空天飞机,

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空天飞机

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航空与航天两大技术存在不可分离

的联系和很强的互补性。因为无论什么航

天器进出太空，都必须穿越大气层与空气

打交道，后者显然属于航空技术范畴。航

空与航天紧密联系的必然结果，就导致了

人们对一种既能在大气层内飞行，又能在

大气层外航行、水平起飞、水平降落的新

型飞行器的构想，这就是“航空航天飞机”，

简称“空天飞机”。

60年代初，就有人对空天飞机作过一些探索性试验，当时它被称为“跨大气层飞行器”。由于当时的技术、经济条件相差太远，且应用需求不明确，因而中途夭折；

80年代中期，在美国的“阿尔法”号永久性空间站计划的刺激下，一些国家对发展载人航天事业的热情普遍高涨，积极参加“阿尔法”号空间站的建造。据估计，空间站建成后，为了开发和利用太空资源。向空间站运送人员、物资和器材等任务每年将达到数千次之多。这些任务如果用一次性运载火箭、载人飞船或航天飞机来完成，那么一年的运输费用将达到上百亿美元。为了寻求一种经济的天地往返运或系统，美、英、德、法、日等国纷纷推出了可重复使用的天地往返运输系统方案。

1986年，美国提出研制代号为X-30的完全重复使用的单级水平起阵的“国家航空航天飞机”，其特点是采用组合式超音速燃烧冲压喷气发动机。英国提出了一种名叫“霍托尔”单级水平起降空天飞机，其特点是采用一种全新的空气液化循环发动机。90年代，他们又提出了一个技术风险小，开发费用低的新方案。德国则提出两级水平起降空天飞机“桑格尔”，第一级实际上相当于一架超音速运输机，第二级是以火箭发动机为动力的有翼飞行器。两级都能分别水平着陆。法国和日本也提出过自己的空天飞机设想。

80年代末，这股空天飞机热达到高潮。也激起了中国航空航天专家的很大兴趣。

发展空天飞机的主要目的是想降低空天之间的运输费用。其途径归纳起来主要有三条：一是充分利用大气层中的氧，以减少飞行器携带的氧化剂，从面减轻起飞重量；二是整个飞行器全部重复使用，除消耗推进剂外不抛弃任何部件；三是水平起飞，水平降落，简化起飞（发射）和降落（返回）所需的场地设施和操作程序，减少维修费用。

但是，经过几年的研究分析，科学家们发规，过去的估计过于乐观。实际上。上述三条途径知易而行难。需要解决的关键技术难度决非短时间内能突破，这些

空天飞机-关键技术

1．新构思的吸气式发动机

因为，空天飞机的飞行范围为从大气层内到大气层外，速度从0到M=25，如此大的跨度和工作环境变化是目前现有的所有单一类型的发动机都不可能胜任的，从而也就使为空天飞机研制全新的发动机成为整个项目的关键。

众所周知，喷气式发动机需要在大气层中吸入空气，无需携带氧化剂，但无法在大气层外工作，且实用速度较小；而火箭发动机自带氧化剂，可以工作在大气层内外，使用速度范围较广，但携带的氧化剂较笨重，比冲小。目前设想的空天飞机的动力一般为采用超音速燃烧冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+火箭发动机的组合动力方式。但超燃冲压发动机的研制上存在相当多的技术问题，而多种发动机的组合方式又使结构变得过于复杂和不可靠。

2．计算空气动力学分析

航天飞机返回再入大气层的空气动力学问题，曾经耗费了科学家们多年的心血，作了约10万小时的风洞试验。空天飞机的空气动力学问题比航天飞机复杂得多。因为飞机速度变化大，马赫数从0变化到25；飞行高度变化大，从地面到几百公里高的外层空间；返回再入大气层时下行时间长，航天飞机只有十几分钟，空天飞机则为l～2小时。

解决空气动力学问题的基本手段是风洞。目前，就连美国也不具备马赫数可以跨越这样大范围的试验风洞。即使有了风洞还需要作上百万小时的试验，那意味着就是昼夜不停地试验，也需要花费100多年的时间。于是，只能求助于计算机，用计算方法来解决，而对那维尔斯托克斯方程的求解目前尚存在，许多理论上和计算速度上的问题。

3．发动机和机身一体化设计

当空天飞机以6倍于音速以上的速度在大气层中飞行时，空气阻力将急剧上升，所以其外形必须高度流线化。亚音速飞机常采用的翼吊式发动机已不能使用．需要将发动机与机身合并，以构成高度流线化的整体外形。即让前机身容纳发动机吸人空气的进气道，让后机

身容纳发动机排气的喷管。这就叫做“发动机与机身一体化”。

在一体化设计中，最复杂的是要使进气道与排气喷管的几何形状，能随飞行速度的变化而变化，以便调节进气量，使发动机在低速时能产生额定推力，而在高速时又可降低耗油量，还要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能，以使它在返回再入大气层的过程中，能经受住高速气流和气动力热的作用，这样才不致发生明显变形，才可多次重复使用。

4．防热结构与材料

空天飞机需要多次出入大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热，特别是以高超音速返回再入大气层时，气动加热会使其表面达到极高的温度。机头处温度约为1800摄氏度，机翼和尾翼前缘温度约为1460摄氏度，机身下表面约为980摄氏度，上表面约为760摄氏度。因此，必须有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。

空天飞机在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力、振动、空气动力等的作用，在返回再入阶段要经受颤振、科振、起落架摆振等的作用。在这种情况下，防热系统既要保持良好的气动外形，又要能长期重复使用，维护方便，所以其技术难度是相当大的。

目前的航天飞机，由于受气动加热的时间短，表面覆盖氧化硅防热瓦即可达到满意的防热效果，但对空天飞机则远远不够。如果单靠增加防热层厚度来解决问题，则将使重量大大增加，而且防热层还不能被烧坏，否则会影响重复使用。一个较简单的解决办法是在机头、机翼前缘等局部高温区，使用传热效率特别高的吸热管来吸热，以便把热量转移到温度较低的部位。更好的办法是采用主动式冷却防热系统，也就是把机体结构与防热系统一体化，即把机体结构设计成夹层式或管道式，让推进剂在夹层内或管道内流动，使它吸走空气对结构外表面摩擦所生成的热量。

为了满足空天飞机的防热要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工艺制造纯度很高、质量很轻的耐高温合金。美国已研制出高速固化钛硼合金，它在高温下的强度可达到目前使用的钛合金在室温下的强度，这种合金适宜用来制造机身内层结构骨架。

机头与机翼等温度最高的部位，要求采用碳复合材料，这种复合材料表面有碳化硅涂层，重量轻，耐高温性能好。此外，还需要研究金属基复合材料，例如碳化硅纤维增强的钛复合材料等。这种材料应该兼有碳化硅的耐高温性能，又具有钛合金的高强度特性。

空天飞机技术难度大，所需投资多，研制周期长，所以将来进入全尺寸样机研制，势必也会象空间站那样采取国际合作的方式。

航天飞机与空天飞机

航天飞机，其原意为太空穿梭机。美国人在完成阿波罗登月计划后，紧接着实施空间站计划，1973年5月发射了“天空实验室”实验性空间站，并为此研制了航天飞机，作为可重复使用的天地往返运输系统，逐步取代了一次性使用的运载火箭。在当时的技术条件下，要使整个航天飞机系统都能重复使用，有很大困难。因此，美国将其分为三部分：轨道飞行器可重复使用100次，固体火箭助推器可重复使用20次，外挂燃料箱为一次性使用。但是，直到198l年4月，航天飞机才试飞成功，而且以后的飞行表明，并没有达到降低运输费用的目的。主要是解决防热、安全等技术问题，并降低发射、维护费用。

除美国外，世界上计划进行航天飞机研制的还有：苏联(俄罗斯)的“暴风雪”号航天飞机，其轨道飞行器可重复使用，它由一次性使用的“能源”号火箭发射，返回时像飞机一样水平着陆；1988年10月，无人驾驶轨道试飞成功后，计划被取消。欧洲航天局的“赫尔墨斯”航天飞机计划，也放慢了步伐。日本计划的“希望”号无人驾驶航天飞机，也只进行了缩比模型试验。

空天飞机是航空航天飞机的简称。它是一种能完全重复使用的天地往返运输系统，使用空气喷气发动机，像飞机一样从地面水平起飞，在30公里以上达到5~6倍音速时，使用冲压空气喷气发动机；在90公里左右高度时，达到25倍音速；在大气层内做洲际飞行，也可转而使用火箭发动机进入太空轨道；返回时像飞机一样水平着陆。

实现空天飞机的技术难度比航天飞机更大，主要是三种动力装置的组合和切换，高强度、耐高温的材料(高速飞行时，其头锥温度可达2760℃，机翼前缘达1930℃，机身下也可达1260℃)和具有人工智能的控制系统等。这些都需要进行大量的研究和技术攻关。

航天飞机普通化与普通飞机航天化

技术难度和资金短缺，使各国的空天飞机计划难有进展。如英国的“霍托”号空天飞机，最终也与德国的“桑格尔”空天飞机一样，先由大型飞机驮至高空，然后从飞机上起飞进入太空。美国也决定重新确定国家空天飞机(NASP)计划进程，暂不研制X－30验证机，而先研究解决技术问题。

最近一段时间，关于空天飞机试验的消息又不时传来。分为两种情况，一种是纯粹空天飞机试验，如美国国家航空航天局，计划对新研制的极超音速X-43A无人机进行最后一次试飞，以验证其技术性能和指标。这一次试飞的目标，是为检测这种飞机能否在10倍音速的条件下飞行。另一种是以最先进的普通战斗机进行执行某些航天任务的试验，以使这类普通战斗

机带有某种空天飞机的特征。例如，继美国利用L－1011型运载飞机和B－52飞行实验室承载“飞马座”运输航天系统，将重量为347公斤的STEP－1型卫星送上地球轨道。俄罗斯也计划利用米格－31重型歼击机发射小型卫星，即把米格－31作为向低轨道发射卫星的第一级“可返回式火箭”。米格－31现在可以将8~10吨的火箭携带到20多公里的高度，保证其发射初速达到3000公里/小时。

上述情况反映出一种趋势，不仅存在着航天飞机向普通飞机转换的工业路线，而且也存在着普通飞机向航天飞机转换的工业路线，使高性能军用飞机向着兼具航天功能的方向发展。这种趋势预示着未来高性能战斗机将具有航天功能，这将是第六代战斗机所要实现的革命性跨越。可多次使用的航天发射载具——空天飞机将是建立外层空间基地的主力军。

空天飞机发展的基本动因

航天飞机普通化与普通飞机航天化的空天飞机研制，其实是航空航天技术、卫星技术发展和航空航天军事竞争的结果，同时也有航天市场需求的牵引作用。

航空航天技术的发展推动空天技术融合。过去，当航天工业中使用的钛合金应用到飞机上时，飞机的强度(包括抗磨擦、抗高温、抗过载负荷等)大增，从而使飞机飞行高度、速度、灵活性和飞行距离都大为提高。当前，随着航天火箭发动机安全可靠性的增强，以及航天生命维持系统、航天新材料等的日益成熟完善，使飞机可以利用航空航天二元动力方式、航天密闭舱和生命维持系统来制造。美国的极超音速X－43A无人机可以视为一种火箭，而俄罗斯拥有的高度灵活变轨战略导弹，也可以视为一种无人机。

卫星小型化，为高性能飞机作为卫星发射平台、起到第一级“可返回式火箭”的作用奠定了基础。现在，轻型卫星已越来越成为主流，因为电子技术的快速发展，使计算机体积和重量大为减少。据统计，21世纪初，100~300公斤级卫星的发射数量减少了35%；相比之下，计划发射的1~100公斤级卫星的数量增加了68%；到2010~2015年，重量为1~100公斤的卫星最终将成为主流。同时，由于新技术的快速发展，在轨卫星的使用寿命增加，所需发射的运载火箭数量减少，现有的固定式发射系统从商业角度讲是极不合算的。换言之，以空天飞机为手段的近地太空航空航天系统，其未来商业潜力十分巨大，可能在10~15年后排挤纯航空系统的地位。

更为重要的是，航空航天的军事竞争不断加剧。今后，不可能在同温层以上、大气层上下边缘留出“一片净土”，于是导致要发展既不像美国航天飞机那种只能执行纯航天任务，又不像米格－29只能执行传统空中作战任务的新型航空器。因此，空天飞机将破壳而出。如果作为反战略导弹的一环，空天飞机的长处是既可像其他太空拦截武器一样，在外层太空待命，

又具有部署和攻击的更大自主性和灵活性；如果是作为卫星空中发射平台，可以放弃制造和使用原有的发射系统，提高发射地点的灵活性和时间选择的时效性。由于运载火箭发射往往需要提前很长时间进行计划，准备周期较长，而进行小型卫星的快速发射，并组建必要的轨道集群，可以快速获得信息优势。如果能作为对空、对地作战平台，空天飞机的作用则更不可小视。用空天飞机仰射或平射击毁其他航天器，优势显然比从地面或同温层以下空中发射导弹要明显，也比从固定在轨平台发射动能或定向能武器更具技术简便性。用空天飞机潜入大气层攻击地面目标，显然也要比普通飞机突然和隐蔽。空天飞机在轨飞行时是不需要消耗燃料的，做变轨飞行和姿态调整时也只需消耗很少的燃料，在用副油箱性质的助推火箭发射升空后，如果生命维持系统跟得上，它可以用做较长时间的空中战斗值班，这也是普通飞机望尘莫及。

当然，在国际军力对比极不平衡的情况下，无论是从效用性、时效性和应用范围来看，还是从制造和使用的成本角度来说，纯粹空天飞机的未来角色，主要还在于战略威慑和执行特殊任务，不可能像普通军用飞机一样批量生产和成建制列装。而具备空天飞机特征的第六代战斗机，则更具有实际意义。因此，就目前而言，不少国家都把注意力放在发展高性能飞机执行航天任务上 。