國外空間攻防武器動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概述

任建軍

（上?？臻g推進研究所，上海201112）

0 引言

空間攻防是指針對空間目標，或者從空間對地面、海上目標采取的軍事對抗行動，包含“反導”（含反彈道導彈和機動導彈）、“反衛(wèi)”、“天對地打擊”等形式，是當今世界空間技術(shù)與軍事領(lǐng)域研究的焦點問題。

空間攻防的典型手段是采用動能攔截器（KKV）在軌道快速飛行的過程中自主導航、精確探測與制導控制，實現(xiàn)與目標的直接碰撞或精確相對運動，確保有效動能碰撞、可控或軟殺傷目標。作戰(zhàn)對象涵蓋彈道導彈、臨近空間高速飛行器、衛(wèi)星（天基平臺）、地面及海上高價值軍事目標等。

姿/軌控動力系統(tǒng)是此類飛行器的重要組成部分之一，直接決定飛行器軌道修正和姿態(tài)穩(wěn)定的精確性。本文主要闡述空間攻防武器動力系統(tǒng)的國外發(fā)展情況、主要關(guān)鍵技術(shù)和未來發(fā)展趨勢。

1 國外發(fā)展情況

美國在空間攻防武器技術(shù)研究方面走在國際前列，以下對以美國為主的國外空間攻防武器動力系統(tǒng)的發(fā)展情況進行簡述。

1.1 美國末段導彈防御系統(tǒng)用姿/軌控動力系統(tǒng)

美國戰(zhàn)區(qū)高空區(qū)域防御（THAAD）導彈系統(tǒng)作戰(zhàn)空域覆蓋大氣層內(nèi)外，重點對射程在1 000 km至3 500 km范圍內(nèi)的彈道導彈實施攔截，現(xiàn)已正式裝備。導彈使用了三軸穩(wěn)定控制用快響應(yīng)液體雙組元姿/軌控動力系統(tǒng)（圖1），其中4臺大推力軌控發(fā)動機呈“十”字型集成結(jié)構(gòu)，用于軌道直接側(cè)向力控制；6臺小推力姿控發(fā)動機呈雙“T”字集成結(jié)構(gòu)，用于滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航姿態(tài)控制；雙組元推進劑貯箱采用金屬隔膜貯箱，可以有效控制飛行過程中推進劑動態(tài)質(zhì)心從而提高姿/軌控精度，并保證推進劑長期貯存；高壓氣瓶采用碳纖維纏繞復合材料氣瓶；總裝結(jié)構(gòu)件選用輕質(zhì)復合材料。另外，正在開展凝膠化和可低溫貯存推進劑技術(shù)研究，以進一步提高對環(huán)境溫度的適應(yīng)性和長期貯存性。

圖1 THAAD導彈液體雙組元姿/軌控動力系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.1 Picture of THAAD liquid bipropellant propulsion system for orbit and attitude control

“愛國者-3” (PAC-3)導彈系統(tǒng)重點防御1 000 km以下射程的導彈，導彈采用固體姿/軌控動力系統(tǒng) (圖2)，外徑255 mm，總質(zhì)量約21.6 kg，由垂直于導彈軸線周面布置的180個固體姿控發(fā)動機組成，用于彈體旋轉(zhuǎn)飛行過程中的單軸穩(wěn)定控制。每臺發(fā)動機僅重65 g，集成了燃藥、點火器、燃燒室及噴管，一次性輸出沖量51 N·s，工作時間23 ms。

圖2 PAC-3導彈固體姿/軌控動力系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.2 Picture of PAC-3 solid propellant propulsion system for orbit and attitude control

1.2 美國中段導彈防御用姿/軌控動力系統(tǒng)

“地基中段防御”（GMD）系統(tǒng)現(xiàn)階段采用的動能攔截器EKV約重70 kg，動力系統(tǒng)為擠壓式液體雙組元系統(tǒng)（圖3）。后續(xù)改進向“多、小型攔截器（MKV）”發(fā)展，重量約4～5 kg，其動力系統(tǒng)有雙組元液體、單組元HAN液體和固體等多個方案，目前已完成雙組元動力系統(tǒng)懸浮試驗（圖 4）。

圖3 GMD導彈攔截器及其EKV動力系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.3 Picture of GMD and its EKV liquid bipropellant propulsion system

圖4 GMD導彈MKV動力系統(tǒng)懸浮試驗照片F(xiàn)ig.4 Suspension experiment picture of GMD and its MKV propulsion system

“海基中段防御”（SMD） 系統(tǒng)以海軍SMD宙斯盾軍艦的大氣層外攔截導彈標準-Ⅲ型（SM-3）導彈為代表，其固體LEAP戰(zhàn)斗部采用了固體姿/軌控動力系統(tǒng)（圖5），采用了多塊裝藥式的燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)，最大工作時間20 s。

圖5 SM-3導彈及其固體姿/軌控動力系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.5 Picture of SM-3 and its orbit and attitude control propulsion system using solid propellant

1.3 美國助推段導彈防御用姿/軌控動力系統(tǒng)

NCADE空射攔截彈是近來美國助推段反導的一個新成員（圖6），可從多類作戰(zhàn)飛機上發(fā)射，快速攔截敵方導彈。使用了硝酸羥銨（HAN）基單組元液體推進劑，統(tǒng)一提供軸向推進和姿/軌控動力。

圖6 NCADE空射攔截導彈及其液體單組元動力系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic of NCADE and its liquid monopropellant propulsion system

1.4 美國空間作戰(zhàn)用姿/軌控動力系統(tǒng)

美國以反導彈技術(shù)帶動其反衛(wèi)星技術(shù)，研制的反衛(wèi)星武器及其動力系統(tǒng)主要包括以下幾種。

1)KE-ASAT反衛(wèi)攔截器。其動力系統(tǒng)（圖7） 姿控發(fā)動機包括4臺30 N雙組元發(fā)動機和4臺5 N冷氣發(fā)動機，可實現(xiàn)兩檔姿態(tài)控制力。

2)NFIRE（近場紅外試驗）預警衛(wèi)星上加裝的EKV及其雙組元動力系統(tǒng)（圖8）。

3)XSS系列執(zhí)行監(jiān)視、干擾和攻擊等任務(wù)的試驗小衛(wèi)星及其雙組元動力系統(tǒng)（圖9）。

4)外大氣層攔截器（ERIS)。其動力系統(tǒng)的姿控發(fā)動機采用氦氣冷氣發(fā)動機，軌控發(fā)動機采用MON-3/MMH雙組元發(fā)動機，貯箱采用隔膜式貯箱。

5)“軌道快車”飛行器（圖10），用于驗證在軌交會、位置保持、伴飛、對接、燃料再加注和組件替換等技術(shù)，同樣可以實現(xiàn)對敵方衛(wèi)星的抓捕、干擾和撞擊等毀傷效果。

圖7 KE-ASAT反衛(wèi)攔截器及其動力系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.7 Picture of KE-ASAT and its propulsion system for attitude control

圖8 NFIRE衛(wèi)星攔截器及其液體雙組元動力系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic of NFIRE and its liquid bipropellant propulsion system

圖9 XSS衛(wèi)星及其液體雙組元動力系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic of XSS liquid bipropellant propulsion system

圖10 軌道快車飛行器及其動力技術(shù)示意圖Fig.10 Schematic of orbit express and its propulsion system

1.5 歐洲姿/軌控動力系統(tǒng)

法國和意大利研究的AETER-30（紫苑30）導彈（圖11）是PAMMS海基空防系統(tǒng)和SAMP/T陸基空防系統(tǒng)的通用導彈，采用固體姿/軌控發(fā)動機技術(shù)，利用高性能燃氣閥門控制推力輸出，工作時間約為1 s。另外，也在開發(fā)采用單組元動力系統(tǒng)的攔截器（圖12），突出了簡單、小型化及模塊化的設(shè)計思想。

1.6 俄羅斯反衛(wèi)武器系統(tǒng)

俄羅斯在冷戰(zhàn)時期也發(fā)展了反衛(wèi)武器，并進行了低軌目標的攔截試驗，其整體水平與美國基本相當。目前俄正在研究與其他國家所發(fā)展的反衛(wèi)星技術(shù)相稱的武器，據(jù)稱已經(jīng)有了這種武器的一些“基本的、關(guān)鍵的”部件。

圖11 紫苑30導彈Fig.11 Picture of AETER-30

圖12 歐洲動能攔截器及其動力系統(tǒng)模型Fig.12 Model of European kinetic energy interceptor and its liquid monopropellant propulsion system

2 主要關(guān)鍵技術(shù)

空間攻防武器動力系統(tǒng)具有輕小型化、快響應(yīng)、多次脈沖工作、高比沖和精確沖量控制等特點，研制需攻克的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面。

2.1 小型化模塊化設(shè)計技術(shù)

小型化模塊化設(shè)計可大幅度地降低動力系統(tǒng)的費用、減小尺寸和重量，滿足導彈結(jié)構(gòu)尺寸限制和減重的要求。

2.2 高室壓、快響應(yīng)及高比沖姿/軌控發(fā)動機技術(shù)

提高液體火箭發(fā)動機室壓可以有效減小發(fā)動機結(jié)構(gòu)尺寸和重量，減小發(fā)動機推力輸出延遲可以有效提高導彈制導精度，而提高發(fā)動機比沖則可以減少動力系統(tǒng)推進劑攜帶量，因此突破高室壓、快響應(yīng)且高比沖的姿/軌控發(fā)動機技術(shù)是姿/軌控動力系統(tǒng)研制的前提條件。

2.3 輕質(zhì)、快響應(yīng)閥技術(shù)

通過優(yōu)化閥設(shè)計，減小閥結(jié)構(gòu)尺寸和重量，提高閥響應(yīng)速度，才能滿足姿/軌控發(fā)動機的快響應(yīng)和精確沖量控制。

2.4 金屬隔膜推進劑貯箱技術(shù)

金屬隔膜貯箱能承受住推進劑的腐蝕，可保證推進劑加注后預包裝并長期貯存，這對于實戰(zhàn)武器極為必要。同時，金屬隔膜能夠在導彈高加速、大機動過程中穩(wěn)定地供應(yīng)推進劑，并能有效控制推進劑的動態(tài)質(zhì)心，利于提高姿/軌控精度。

2.5 動力系統(tǒng)增壓技術(shù)

動力系統(tǒng)增壓模式有常規(guī)的冷氣擠壓，也有新型的固體燃氣增壓、液體燃氣增壓和泵壓等多種模式。

3 未來發(fā)展趨勢

隨著空間攻防飛行器技術(shù)及其應(yīng)用范圍的不斷發(fā)展，要逐步實現(xiàn)零距尋的、大機動、長期在軌、智能可控且長期貯存等更為先進的目標，對動力系統(tǒng)提出了更高的要求。動力系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)冷氣恒壓擠壓式液體NTO/肼類雙組元姿/軌控動力系統(tǒng)仍將占主導地位。該系統(tǒng)比沖高，響應(yīng)快，推質(zhì)比高，系統(tǒng)簡單且易于貯存，目前在反導、反衛(wèi)等直接碰撞攔截武器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，將在未來的10～15年內(nèi)仍占據(jù)主導地位。

2)空間攻防武器的直接側(cè)向力控制需求將繼續(xù)牽引液體雙組元動力系統(tǒng)朝輕質(zhì)化、高性能、快響應(yīng)方向發(fā)展。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，固體姿/軌控動力系統(tǒng)得到優(yōu)先應(yīng)用。

3)液體推進劑逐步實現(xiàn)預包裝長期貯存。采用與推進劑長期相容的全金屬隔膜貯箱可以滿足液體推進劑加注后的預包裝長期貯存，實現(xiàn)空間攻防武器長期貯存和即時發(fā)射的最終目標。

4)低冰點推進劑技術(shù)急需突破。攻防武器全地域、全季候的作戰(zhàn)需要，對推進劑提出了低冰點的要求。目前國內(nèi)外正在開展雙組元和單組元低溫推進劑的研究。

5)凝膠推進劑發(fā)動機是發(fā)展方向之一。目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了多年的凝膠推進劑及發(fā)動機技術(shù)攻關(guān)，取得了顯著進展，但是這項技術(shù)距離工程應(yīng)用尚有一定距離，還需進一步解決諸如發(fā)動機啟動響應(yīng)問題和推進劑長期貯存穩(wěn)定性問題。

6)無毒化是動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。目前國內(nèi)外相繼開展了采用綠色無毒的單組元催化分解和雙組元推進劑組合的發(fā)動機技術(shù)研究，并取得了重大突破，但距離工程應(yīng)用還存在諸如安全性、單組元催化劑及推進劑配方等諸多技術(shù)難題，作為裝備使用還需解決地面貯存問題，后續(xù)將繼續(xù)開展相關(guān)的研究工作。

4 結(jié)束語

姿/軌控動力系統(tǒng)是空間攻防武器最重要的分系統(tǒng)之一，對提高飛行器的打擊精度具有不可替代的作用。國外在發(fā)展空間攻防武器的同時，在液體雙組元姿/軌控動力系統(tǒng)技術(shù)方面取得了重大進展，突破了小型化、姿/軌控發(fā)動機、閥門、貯箱及系統(tǒng)增壓等關(guān)鍵技術(shù)，并繼續(xù)朝輕小型化、快響應(yīng)、高性能、預包裝、低冰點、凝膠推進劑及無毒化等方向發(fā)展。

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