空天飛機——未來航天新動向

萬永剛

當人類第一次將足跡跨出大氣層外時，航天員們乘坐的航天飛機在太空中看起來如同拖著火尾的白色長箭。數十年過去，長箭穿空的輝煌不斷延續，到“神舟七號”上翟志剛艱難的太空漫步，航天事業再次吸引了世界的目光。展望未來，也許在長箭之后，將是結合了航空航天兩者優勢的空天飛機的時代。

大鵬原自飛天出

當航空航天技術融合、衛星技術發展和航空航天軍事競爭，這三者相互推動，就出現了空天飛機的概念。所謂空天飛機是航空航天飛機的簡稱，它既可以航空，在大氣里飛行；又可航天，在太空中飛行，它的研制體現了航天飛機普通化與普通飛機的航天化。

當航天工業中使用的鈦合金應用到飛機上時，飛機的強度大增，從而使飛機飛行高度、速度、靈活性和飛行距離都大為提高。而隨著航天火箭發動機安全可靠性的增強，以及航天生命維持系統、航天新材料等的日益成熟完善，使飛機可以利用航空航天二元動力方式、航天密閉艙和生命維持系統來制造。美國的極超音速X－43A無人機就可以視為一種火箭，而俄羅斯擁有的高度靈活變軌戰略導彈，也可以視為一種無人機。

另一方面，衛星小型化、輕型化，為高性能飛機作為衛星發射平臺、起到第一級“可返回式火箭”的作用奠定了基礎。同時，由于新技術的快速發展，在軌衛星的使用壽命增加，所需發射的運載火箭數量減少，現有的固定式發射系統從商業角度講是極不合算的。換言之，以空天飛機為手段的近地太空航空航天系統，其未來商業潛力十分巨大，可能在10~15年后排擠純航空系統的地位。

更為重要的是，航空航天的軍事競爭不斷加劇，大氣層上下邊緣也不可能是“一片凈土”。當航天飛機只能執行純航天任務，普通戰斗機只能在大氣層內活動，那么勢必要出現空天飛機這樣的新型航空器。它既可以像其他太空攔截武器一樣，在外層太空待命，又具有更大的自主性和靈活性。它可以做靈活快速的衛星空中發射平臺，快速獲得信息優勢；還可以作為對空、對地作戰平臺，擊毀其他航天器；它還可以潛入大氣層攻擊地面目標，比普通飛機更加隱蔽?？仗祜w機在軌飛行時是不需要消耗燃料的，做變軌飛行和姿態調整時也只需消耗很少的燃料，在用副油箱性質的助推火箭發射升空后，如果生命維持系統跟得上，它還可以用做較長時間的空中戰斗值班，這也是普通飛機望塵莫及的。

九天太空任我行

空天飛機之所以能兼備航空與航天的功能，奧妙之處就在于它的動力裝置。它是飛機發動機和火箭發動機混合配置的動力裝置，包括渦輪噴氣發動機、沖壓發動機和火箭發動機，因此，空天飛機可以在一般的大型機場上起落。起飛時，渦輪噴氣發動機先工作，充分吸取大氣中的氧，水平起飛后，當速度超過2400千米／時，可以使用沖壓發動機，使空天飛機在離地面6萬米的大氣層內以30000千米／時的速度飛行；如果再用火箭發動機加速，燃燒自身攜帶的燃燒劑和氧化劑，空天飛機就會沖出大氣層，像航天飛機一樣，直接進入軌道。返回大氣層后，發動機工作順序相反，在一般的大型機場即可著陸。

長路漫漫競爭先

從上文我們可以看到，空天飛機是非常理想的航空航天飛行器，然而，它的研制過程并不順利。

首先，三種發動機聯合工作的結構非常復雜且不可靠，而研制存在很大的技術問題。要實現跨越大氣層飛行，空天飛機必須達到高超音速。所謂高超音速，是指飛行馬赫數大于5。而飛行馬赫數，是飛行器在空氣中的運動速度與該高度遠前方未受擾動的空氣中的音速的比值。簡單來說，就是飛行器速度與音速的比值，馬赫數大于1即為超音速。其次，空天飛機多次出入大氣層，機體與空氣劇烈摩擦產生高熱，要求裝備質輕高效且能反復使用的防熱系統，而航天飛機使用的氧化硅防熱瓦還無法達到要求。此外，還有大氣層上下的空氣動力學問題、發動機與機身一體化等等難題。

從20世紀80年代初開始，美國就開始著力研究發展高超音速技術。1985~1994年，美國實施了龐大的“國家航天飛機計劃”，大大推動了高超音速技術的發展，逐步掌握了馬赫數小于8的超燃發動機設計技術，并建立了大量的數據庫。1996年，洛克希德·馬丁公司開始實施空天飛機研制計劃，研制出樣機“X-33”。2002年，洛克希德·馬丁公司在沃魯普斯島成功進行了6萬磅探空火箭的飛行測試。到2025年，美軍將按照計劃研制出一架真正意義上的空天飛機，也就是極超音速巡航飛行器，這種飛行器可把衛星送入軌道，也可部署武器進行戰斗，飛行速度的馬赫數可達到15。其他國家也不甘落后，德國提出了“桑格爾”空天飛機方案，英國提出了“霍托爾”方案，法國、日本、印度等國家也提出了各自的空天飛機計劃。俄羅斯研制成功的高超音速新型飛行器——“針”空天飛機已公開亮相?！搬槨遍L8米，馬赫數為6~14，飛行高度2.6萬~5萬米，但還需經過4~5年后方可升空試驗。

可以想見，在未來數十年中，空天飛機是各國發展航空航天的重要方向，但由于資金技術的限制，還面臨著不少波折。要一睹空天飛機的英姿，還得期待科學家們的努力了。