浅谈航空航天技术的未来发展趋势

（1）先进战斗机

F-22和F-35代表了未来先进战斗机的技术发展方向，世界许多航空大国也在发展相似技术水平的新一代战斗机。俄罗斯空军的第五代歼击机又称为MFI，是多用途前线战斗机的字头缩写，是截止针对美国F-22战斗机进行设计的。为了第五代歼击机而开发的1.44验证机和S-37验证机也代表未来战斗机先进技术的发展趋势。俄罗斯米高扬设计局研制的1.44验证机就其作战效能来看，可以与美国的F-22相匹敌。1.44验证机在工程发展阶段的编号为1.42,1999年1月12日，米格1.44首次公开亮相，并与2000年2月29日完成了首飞。它采用全动前翼的鸭式布局，具备隐身和超声速巡航能力。S-37（Su-37）是俄罗斯苏霍伊设计局研制的具有隐身功能的第五代歼击机的技术验证机，于1997年9月25日首飞，飞机采用前掠翼的三翼面布局，使用具有推力矢量能力的发动机。在超视距攻击方面，俄罗斯空空导弹的有效射程优于美国的远距空空导弹。

（2）无人驾驶侦察与作战飞机

无人驾驶飞机(UAV)具有重量轻、尺寸小、成本低、机动性高和隐蔽性好等特点,适宜于在高危险区域执行任务,以降低飞行员的生命危险。随着电子、控制和导航技术的飞速发展,无人机的军事用途扩展到侦察、监视、通讯、反潜、骚扰、诱惑、炮兵校正、电子对抗和对地攻击等。海湾战争、科索沃战争、阿富汗战场和第二次对伊战争中,美国的“捕食者”、“全球鹰”等无人机被大量应用。无人战斗航空器(UCAV)构想将在比有人系统低得多的全寿命周期费用下为先进空中力量增加战术威慑,美国计划将UCAV武器系统作为2010后军力结构的一个完整组成部分,初期作战目标是作为有人飞机的有机补充,通过在处于安全地区的操作员控制其执行对敌防空压制(SEAD)任务来支持攻击计划。在2002年的阿富汗战场上,美军使用Tier-2“捕食者”无人驾驶飞机向基地组织的车队发射了“海尔法”空地导弹。UAV和UCAV毫无疑问将成为未来航空器发展热点。如图1-1所示为美国的“全球鹰”战略无人侦察机。

(3)大型和超声速运输机

随着空中旅行需求的不断增加和美军全球快速部署战略的实施,大型或巨型旅客机和运输机已经开始研制,如欧洲空中客车公司的A380具有双层客舱,载客量达到550人,如图1-2所示。

国外也有了1000座级别的巨型飞翼布局的运输机方案。超声速空中旅行一直是许多人的梦想,虽然已经有了第一代超声速运输机(SST),但由于经济性差和噪声问题没有解决,运营很不成功。载客量超过300人,以2~2.5倍声速巡航的第二代SST的发展已经受到了航空大国的高度重视。

(4)空天飞机

空天飞机是一种既能在大气层内飞行,又能在外层空间航行的水平起降飞行器。1986年,美国提出研制代号为Ⅹ-30的重复使用单级入

轨水平起降的“国家空天飞机”计划,接着俄、英、德、法、日等国纷纷推出了各自的可重复使用航天运输系统方案。空天飞机计划实现后,人类将可在2小时内到达地球任意地方。新概念吸气式发动机、高超声速空气动力学、机身和发动机一体化设计以及耐高温结构与材料方面的突破是成功硏制空天飞机的基本保证。空天飞机的主要目的就是实现安全和低费用的地球轨道航天运输,从而促进人类对太空的商业开发和民用探索,其潜在军事用途也是显而易见的。

(5)微型航空器

微型航空器（MAV）是一种适用于排或排以下战斗单位的新式武器装备，满足野外分散部队和城区作战需要。要求最大尺寸不超过150mm、重量100g左右、有效载荷约20g、飞行速度50km/h左右、航时大于20min。低雷诺空气动力设计、机载设备微型化及其系统综合微型动力、自主飞行以及数据传送和人机交互等均为MAV的关键技术领域MAV有固定翼、旋翼及扑翼三种气动布局形式。美国国防部先进研究计划局( DARPA,又译“国防部预研局”)主持开发的微型航空器，许多西方国家也对MAV产生了极大的兴趣。

(6)新概念和特种航空器

这类航空器是指非常规或非常规空气动力布局的各种航空器。利用地面效应结合动力增升装置研制的地效飞行器,可高效地掠水面飞行,俄罗斯在地效飞行器方面具有较大的技术优势。结合飞机与直升机特点、勿需跑道的倾转旋翼机,如美国的V-22,也有广泛的军民用市场。斜置翼、环形翼、连翼、双机身等特殊布局飞机以及我们现在还没有任何概念的特殊航空器将成为今后的研究内容或发展方向

2. 航空科学技术的未来发展趋势

(1)空气动力学

空气动力学一直是航空器设计考虑的关键内容,目的是如何提高未来飞机的性能。飞机机翼表面流动的层流化是提高飞机巡航升阻比的最有效技术手段。从绕翼型流动的边界层来看,翼表面有转捩点,转捩点前为层流,之后转变为湍流,要得到实用的层流化机翼设计方法必须弄清楚附面层的转捩机理。超声速运输机和空天飞机的空气动力设计需要减少激波阻力和降低“声爆”的影响,要研究新的气动布局方案。高速飞机在起飞着陆状态下的低速气动设计也是工程设计中亟待解决的问题。

计算流体力学(CFD)仍然是研究重点,欧拉和N-S方程的数值求解与网格生成技术继续受到关注。在试验空气动力学中需要解决支承和洞壁的影响、高超声速风洞试验、低速风洞的风速均匀与稳定性以及高精度的非接触测量系统等问题。空气动力机理研究方面,低雷诺数空气动力学、仿生空气动力学以及对湍流、转捩、分叉、漩涡与漩涡相互作用等流动现象的研究将仍然是未来的研究前沿课题。发展飞机的空气动力学应该是理论、精致实验和CFD的结合。

(2)推进技术

今后一段时间的发展目标仍然是提高热机和推进效率、降低燃油消耗、提高推力级、减轻重量、减少排放、降低噪声、增加可靠性、禔髙使用寿命和减少维护工作量。亚声速客机用的发动机,要大幅度地提高增压比和涡轮进口温度,增大涵道比或采用无涵道桨扇。利用CFD技术设计风扇、压气机和涡轮,改进燃烧室以降低排放量,采用主动控制技术来提高压气机效率和喘振裕度,用磁悬浮轴承以减轻重量。总体热力循环参数设计、一体化高空低雷诺数燃烧室、夏材料风扇、低耗油翠设计等都是今后的发展方向。组合发动机、超燃冲压发动机、脉冲爆震波发动机以及其他新概念或非常规发动机的原理研究也是这一领域的重点。

(3)材料和结构

金属行料仍然是今后民用飞机机体的主要用材,因而要发展铝锂合金,在不降低寿命的条件下提高材料的比刚度、韧性和抗腐蚀能力,同时也要开展高比强度材料的研究与开发。研究和发展实用的复合材料结构的设计、分析、制造、检验和修理方法,研究复合材料的损伤容限机理和实用的无损探伤技术。研究和开发耐高温树脂基和陶瓷基复合材料利用复合材料特点开展“智能结构”研究,实现结构颤振和载荷的主动控制。进一步开展先进结构寿命预测方法和结构分析软件的研究与开发。

(4)航空电子与控制

为提高航空器的运送能力,要充分利用各种来源的导航信息,实施航迹的跟踪与管理。为实现全天候起降,要建立可靠的防撞系统。研制新的风切变探测裝置及其回避系统。在座舱显示系统方面,要增加显示信息和数据,增强视景画面,利用语音控制来提高飞行员的操作正确性。

未来的民用飞机也要采用主动控制技术,实现放宽静稳定、突风减缓和载荷降低。

(5)总体综合设计

航空器总体设计是一个涉及诸多学科的复杂系统工程,寿命周期与可承受性的考虑使得总体综合设计更具挑战。多学科设计优化(MDO)技术有助于获取一个最优的或平衡的设计方案,气动隐身、气动/结构、结构/主动控制以及更多学科的一体化设计无疑是该领域未来的发展方向。总体方案的可行性、可存活性和可承受性方面的研究也将受到关注。

(6) 其他

认知工程,隐身、战斗生存力与作战效能研究,电子样机与虚拟设计技术开发,飞机和发动机的光传操纵,低污染环保设计,先进机载雷达,飞机和外挂物管理系统,反设计技术等都是航空科学技术领域未来的研究和发展重点。

3.航天技术的发展趋势

在新的世纪,太空将进一步成为国家安全和国家利益的重点考虑对象。大力发展军事和商业航天,夺取和保持太空优势地位,是21世纪超级大国和地区性强国所追求的重要目标。

(1) 运载火箭

在运载火箭方面,仍以提高运载能力和可靠性、简化操作程序和降低发射成本为今后的目标。运载火箭的发展主要体现在两个方面,首先是进一步改进现有的一次性运载火箭,第二是发展新型可重复使用的空间往返系统。

美国正在研制的改进型一次性运载火箭(EELV)就是改进运载火箭的代表。新一代王ELV是由美国空军同波音公司联合研制的“德尔它”ⅣV重型火箭,该运载火箭长72m,重725t,低地球轨道运载能力为23000kg,地球同步转移轨道的运载能力为13600kg,它将成为美国国家航空航天局(NASA)计划于2008年发射的轨道空间飞机(OSP)的首选运载工具。洛克西德·马丁公司的“宇宙神”5号一次性运载火箭也是发射“轨道空间飞机”的选择之二。这类运载火箭采用基于商用硬件的推力器模块等技术,发射成本比现有火箭低。

美国也在研制可重复使用运载器,旨在降低天地往返成本。在众多方案中,最有名的当属1996年启动的X-33,它是“冒险星”单级入轨可重复使用运载器的1/2比例技术验证机,计划用它在无人驾驶情况下做低轨道试验,它可以单级入轨,从而能大大降低发射成本,估计其发射费用仅为目前的10%。但由于该计划风险太大,研制进程一再推迟,美国于2001年3月取消了这一计划,并考虑新的方案。目前,美国惟一在研制中的可重复使用运载火箭是“基斯特勒K-1”型运载器,由NASA资助1.35亿美元在未来几年内进行4次飞行试验。由于当前发射航天器价格昂贵,每千克有效载荷的发射费用高达10000美元至30000美元,限制了太空资源的广泛应用,可重复使用运载工具的研制,希望把这一成本降低到每千克2000美元或1000美元。

(2)人造地球卫星

人造地球卫星将加快更新换代的速度和进一步扩大应用范围。

人造地球卫星将向越来越大和越来越小两个方向发展:一方面,综合型高功率大型卫星平台最终将演变成一种被称为“空间平台”的新型航天器;另一方面,质量在500~1000kg的小卫星、质量在100~500kg的超小型卫星、10-100kg的微型卫星和质量小于10kg的所谓纳米卫星将越来越受到重视,现已有人提出芯片卫星方案。

新型空间平台与人造地球卫星的不同点是有人照料、定期在轨维修和更换仪器、可加注燃料和补给品,因而具有寿命长、用途广的特点。而小型卫星具有研制周期短、体积小、性能好、可靠性高、发射灵活和不易被摧毁等一系列优点,尤其是由小卫星组成的星座,其功能比大型卫星更具吸引力。要使微型卫星和纳米卫星投入使用,必须先攻克集成公用模块技术(IUM)和微电子机电集成系统(MEMS)等关键技术。

地球同步轨道通信卫星的发展将以大功率、长寿命和高频段为主,卫星平台将实现模块化、集成化和系列化,并将广泛采用超大型天线、多点波束、功率按需分配等新技术,以实现卫星宽带、高速率通信。发展Ka波段或更高频段的高速率宽带低、高轨道星座系统,构筑太空信息高速公路,将成为今后一段时期的关注热点,因为它比光纤通信成本低,建造容易,是信息时代的重要力量。卫星激光通信技术的采用将大大加速全球太空信息高速公路的建成遥感卫星将向三个方向发展:大型综合系统、分布式小型遥感卫星星座和小型高分辨率商业遥感卫星。大型综合系统可同时利用多种遥感器,对地球的环境、资源、海洋和气象等全面观测;分布式小型遥感卫星星座可同时获得时空分辨均高的地球图像;而小型高分辨率商业遥感卫星则可灵活地满足各种用户需要。

导航定位卫星在国民经济中的应用将更为普及,并将不断采用新技术来提高定位精度和拓展卫星功能(如兼有通信功能)。

卫星应用的商业化和军事化趋势会进一步加强.比如,军事航天的任务将由目前的空间支援(发射和部署航天器)和力量增强(侦察,通信,导航等),转变为空间控制(保护己方航天系统、破坏敌方航天系统)和力量运用(从空中攻击地球),使空间从支援地球上陆,海,空部队价战的辅助战场,变成由地球上陆,海,空部队支援的主战场.有人认为,到2025年,大部分战争可能不是攻占领土,甚至不发生在地球表面,而是发生在太空或信息空间. 谁能控制太空或信息,谁就能取得优势。

(3)载人航天

未来的载人航天将分四步走。

第一步是在2005-2006年建造成“阿尔法”国际空间站(该工程可能会延期),使7名航天员在上面长期工作. 此后启动第二代国际空间站“贝塔”计划,建成后将作为更长期的宇宙飞行的中转站。

第二步建立空间基地。空间基地除具有空间站的全部功能外,还能对其他航天器进行加注燃料、维修更换仪器等在轨服务。 它配有轨道机动飞行器、轨道转移飞行器等,其中维修服务站是重要设施之一,站上有移动服务系统和各种维修工具,可用来装配大型空间结构,充分

发挥人的作用。 基地上还可建空间工厂,生产特殊材料和药品等,使载人航天进人真正的应用阶段。

第三步建立月球基地.月球上蕴藏着丰富的资源,尤其是有地球上没有的核燃料氦-3,如用它取代核聚变中的氘,不仅能解决地球上的能源危机,还可减少核污染几十倍。 根据有关资料介绍,月球上的氦-3蕴藏量达100万吨,其总能量相当于地球上已开发的所有矿物燃料的10倍。仅数十吨氦-3核聚变所产生的能量就可以满足地球21世纪需要的全部电能。月球的引力只有地球的六分之一,没有空气,用月球作行星际航天基地和天文观测站都十分理想。在月球上建造太阳能发电站,发电效率极高,日本已提出把月球发电作为一种新的产业,并设想用微波技术把电送回地球。在建立月球基地后,人们还能开发和利用月面资源,制造航天用推进剂等.理想中的月球基地为一个宽敞的密闭环境,其内部要有和地面上一样的温度压力和空气成分,在这个密闭环境中,人类和动物、植物共生在一起,氧气、水和食物互相循环转换,不需外界补给。多个发达国家都制定了有关的长远计划。

第四步为载人火星飞行。 火星是与地球最相似且距地球最近的九大行星之一,研究它对认识地球本身和整个太阳系都具有重要意义，尤其是对揭开生命的起源和演化进程很有帮助。载人火星飞行的关键技术是载人火星飞船生命保障系统的再生循环技术。 另外还要搞清在飞往火星的漫长旅途中(500多天),长期失重对人体的生理影响以及长期寂寞和孤独对航天员心理的影响等。

（4）空间天文探测

未来的空间天文探测将包括4个方面。首先是研究日地关系，弄清太阳为什么变化和是怎样变化的,地球与行星之间是怎样响应的,这种响应对人类有何影响。其次是探索太阳系,确定太阳系是如何形成的,生命的起源到底是什么,行星在整个历史中经历了哪些变化。第三是了解宇宙的结构和演变,探索宇宙中物质和能量间的循环。最后是分析宇宙的起源,弄清星系、恒星和行星系统是怎样形成的。

所有的天文卫星和无人宇宙探测器都将围绕这4个方面来研制,其中行星探测器的研制将遵循“更快、更好、更省”的方针。1989年发射的“伽利略”号土星探测器,已于2003年9月21日完成长达14年的太空探索使命,在地面操控下,坠毁于木星。北京时间2004年7月1日上午成功进入土星轨道的“卡西尼”号土星探测器是世界上最后一个大型探测器。

未来天文探测的重点是“主攻”日地关系,因为太阳释放的巨大能量和物质对日地空间及地球环境有着直接而强烈的影响,与航天技术的发展关系密切。另外,多卫星同时探测的规模会越来越大。比如为了弄清太阳的变化及其对人类的影响,美国和欧洲将发射16颗太阳观测卫星,其中6颗用于监测太阳变化,6颗监测地球空间对太阳变化的响应,其余的卫星则探测太阳风和4颗行星的大气状态。多星同时观测,可了解地球空间环境的时空变化,所以这些天文卫星既有满足时间分辨率要求的高轨道卫星,也有满足空间分辨率要求的低轨道的卫星。

美国于1998年10月24日成功发射了“深空”1号探测器,从而拉开了其“新盛世”计划的序幕。今后还将发射¨深空”2号、3号等空间探测器。“新盛世”计划的目的是进一步落实“更快、更好、更省”的发展方针,研制一批小型、低成本、自主工作的航天器,以满足在太空建立真正的无人探测研究基地的需要。发射“深空”1号的主要目的不在于对行星际星球目标进行科学探测,而在于对一批新技术在未来空间探测中的应用进行验证,在它发射头两年的飞行中,对用于未来飞行的12项新技术进行了试验,其中最重要的就是试验离子推进系统和自主导航系统。“深空”1号是世界上第一个以离子推进器为主要动力的空间探测器,它在离子推进系统工作期间,其自主导航仪能够通过扫描恒星体和小行星,测定自己所在的确切位置,并根据太阳电池阵产生电能的模型和器载设备耗功的情况,选择推力器的节流级,调节推力大小。

随着人类空间探测活动范围的扩大及探测任务进一步趋于多样化,深空探测的新型推进技术、探测器智能自主技术、新型传感器和载荷技术、测控与通信技术等都得到了长足的发展,并在深空探测活动中发挥了重要作用;有的还需要进一步研发,逐步在今后的深空探测计划得到实际应用。

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