微阻力多功能航天器的可行性研究與設(shè)計(jì)

朱相宇 趙天

(西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院,陜西西安 710068)

微阻力多功能航天器的可行性研究與設(shè)計(jì)

朱相宇 趙天

(西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院,陜西西安 710068)

“微阻力”無人空天作戰(zhàn)平臺利用強(qiáng)電壓電離空氣之后在上下表面之間產(chǎn)生的壓力差作為動(dòng)力,一改用燃料推進(jìn)的傳統(tǒng),但仍在空氣動(dòng)力學(xué)支持的范疇之內(nèi)。這樣一來就避免了燃料燃燒釋放的氣體對大氣的污染?？刂葡到y(tǒng)利用“自適表面活動(dòng)層”技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛行品質(zhì)的提高,靈敏度的加強(qiáng)。同時(shí)飛行器上裝備有攻擊系統(tǒng),對地球上任何目標(biāo)進(jìn)行有效的快速打擊,從而具有了對地、對空、對衛(wèi)星的全方位打擊能力,武器系統(tǒng)由氧碘化學(xué)激光器組成。激光武器具有射程遠(yuǎn)、威力強(qiáng)大、無法攔截等優(yōu)點(diǎn),十分適合裝備在空天武器上,而空天飛機(jī)較大的內(nèi)容積也正好為裝載激光武器較大的連帶設(shè)備提供了條件。而探測系統(tǒng)則利用廣域,及激光全息照相技術(shù)進(jìn)行深空探測及研究。

氧碘化學(xué)激光器 電離空氣 自適表面活動(dòng)層 紅外探測器 激光全息照相

目前，地球資源日益枯竭，大氣污染逐年增大，已嚴(yán)重影響了人們的生活。在這種背景下，作為零污染、零碳排放的新動(dòng)力火箭，摒棄以燃料提供動(dòng)力的方式，無疑讓人們看到了曙光。同時(shí)，省去燃料即減輕了飛行器重量。對于飛行器而言，不論是在航空領(lǐng)域還是航天領(lǐng)域，換用新型動(dòng)力能源，減輕其重量都是很重要的。因?yàn)闇p輕重量就意味著有更多難以實(shí)現(xiàn)的功能的難關(guān)有望被攻克，同時(shí)飛行器所需燃料也大大的減少，降低技術(shù)難度，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的問題不需要再納入考慮之中，很多由于能量的原因困擾人類阻礙航空航天發(fā)展的問題即可隨之迎刃而解。

1 總體設(shè)計(jì)

我們摒棄了發(fā)動(dòng)機(jī)，用“電”作為動(dòng)力。我們將飛行器上表面的空氣電離，使變?yōu)檎婵?，下表面空氣壓?qiáng)恒定不變，出現(xiàn)壓力差，以此提供升力。這是為了避免在設(shè)計(jì)背景中所提到的不利因素，利用無污染無碳排放的能源將飛行器推上天。

主體由完全相同的三個(gè)圓錐狀構(gòu)成，中間相連。每個(gè)“圓錐”上部附帶18個(gè)細(xì)管，細(xì)管表面絕緣，“細(xì)管”頂端導(dǎo)電。電流可以通過“細(xì)管”內(nèi)部傳至頂端。中間橢球部分為武器系統(tǒng)，內(nèi)置激光武器發(fā)射裝置，裝置可360度旋轉(zhuǎn)。

“微阻力”無人空天作戰(zhàn)平臺的三個(gè)完全相同的部分均可提供動(dòng)力，并通過改變各個(gè)部分產(chǎn)生的動(dòng)力的大小來改變飛行器的運(yùn)行方向。這個(gè)過程可以由精確的飛行器控制系統(tǒng)來完成。

多次出入大氣層，高速帶來的氣動(dòng)加熱可使機(jī)體局部溫度超過2000度，“微阻力”在主要受熱區(qū)域都以鎳基高溫合金為主要材料，并配以鈦合金、復(fù)合材料構(gòu)成組合型板結(jié)構(gòu)，夾層中還可利用傳熱率高的材料通過熱管效應(yīng)將熱量傳給流動(dòng)的冷卻劑來達(dá)到散熱效果。對于其他內(nèi)部材料，大量采用新型復(fù)合材料可減少整機(jī)結(jié)構(gòu)重量并增加機(jī)體強(qiáng)度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該飛行器由動(dòng)力系統(tǒng)，武器系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，探測系統(tǒng)組成。

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)

我們創(chuàng)新的主體主要在于動(dòng)力系統(tǒng)。改變正?；鸺械目諝鈩?dòng)力布局，但是其原理仍然在空氣動(dòng)力學(xué)范疇之內(nèi)，利用上下表面的壓力差產(chǎn)生強(qiáng)大動(dòng)力。

上表面安裝許多垂直于該表面的“細(xì)管”，在上表面上均勻分布。細(xì)管絕緣，底部連接飛行器上表面。給細(xì)管的頂部和飛行器的上表面之間加上強(qiáng)大的電壓，正負(fù)極之間的空氣會被電離。正負(fù)離子在電壓作用下向兩極靠攏，正離子向下部到表面與負(fù)極中和，負(fù)離子向上與正極中和，同時(shí)向兩級聚攏的離子受到同性之間排斥力的作用，也會被排出到周圍空氣中。這時(shí)候在細(xì)管的頂部和飛行器的上表面之間會產(chǎn)生瞬時(shí)的空氣極其稀薄的情況，而下表面的空氣壓強(qiáng)仍然為大氣壓強(qiáng)，此時(shí)在上下表面之前將出現(xiàn)壓力差。

2.2 控制系統(tǒng)

基于“自適表面活動(dòng)層”的材料技術(shù)使得控制面變?yōu)轱w行器與空氣存在剪應(yīng)力的面?！白赃m表面活動(dòng)層”使機(jī)身各關(guān)鍵部位都可控，配以高智能的計(jì)算系統(tǒng)，各個(gè)感觸點(diǎn)把信息傳向控制中樞系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)綜合計(jì)算后向感觸點(diǎn)返回電信號，使作動(dòng)器控制周圍活動(dòng)層做出相應(yīng)形變以達(dá)到對周身氣流的優(yōu)化，以最小的阻力代價(jià)換得飛行器的控制?？刂葡到y(tǒng)可智能地整動(dòng)力系統(tǒng)工作的信息，配合飛行狀態(tài)，通過讓左右兩個(gè)動(dòng)力裝置產(chǎn)生的壓力差不等而產(chǎn)生橫向力矩。這使得“微阻力”無人空天作戰(zhàn)平臺上的機(jī)載航空電子系統(tǒng)能夠直接綜合飛機(jī)外部傳送過來的戰(zhàn)場信息，從而實(shí)現(xiàn)在“無線電”靜默情況下隱蔽地對敵攻擊。

2.3 武器系統(tǒng)

“微阻力”武器系統(tǒng)由氧碘化學(xué)激光器組成。激光武器具有射程遠(yuǎn)、威力強(qiáng)大、無法攔截等優(yōu)點(diǎn)，十分適合裝備在空天武器上，而空天飛機(jī)較大的內(nèi)容積也正好為裝載激光武器較大的連帶設(shè)備提供了條件?！拔⒆枇Α睂Φ厍蛏先魏文繕?biāo)進(jìn)行有效的快速打擊，從而具有了對地、對空、對衛(wèi)星的全方位打擊能力，無論是戰(zhàn)術(shù)任務(wù)還是戰(zhàn)略任務(wù)都可出色完成?！拔⒆枇Α笨梢栽?小時(shí)內(nèi)對全球任一位置的目標(biāo)進(jìn)行精確打擊，即能執(zhí)行常規(guī)任務(wù)又能執(zhí)行戰(zhàn)略打擊任務(wù)，其高空高速的特性使敵方難以拿出有效的攻擊手段對其進(jìn)行壓制，從而達(dá)到戰(zhàn)略性威懾的目的。同時(shí)，作為一個(gè)可長時(shí)間留空的平臺，經(jīng)特殊改裝的“微阻力”還可執(zhí)行24小時(shí)預(yù)警、電子壓制、戰(zhàn)略偵查等任務(wù)，是一款通用性極強(qiáng)的裝備。

3 技術(shù)支撐

(1)空天飛機(jī)在返回大氣層時(shí)，會產(chǎn)生很高的溫度。能達(dá)到3000攝氏度。所以，隔熱防護(hù)非常重要。我們采用先進(jìn)的可重復(fù)使用的耐高溫復(fù)合材料，如：鎳基合金、難熔合金、金屬間化合物、陶瓷纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料、陶瓷及碳碳復(fù)合材料以及輕質(zhì)隔熱材料等。

隔熱防護(hù)技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)在于可靠的耐高溫材料、熱能轉(zhuǎn)化問題。

(2)“自適表面活動(dòng)層”技術(shù)。這種新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)取決種革命性的新型智能材料——活性聚合物，這是一種能夠在外加電場作用下，通過材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變而產(chǎn)生伸縮、彎曲、束緊或膨脹等各種形式力學(xué)響應(yīng)的新型智能高分子材料?？刂浦袠邢到y(tǒng)正式在感知周圍的氣動(dòng)參數(shù)后對各活動(dòng)層點(diǎn)發(fā)出電信號，使表面形成諸如擾流器的形狀來改善飛行性能，進(jìn)而讓飛行器在不同狀態(tài)分別滿足諸如跨聲速面積定律等結(jié)構(gòu)技術(shù)要求，大大提高了飛行品質(zhì)。

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