国外空间攻防武器动力系统技术发展概述

任建军

（上海空间推进研究所，上海201112）

0 引言

空间攻防是指针对空间目标，或者从空间对地面、海上目标采取的军事对抗行动，包含“反导”（含反弹道导弹和机动导弹）、“反卫”、“天对地打击”等形式，是当今世界空间技术与军事领域研究的焦点问题。

空间攻防的典型手段是采用动能拦截器（KKV）在轨道快速飞行的过程中自主导航、精确探测与制导控制，实现与目标的直接碰撞或精确相对运动，确保有效动能碰撞、可控或软杀伤目标。作战对象涵盖弹道导弹、临近空间高速飞行器、卫星（天基平台）、地面及海上高价值军事目标等。

姿/轨控动力系统是此类飞行器的重要组成部分之一，直接决定飞行器轨道修正和姿态稳定的精确性。本文主要阐述空间攻防武器动力系统的国外发展情况、主要关键技术和未来发展趋势。

1 国外发展情况

美国在空间攻防武器技术研究方面走在国际前列，以下对以美国为主的国外空间攻防武器动力系统的发展情况进行简述。

1.1 美国末段导弹防御系统用姿/轨控动力系统

美国战区高空区域防御（THAAD）导弹系统作战空域覆盖大气层内外，重点对射程在1 000 km至3 500 km范围内的弹道导弹实施拦截，现已正式装备。导弹使用了三轴稳定控制用快响应液体双组元姿/轨控动力系统（图1），其中4台大推力轨控发动机呈“十”字型集成结构，用于轨道直接侧向力控制；6台小推力姿控发动机呈双“T”字集成结构，用于滚转、俯仰、偏航姿态控制；双组元推进剂贮箱采用金属隔膜贮箱，可以有效控制飞行过程中推进剂动态质心从而提高姿/轨控精度，并保证推进剂长期贮存；高压气瓶采用碳纤维缠绕复合材料气瓶；总装结构件选用轻质复合材料。另外，正在开展凝胶化和可低温贮存推进剂技术研究，以进一步提高对环境温度的适应性和长期贮存性。

图1 THAAD导弹液体双组元姿/轨控动力系统照片Fig.1 Picture of THAAD liquid bipropellant propulsion system for orbit and attitude control

“爱国者-3” (PAC-3)导弹系统重点防御1 000 km以下射程的导弹，导弹采用固体姿/轨控动力系统 (图2)，外径255 mm，总质量约21.6 kg，由垂直于导弹轴线周面布置的180个固体姿控发动机组成，用于弹体旋转飞行过程中的单轴稳定控制。每台发动机仅重65 g，集成了燃药、点火器、燃烧室及喷管，一次性输出冲量51 N·s，工作时间23 ms。

图2 PAC-3导弹固体姿/轨控动力系统照片Fig.2 Picture of PAC-3 solid propellant propulsion system for orbit and attitude control

1.2 美国中段导弹防御用姿/轨控动力系统

“地基中段防御”（GMD）系统现阶段采用的动能拦截器EKV约重70 kg，动力系统为挤压式液体双组元系统（图3）。后续改进向“多、小型拦截器（MKV）”发展，重量约4～5 kg，其动力系统有双组元液体、单组元HAN液体和固体等多个方案，目前已完成双组元动力系统悬浮试验（图 4）。

图3 GMD导弹拦截器及其EKV动力系统照片Fig.3 Picture of GMD and its EKV liquid bipropellant propulsion system

图4 GMD导弹MKV动力系统悬浮试验照片Fig.4 Suspension experiment picture of GMD and its MKV propulsion system

“海基中段防御”（SMD） 系统以海军SMD宙斯盾军舰的大气层外拦截导弹标准-Ⅲ型（SM-3）导弹为代表，其固体LEAP战斗部采用了固体姿/轨控动力系统（图5），采用了多块装药式的燃气发生器结构，最大工作时间20 s。

图5 SM-3导弹及其固体姿/轨控动力系统照片Fig.5 Picture of SM-3 and its orbit and attitude control propulsion system using solid propellant

1.3 美国助推段导弹防御用姿/轨控动力系统

NCADE空射拦截弹是近来美国助推段反导的一个新成员（图6），可从多类作战飞机上发射，快速拦截敌方导弹。使用了硝酸羟铵（HAN）基单组元液体推进剂，统一提供轴向推进和姿/轨控动力。

图6 NCADE空射拦截导弹及其液体单组元动力系统示意图Fig.6 Schematic of NCADE and its liquid monopropellant propulsion system

1.4 美国空间作战用姿/轨控动力系统

美国以反导弹技术带动其反卫星技术，研制的反卫星武器及其动力系统主要包括以下几种。

1)KE-ASAT反卫拦截器。其动力系统（图7） 姿控发动机包括4台30 N双组元发动机和4台5 N冷气发动机，可实现两档姿态控制力。

2)NFIRE（近场红外试验）预警卫星上加装的EKV及其双组元动力系统（图8）。

3)XSS系列执行监视、干扰和攻击等任务的试验小卫星及其双组元动力系统（图9）。

4)外大气层拦截器（ERIS)。其动力系统的姿控发动机采用氦气冷气发动机，轨控发动机采用MON-3/MMH双组元发动机，贮箱采用隔膜式贮箱。

5)“轨道快车”飞行器（图10），用于验证在轨交会、位置保持、伴飞、对接、燃料再加注和组件替换等技术，同样可以实现对敌方卫星的抓捕、干扰和撞击等毁伤效果。

图7 KE-ASAT反卫拦截器及其动力系统照片Fig.7 Picture of KE-ASAT and its propulsion system for attitude control

图8 NFIRE卫星拦截器及其液体双组元动力系统示意图Fig.8 Schematic of NFIRE and its liquid bipropellant propulsion system

图9 XSS卫星及其液体双组元动力系统示意图Fig.9 Schematic of XSS liquid bipropellant propulsion system

图10 轨道快车飞行器及其动力技术示意图Fig.10 Schematic of orbit express and its propulsion system

1.5 欧洲姿/轨控动力系统

法国和意大利研究的AETER-30（紫苑30）导弹（图11）是PAMMS海基空防系统和SAMP/T陆基空防系统的通用导弹，采用固体姿/轨控发动机技术，利用高性能燃气阀门控制推力输出，工作时间约为1 s。另外，也在开发采用单组元动力系统的拦截器（图12），突出了简单、小型化及模块化的设计思想。

1.6 俄罗斯反卫武器系统

俄罗斯在冷战时期也发展了反卫武器，并进行了低轨目标的拦截试验，其整体水平与美国基本相当。目前俄正在研究与其他国家所发展的反卫星技术相称的武器，据称已经有了这种武器的一些“基本的、关键的”部件。

图11 紫苑30导弹Fig.11 Picture of AETER-30

图12 欧洲动能拦截器及其动力系统模型Fig.12 Model of European kinetic energy interceptor and its liquid monopropellant propulsion system

2 主要关键技术

空间攻防武器动力系统具有轻小型化、快响应、多次脉冲工作、高比冲和精确冲量控制等特点，研制需攻克的关键技术包括以下几个方面。

2.1 小型化模块化设计技术

小型化模块化设计可大幅度地降低动力系统的费用、减小尺寸和重量，满足导弹结构尺寸限制和减重的要求。

2.2 高室压、快响应及高比冲姿/轨控发动机技术

提高液体火箭发动机室压可以有效减小发动机结构尺寸和重量，减小发动机推力输出延迟可以有效提高导弹制导精度，而提高发动机比冲则可以减少动力系统推进剂携带量，因此突破高室压、快响应且高比冲的姿/轨控发动机技术是姿/轨控动力系统研制的前提条件。

2.3 轻质、快响应阀技术

通过优化阀设计，减小阀结构尺寸和重量，提高阀响应速度，才能满足姿/轨控发动机的快响应和精确冲量控制。

2.4 金属隔膜推进剂贮箱技术

金属隔膜贮箱能承受住推进剂的腐蚀，可保证推进剂加注后预包装并长期贮存，这对于实战武器极为必要。同时，金属隔膜能够在导弹高加速、大机动过程中稳定地供应推进剂，并能有效控制推进剂的动态质心，利于提高姿/轨控精度。

2.5 动力系统增压技术

动力系统增压模式有常规的冷气挤压，也有新型的固体燃气增压、液体燃气增压和泵压等多种模式。

3 未来发展趋势

随着空间攻防飞行器技术及其应用范围的不断发展，要逐步实现零距寻的、大机动、长期在轨、智能可控且长期贮存等更为先进的目标，对动力系统提出了更高的要求。动力系统未来发展趋势表现在以下几个方面。

1)冷气恒压挤压式液体NTO/肼类双组元姿/轨控动力系统仍将占主导地位。该系统比冲高，响应快，推质比高，系统简单且易于贮存，目前在反导、反卫等直接碰撞拦截武器领域得到广泛应用，将在未来的10～15年内仍占据主导地位。

2)空间攻防武器的直接侧向力控制需求将继续牵引液体双组元动力系统朝轻质化、高性能、快响应方向发展。在某些应用领域，固体姿/轨控动力系统得到优先应用。

3)液体推进剂逐步实现预包装长期贮存。采用与推进剂长期相容的全金属隔膜贮箱可以满足液体推进剂加注后的预包装长期贮存，实现空间攻防武器长期贮存和即时发射的最终目标。

4)低冰点推进剂技术急需突破。攻防武器全地域、全季候的作战需要，对推进剂提出了低冰点的要求。目前国内外正在开展双组元和单组元低温推进剂的研究。

5)凝胶推进剂发动机是发展方向之一。目前国内外已经开展了多年的凝胶推进剂及发动机技术攻关，取得了显著进展，但是这项技术距离工程应用尚有一定距离，还需进一步解决诸如发动机启动响应问题和推进剂长期贮存稳定性问题。

6)无毒化是动力系统技术发展的大势所趋。目前国内外相继开展了采用绿色无毒的单组元催化分解和双组元推进剂组合的发动机技术研究，并取得了重大突破，但距离工程应用还存在诸如安全性、单组元催化剂及推进剂配方等诸多技术难题，作为装备使用还需解决地面贮存问题，后续将继续开展相关的研究工作。

4 结束语

姿/轨控动力系统是空间攻防武器最重要的分系统之一，对提高飞行器的打击精度具有不可替代的作用。国外在发展空间攻防武器的同时，在液体双组元姿/轨控动力系统技术方面取得了重大进展，突破了小型化、姿/轨控发动机、阀门、贮箱及系统增压等关键技术，并继续朝轻小型化、快响应、高性能、预包装、低冰点、凝胶推进剂及无毒化等方向发展。

[1]张宏安,叶定友,郭彤.固体动能拦截器研究初探[J].固体火箭技术,2002(4):6-8.

[2]李世鹏,张平.轻型动能拦截器固体控制发动机方案分析[J].推进技术,1999,20(2):99-102.

[3]潘宏辉.动能拦截武器动力系统的发展现状[J].空间推进,2007(1):15-18.

[4]刘旭蓉.美军的动能武器发展现状[J].中国航天,2008(6):41-44.

[5]KLIGER J J,O'DELL K P,ALIEN B D.CKEM propulsion optimization,AIAA2001-3604[R].USA:AIAA,2001.

[6]PRINS W,SPENCER A,ROBERTS J.SM-3 SDACS flight test successes,AIAA2003-4664[R].USA:AIAA,2003.

[7]JANKOVSKY R S.HAN-based monopropellant assessment for spacecraft,AIAA96-2863[R].USA:AIAA,1996.

[8]REEDBrian.Material compatibility testing with HAN-based monopropellants,AIAA2001-3696[R].USA:AIAA,2001.

[9]DIPPREY N F.Orbital express propellant resupply servicing,AIAA2003-4898[R].USA:AIAA,2003.