍用價值。這種高超音速軍用飛機為了在大氣層內(nèi)巡航,需要采用難度較大的高超音速吸氣式組合發(fā)動機。

由于地面試驗、計算和飛行試驗在模擬高超音速飛行方面都有局限,因此,發(fā)展太空轟炸機和高超音速軍用飛機,需要一體化地綜合使用這些手段。為了驗證關(guān)鍵技術(shù)及其綜合集成,需要發(fā)展一系列速度從低到高的演示驗證飛行器。責(zé)任編輯:兆 然 ■