2016年國外航天與導彈前沿技術發(fā)展綜述

賈 平 張連慶 任 曄 劉 博 陳建光 孫 碩 （中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院）

2016年國外航天與導彈前沿技術發(fā)展綜述

Review on Cutting Edge Technology Development of Foreign Space and Missile 2016

賈 平 張連慶 任 曄 劉 博 陳建光 孫 碩 （中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院）

2016年，國外航天與導彈領域的前沿技術蓬勃發(fā)展。在導彈領域，助推滑翔高超聲速飛行器和吸氣式高超聲速導彈成功進行了飛行試驗，使高超聲速打擊武器實用化進程加速。在衛(wèi)星領域中，新型光學成像系統(tǒng)技術變革了傳統(tǒng)成像系統(tǒng)設計方式，在保證高性能的同時，正進一步追求輕質(zhì)、小型化；光頻原子鐘首次經(jīng)受了太空發(fā)射環(huán)境考驗，有望比現(xiàn)役星載微波原子鐘獲得更高的時頻穩(wěn)定性和精度；全球首個業(yè)務型衛(wèi)星激光通信載荷開始為低軌遙感衛(wèi)星提供穩(wěn)定、高速率、大容量數(shù)據(jù)實時中繼服務；先進自主在軌交會對接與指令機動技術在世界上首次進行了飛行試驗，航天器平臺智能化程度也不斷提升。在空間對抗領域中，高軌作業(yè)在軌服務空間機器人采取了公私合作方式發(fā)展，這有利于技術與經(jīng)濟效益最大化；“空間態(tài)勢感知體系架構”集成了多家軍、民、商用空間態(tài)勢感知系統(tǒng)，多方共享數(shù)據(jù)，極大地增強了空間態(tài)勢感知能力。在運載領域中，二級入軌垂直下降可重復使用運載器實現(xiàn)了一子級海上回收，一級入軌垂直下降可重復使用運載器實現(xiàn)多次回收；“協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機”發(fā)布了縮比驗證機發(fā)展路線圖，將使驗證成本更低。新研發(fā)的多尺度金屬超材料突破了在宏觀尺度保留納米級高物理性能的技術難題；太空增材制造技術首次在“國際空間站”上制造了小型實用產(chǎn)品，但適合空間站外太空環(huán)境的增材制造用原材料、金屬材料制造工藝等技術仍有待突破。

1 導彈

美國“微型碰撞殺傷”（MHTK）導彈在2次試飛中分別驗證了微型碰撞殺傷導彈空氣動力學性能以及與發(fā)射系統(tǒng)的集成度。該導彈實現(xiàn)了直接碰撞殺傷技術和導彈小型化技術等現(xiàn)有技術的顛覆性集成，用于試驗的彈體外形經(jīng)優(yōu)化后使靈活度提升了30%～40%，將顯著提升美軍以低成本應對彈藥大規(guī)模襲擊的攔防效能。

俄羅斯Yu－71助推滑翔高超聲速飛行器連續(xù)2次試驗成功，射程約6000km，最大飛行速度馬赫數(shù)約為20；3M22“鋯石”新型吸氣式高超聲速反艦導彈完成陸上首次發(fā)射試驗，射程約300～400km，飛行速度馬赫數(shù)達5～6。以上進展標志著俄羅斯高超聲速打擊武器技術取得了重大突破，實用化發(fā)展進程加速。

2 衛(wèi)星載荷

美國新型“蜘蛛”（Spider）微縮干涉光學成像系統(tǒng)利用微型透鏡陣列和光子集成電路替代了傳統(tǒng)結構復雜的光學成像系統(tǒng)，厚度和質(zhì)量僅為傳統(tǒng)系統(tǒng)的1/10，相同光學口徑下成像分辨率提高10倍以上。核心的光子集將為小衛(wèi)星等平臺提供輕質(zhì)、高分辨率的成像設備，拓展上述任務能力。美國“極端光學及成像”項目計劃結合光學系統(tǒng)設計、材料與制造，以及多尺度建模與優(yōu)化等多領域技術研發(fā)輕質(zhì)、小型高性能光學成像系統(tǒng)。方糖大小的小型光學元件可同時在可見光和紅外波段實現(xiàn)成像、頻譜分析、極化測量等功能。在保持高性能的前提下，使光學系統(tǒng)在尺寸、質(zhì)量和功率上減少1個數(shù)量級。

德國光頻原子時鐘在火箭發(fā)射和再入大氣過程中開展了試驗，證明了在經(jīng)歷極端加速力學環(huán)境、太空溫度變化后，在微重力環(huán)境運行的可行性。其中的光梳系統(tǒng)結構緊湊，解決了傳統(tǒng)光梳系統(tǒng)龐大復雜、難以星載的問題。比微波鐘具有更高的頻標穩(wěn)定度與精度，將為衛(wèi)星定位、導航、通信等提供新一代時頻標準。

全球首個業(yè)務型衛(wèi)星激光通信載荷歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)－A（EDRS－A）成功發(fā)射，并開始服務“哨兵”（Sentinel）系列衛(wèi)星。該系統(tǒng)在低軌衛(wèi)星與地球靜止軌道衛(wèi)星之間建立星間激光通信鏈路，最大作用距離為4.5×104km，最大數(shù)據(jù)傳輸速率達1800Mbit/s。該系統(tǒng)可使星間數(shù)據(jù)傳輸速率提高1倍以上，為低軌遙感衛(wèi)星提供穩(wěn)定的大容量數(shù)據(jù)實時中繼服務。星間激光通信技術已進入實用階段。

3 衛(wèi)星平臺

德國一顆微衛(wèi)星與另一顆立方體衛(wèi)星在世界上首次驗證了航天器能夠不依賴目標航天器發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)或者地面控制中心的數(shù)據(jù)，僅靠星上光學相機和試驗程序就能自主識別目標并與其交會的技術，最近交會距離達50m。該技術將節(jié)省地面遙控監(jiān)視成本，提高任務響應速度，可用于空間機器人自主探測并抓捕廢舊衛(wèi)星和空間碎片，甚至執(zhí)行近距偵察監(jiān)視任務。

美國和加拿大聯(lián)合利用一顆立方體衛(wèi)星—加拿大先進航天試驗納衛(wèi)星－4（CanX－4），通過無線電自主發(fā)送指令給另一顆立方體衛(wèi)星—加拿大先進航天試驗納衛(wèi)星－5，使其利用自身的推進系統(tǒng)執(zhí)行機動指令，提升了軌道高度，全程無地面人員參與。2顆衛(wèi)星均采用S頻段鏈路用于下行數(shù)據(jù)傳輸和星間自主通信，數(shù)據(jù)傳輸率范圍為32～256kbit/s。該技術有利于提升低成本地球軌道星座組網(wǎng)能力，經(jīng)濟效益顯著。

4 空間對抗

美國新提出的大型“機器人組裝模塊化空間望遠鏡”（RAMST）主要依靠空間機器人在太空組裝新概念大口徑空間觀測用航天器，通常需采用并聯(lián)多臂機器人或多個機器人配合完成穩(wěn)定裝配?？臻g機器人在軌裝配技術是推動包括大型空間望遠鏡在內(nèi)的大型高性能航天器發(fā)展的重要途徑，也將成為低成本快速部署航天器的有效手段。

美國“地球同步軌道衛(wèi)星機器人服務”（RSGS）項目計劃在未來5年以公私合作方式開展，擬研發(fā)和綜合演示高分辨率檢視、排除機械故障（展開故障）、輔助變軌、安裝附加有效載荷等在軌維護與服務航天器技術，為商業(yè)和政府在軌航天器提供相關在軌服務，將為在軌服務操作提供較全面的實踐與技術標準。復元－L（Restore－L）項目出臺詳細研究計劃，推進近地軌道空間機器人在軌加注技術發(fā)展，有望為美國陸地衛(wèi)星－7（Landsat－7）提供服務，首次實現(xiàn)近地軌道在軌加注技術的工程應用?？臻g機器人在軌加注技術將大幅提高衛(wèi)星軌道機動能力，增強執(zhí)行任務靈活性，延長在軌工作壽命。

美國“軌道瞭望”（O2）項目完成對7套空間態(tài)勢感知數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的集成，將構建史上最多元、最大規(guī)模的空間態(tài)勢感知架構。將多家軍、民、商用新型空間態(tài)勢感知系統(tǒng)集成后得到“系統(tǒng)的系統(tǒng)”，同時建立共享數(shù)據(jù)庫，開發(fā)高效數(shù)據(jù)處理和分析算法。將大幅提升近實時監(jiān)視太空環(huán)境、增強評估太空避碰風險和決策的能力，使精確性與經(jīng)濟可負擔性呈數(shù)量級提高。

5 運載火箭

美國獵鷹－9（Falcon－9）火箭首次實現(xiàn)了一子級海上浮動平臺垂直回收，后又多次回收成功，從而進一步驗證和提升了穩(wěn)定的海上著陸平臺、火箭返回著陸控制等技術；“新謝潑德”（New Shepard）火箭成功進行了3次重復使用飛行試驗，乘員艙安全著陸。獵鷹－9比“新謝潑德”回收技術更復雜，前者為兩級入軌，后者為單級入軌；前者箭體更細長因而控制難度更大，因飛行高度更高進而返回速度更高。多次回收試驗的成功標志著運載火箭子級垂直下降回收技術日趨成熟。

6 動力與能源

英國研制“佩刀”（SABER）發(fā)動機的公司發(fā)布了1/4縮比驗證機發(fā)展路線圖。該縮比驗證機采用單個火箭發(fā)動機噴管，更容易采用商用現(xiàn)貨部件，使驗證成本更低、速度更快。發(fā)動機具有吸氣推進和火箭推進2種模式，吸氣式模式有望將飛行器從靜止無縫加速至馬赫數(shù)為5，火箭模式可實現(xiàn)更高馬赫數(shù)的飛行以及太空飛行，可顯著降低液氧攜帶量，增強可重復使用運載飛行器水平起降靈活性。

俄羅斯研發(fā)的世界首臺液氧/煤油旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機全尺寸樣機完成了33次點火試驗，實現(xiàn)連續(xù)爆震，產(chǎn)生穩(wěn)定推力，發(fā)動機工作頻率達20kHz，驗證了旋轉(zhuǎn)爆震火箭發(fā)動機的技術可行性。爆震燃燒溫度高、熵增小，可大幅提高發(fā)動機熱循環(huán)效率；結構簡單、推重比大，將提升載荷運載能力，降低進入空間成本。

美國“先進全速域發(fā)動機”（AFRE）項目將發(fā)展能在馬赫數(shù)為0～5+范圍內(nèi)無縫工作的可重復使用、全尺寸碳氫燃料渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機（TBCC），能實現(xiàn)變循環(huán)工作的動力裝置，使飛行器在不同的飛行條件（亞聲速、超聲速、高超聲速）下都能獲得良好的推進性能，是高超聲速飛機的理想動力裝置。

美國以液氧/煤油為推進劑的小型液體發(fā)動機“盧瑟?！保≧utherford）開展了靜態(tài)點火試驗，標志著該發(fā)動機正式通過性能驗證，達到飛行需求。發(fā)動機由電池組驅(qū)動電機帶動燃燒劑泵和氧化劑泵，實現(xiàn)了推進劑增壓輸送。發(fā)動機的再生冷卻燃燒室、泵、主推進劑閥和噴注器等主要部件全部采用電子束熔融增材制造技術制造，這便于實現(xiàn)低成本、快速和批量制造，滿足小型運載火箭高頻度、快速發(fā)射需要。

德國新型銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換率達22.6%，刷新世界紀錄。薄膜太陽能電池具有質(zhì)量輕、耗材少、可彎曲、成本低等優(yōu)點，用于航天器太陽電池陣系統(tǒng)，可大幅降低電源系統(tǒng)質(zhì)量，提高太陽電池陣有效面積與功率。

7 材料與制造

美國新研發(fā)的橫跨7個數(shù)量級的輕質(zhì)、高強度、高彈性多尺度三維鎳合金超材料，實現(xiàn)了使較大宏觀尺度材料具有納米級高物理性能的突破。該材料通過新型增材制造工藝“大面積投影微立體光刻技術”來制備，同時具有輕質(zhì)、高強度、超彈性和空前的延展性，適合制造具有高性能要求的傳感器和電子設備，以及航天器結構等承力部件。

美國太空增材制造技術開始在“國際空間站”上制造實用產(chǎn)品，采用熔絲成型工藝，能以30多種聚合物為原材料，首次實現(xiàn)了工程應用。太空增材制造技術未來將與空間機器人技術結合，用于在完全真空環(huán)境中在軌制造大型航天器結構和零部件，實現(xiàn)在軌“即需即造”；也可用于在軌制造不方便在地球制造或運輸?shù)拇笮徒Y構系統(tǒng)。