沖擊大氣層

　　理想與現實
　　地球引力和大氣層是主要天然屏障，阻擋人類飛入太空的理想。人們一直在設想一種既能在大氣層內飛行，又能在大氣層外的太空航行，水平起飛、水平降落的新型航天器。這種能跨越大氣層的飛機就是航空航天飛機，簡稱“空天飛機”。
　　航天飛機的下一代將是空天飛機。空天飛機將不再使用液氧或液氫作為燃料，不再象航天飛機一樣使用火箭垂直起飛，而是像普通飛機一樣從跑道上水平起飛，水平降落。這種理想的空天飛機既能在大氣層內飛行，也能像航天飛機一樣在太空圍繞地球的近地軌道飛行，將飛機、運載器、航天器的功能集為一體，能自由出入大氣層。根據空天飛機的特點，空氣動力學與大氣層的關系決定成敗。
　　空天飛機按飛行高度和軌道分為軌道空天飛機、亞軌道空天飛機；按是否載人分為無人空天飛機、載人空天飛機。最初的空天飛機應該裝備火箭發動機，利用火箭發動機的巨大推力進入太空，以求能夠提供更短的起飛和更高的加速。
　　軌道空天飛機能在高空大氣層外進行超高聲速飛行、能圍繞地球飛行。軌道空天飛機的速度極快，進出大氣層時將產生高動壓、高溫，特別是空天飛機表面的高熱流，達2000℃～2500℃以上。這些負載通常需要特殊的熱保護材料或主動冷卻系統。
　　亞軌道空天飛機的最高速度低于一般典型的軌道飛行器，速度不快因此就不需要大量的熱保護。英國維珍公司的“太空船”已經進行過亞軌道飛行，成為太空探險的典范，為太空旅游開辟了航線。
　　空天飛機的優越性能和功能為人類提供方便快捷的進出太空。在軍事上，空天飛機可作為全球高超聲速運輸、洲際轟炸和戰略偵察，又可作為航天運載工具或太空武器，成為新一代的攻擊和防御力量。
　　為了飛上太空，空天飛機按目前技術一般裝備了3套發動機。起飛時使用噴氣發動機，像普通飛機一樣從地面水平起飛；在高度30千米以上達到5～6倍聲速時，使用脈沖爆震沖壓噴氣發動機；在90千米左右高度時達到25倍聲速，使用火箭發動機進入太空軌道。返回時使用空氣噴氣發動機，像普通飛機一樣水平著陸。當然，如果需要的話，空天飛機也可在大氣層內做洲際飛行。
　　空天飛機的技術難度比航天飛機更大，主要是三種發動機的組合與轉換，高強度、耐高溫的材料和具有人工智能的控制系統等，此外還要滿足在大氣層內外飛行對機體的不同要求。
　　空天飛機在使用脈沖爆震噴氣發動機時，發動機留給地面人員的是一連串的爆炸聲。裝有脈沖爆震發動機的飛機飛過高空，機身后留下的是一個個串聯起來的氣團，而不像一般的噴氣飛機的尾氣僅僅是一溜青煙。
　　在大氣層邊緣進行高速飛行時，空天飛機的機頭前面的溫度將近2800℃，機翼前面接近2000℃，機身下面也可達1200℃以上，從下方看去很像一個“火球”在天上飛行。而這種飛機很可能已經進行了絕密的試驗飛行。據說，有一次美軍一架“黑烏”偵察機正在以3倍聲速進行巡航，突然發現一個大火球從天而降，飛快的超過了他們的飛機。飛行員很是驚奇：我們已經是世界上飛得最快、最高的飛機，這個東西居然比我們飛的更快。等這架“黑烏”落地后，飛行員們想向長官描述剛才看見的景象，長官說：“你們好像什么也沒看見過。我也沒有聽見過，對吧？”飛行員們愣了一會，才回答說：“是，我們好像什么也沒有看見過，長官。”
　　飛入另一個空間
　　按照人類目前的技術水平，空天飛機是最理想的航天器，但空天飛機面臨的難題很多。空天飛機要突破大氣層，結構、材料、熱防護、冷卻、燃料、航電、導航等等成百上千個難題等待攻克和驗證，最主要的還是動力，采用什么水平的動力系統，決定了空天飛機能飛多高飛多快。
　　按照目前技術，空天飛機升空方式有一級起飛和二級起飛。
　　一級起飛是指空天飛機從普通機場起飛，突破大氣層進入太空，圍繞地球飛行，再從普通機場降落的飛機。一級起飛的空天飛機一般裝備三套發動機。一套噴氣發動機用于起降和空中飛行；一套沖壓噴氣發動機用于突破地球引力，提升高度；一套火箭發動機用于進入太空飛行。目前人們觀念中的“真正”的空天飛機是一級起飛方式。
　　二級起飛是指空天飛機搭載在另一架大型專用運輸機上，從普通機場起飛。當大型運輸機到達一定的高度，空天飛機從運輸機上釋放，利用已有的高度和速度進行“二次起飛”，并突破大氣層進入太空，然后從普通機場降落。二級起飛方式的飛機并非真正意義上的空天飛機，它一般只有兩套發動機，但其本身產生的動力水平達不到沖出大氣層的要求。
　　空天飛機不再依靠運載火箭搭載，改變了人類進入太空的模式，它不會像火箭那樣當空爆炸，并可重復起飛，安全性大大提高，使人們能更自由地出入大氣層。
　　太空航行的一小步
　　“蜀道難，難于上青天”，這是中國古代詩人發出的艱難的感嘆。現在，上青天已經不是問題了，而上太空又成為人類很難逾越的難題，絕不亞于古人的上青天。按照人類目前的技術水平，空天飛機是最理想的航天器，但空天飛機面臨的難題很多。
　　首先，空天飛機的速度變化大，從大氣層內到大氣層外，速度從0到25馬赫，這是一般的的發動機都不可能勝任的。超聲速沖壓式噴氣發動機，有許多技術上的挑戰。由于超聲速沖壓式噴氣發動機，只能在高空稀薄的大氣層中工作，而且工作時的速度必須超過聲速好幾倍，所以當飛機在起飛和降落時還得借助傳統的噴氣式發動機。由于太空中沒有氧氣，空天飛機必須要攜帶液氧在太空中使用。
　　第二，空天飛機的飛行高度變化大。空天飛機從地面到幾百千米高的太空，十幾分鐘時間要突破音障、克服超重、沖出卡門線、進入太空。返回時，再人大氣層的降落時間長。航天飛機只有十幾分鐘，空天飛機為1～2小時。
　　第三，高度流線型的外形。當空天飛機以6倍于音速以上的速度在大氣層中飛行時，空氣阻力將急劇上升。所以，空天飛機需要將發動機與機身合并，必須有高度流線型的外形。讓前機身容納發動機吸入空氣的進氣道，讓后機身容納發動機排氣的噴管。這叫做發動機與機身一體化。
　　第四，空天飛機必須有一個重量輕、性能好、能重復使用的防熱系統。空天飛機需要多次出人大氣層，每次都會由于與空氣的劇烈摩擦而產生大量熱量。特別是返回再入大氣層時，高超聲速與大氣層產生劇烈摩擦，飛機表面達到2000℃以上的高溫。往往像一個火球一樣闖出大氣層。
　　美國宇航局正在開發一種鉿或者鋯硼化物的陶瓷材料。這種材料也許可以幫助航天器抵御再人大氣層時的高溫。這些材料可以經受2800℃的高溫，但是卻十分易碎而且笨重，因此目前科學家正在研究怎樣提高防熱又要減少重量的好方法。
　　前進兩步，后退一步
　　冷戰時期，美國為了在太空競賽中奪得制勝權，秘密制定“動力翱翔”計劃。“動力翱翔”計劃就是研發一種可以執行多種太空任務，包括偵察、轟炸、空間營救、施放衛星、維修衛星和攻擊敵人衛星的航天器。
　　“動力翱翔”計劃分為兩大部分：X-20太空飛機和“大力神”號運載火箭。它們采用1+1的組合方式。“土星”號運載火箭負責發射和運載，X-20太空飛機負責太空作戰任務：當時“土星”號運載火箭具有前所未有的爆發力，而X-20也是前所未有的最先進的太空飛機。5年里，美國波音公司設計了三種組合的“動力翱翔”航天系統：X-20與“大力-1”系統：X-20與“大力神-2”系統和X-20與“大力神-3C”系統。最后，美國空軍決定應用X-20與“土星-3C”系統。
　　X-20太空飛機是一種載人太空轟炸機，頭部呈圓拱形，無尾三角翼，機翼后掠72°，翼尖上折充當垂直安定面，可以超過5馬赫的高超聲速飛行。“X-20”的框架和機身上部由特種合金制成：機身下部由經過隔熱處理的多層鉬箔制成：機鼻尖錐由耐高溫的石墨和氧化鋯制成。
　　X-20太空飛機乘坐1名宇航員，長度10，77米，翼展6.34米，空重4715千克，最大起飛重量5165千克，采用一臺火箭發動機，推力323千牛。X-20性能十分優越：最高速度28165千米/時，地球軌道運行時航程為40700千米，實-用升限160千米。
　　“大力神-3C”火箭運載爆發力超強，負責運送X-20太空飛機。“大力神3C”火箭運載是在“大力神-2”改進后升級版火箭，可選用2枚或多枚固體火箭助推器。“大力神3C”經常代表美國空軍發射重型衛星，主要用于發射美國軍事載荷和情報機構的偵察衛星，以及各種系列的國防通信衛星。“大力神3C”火箭運載發射X-20太空飛機時不用整流罩保護，在分離時簡單方便。X-20外面掛有耐高溫的防熱層，因為在火箭頭部是產生氣動熱量最多的部分。
　　X-20太空飛機的靈感來源于二戰期間納粹德國的亞軌道轟炸機“銀烏”。在美國的“回紋針”行動中，德國科學家瓦爾特·多恩伯格林來到美國。他模仿“銀烏”計劃，提出“超聲速滑翔火箭武器系統”。一名乘員坐在機艙里，后面是儀器艙。儀器艙包括各種探測器、武器和偵察儀器，或者是一個能載4個人的艙室。
　　X-20太空飛機將會被“大力神-3C”送過卡門線，而其第三級火箭會將X-20送入太空軌道。X-20在低軌道飛行時，飛的不是圓形的軌道，而是一條高低起伏的波浪形軌道。
　　當“X-20”到達軌道最高點時，就按拋物線沿著地球方向下降：再入大氣層時，飛機保持高超聲速，機翼仍能產生很高的升力，經過引力加速后再次飛出大氣層。如此循環往復，直到最終失去高度和動力。這種方法能使飛機飛很遠，能到達世界上任何地方：同時飛得高從而很難被截擊。X-20飛機飛行、作戰和降落，都由航天員操縱。
　　1957年10月24日，X-20太空飛機計劃開始實施。美國空軍委托貝爾、波音、道格拉斯、馬丁、北美、共和和洛克希德等公司研究“X-20”，共分為三步：1，試驗機，無人飛行：2，偵察機，繞地球1圈：3，在偵察機的基礎上加上轟IdJZaXuVbi30bXIyI8a/BQ==炸能力的太空飛機，繞地球1圈以上。
　　1960年4月，美國空軍秘密挑選7名飛行員，培養為X-20太空飛機的試飛員和航天員，其中包括后來第一位登上月球的尼爾·阿姆斯特朗。
　　這里有一個有趣的傳聞：一天，當時身為美國空軍試飛員的阿姆斯特朗正氣憤地大罵長官不讓他參加新飛機的試飛，而那位長官剛好來到阿姆斯特朗的身后，他正要從這些試飛員中挑選一名航天員。長官安靜地等阿姆斯特朗罵完，然后平靜地問到：“罵完了嗎？”阿姆斯特朗受此驚嚇，甚至沒有按規定向長官敬禮。
　　長官問：“你怕死嗎？”
　　“有點怕，長官。”
　　“那你就去飛一種會死人，死后回不來的飛機。”
　　后來，阿姆斯特朗調到卡納維拉爾角空軍基地培訓學習，1962年，正當尼爾·阿姆斯特朗準備試飛太空飛機時，卻被秘密分配到美國宇航局，參加“阿波羅”登月計劃。
　　美國空軍原來預定進行10次試飛，1963年X-20首次滑翔飛行：1964年，動力飛行，速度計劃達到18馬赫；1968年，X-20多功能武器系統開始測試。按計劃，X-20太空飛機都將從佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發射。
　　設想很先進，理論很正確，但美國空軍遇到很多麻煩：空間力學、火箭的安全性、宇航員的承受力、令人質疑的實用性和已經花費了6，6億美元巨資，因此美國空軍很難說這是一個最好的計劃。最終，1963年12月10日，X-20計劃被宣布終止，X-20也從沒飛上天，但卻成為航天飛機研制的“先行者”。“動力翱翔”計劃中的數據和試驗極大地幫助了航天飛機的設計。航天飛機繼承了X-20太空飛機的高貴血統和先進理念。
　　1960年～1980年代以來，美、蘇、法、英、德、日、以色列和印度等國家，都曾制定過空天飛機研制計劃。因為空天飛機能飛入太空，能圍繞地球進行洲際飛行，所以，很容易應用在軍事上。如果一架空天飛機攜帶了幾枚核彈頭，成天在各個國家的頭頂上飛來飛去，這能嚇住所有地球人。許多國家都想先擁有空天飛機。各國悄悄研制空天飛機已成為公開的秘密。
　　空天飛機技術難度和資金短缺，各國的空天飛機計劃很少進展。原來設想“一步登天”，從機場起飛，直接飛上太空。科學家發現航天技術還達不到這樣高的水平，試驗結果事與愿違，就實事求是地知難而退，只能前進兩步，后退一步。
　　科學家研究用2種方法升空，一種還是用火箭作為運載工具，像航天飛機一樣趴在火箭上，或者坐在運載火箭的頭頂上升空。最終由于這種載人航天器還是要搭載火箭起飛，不是真正的空天飛機，而且技術復雜困難重重。這些計劃先后都中止了。
　　因此，現在都在研究采用“二級起飛”方法：先由大型飛機馱至高空，然后從飛機上起飛進入太空。雖然這種載人航天器不能一次升空，但至少是水平起飛水平降落，這樣離真正意義上的空天飛機反而更近了一點。
　　能飛多遠就多遠
　　人類能飛多遠？茫茫宇宙的奧秘永無窮盡，對宇宙的探索也永無止境。人類在一百年的時間內，了解了宇宙航行的基本知識，實現了沖出地球的能力。人類像一個幼兒，已經學會了站立和走路，離開跑步還遠嗎？
　　現在，世界許多國家的宇航專家都在研究各種快速、安全、可重復的航天器。到2008年，十多種空天飛機正在研制、試飛、驗證中，美國的空天飛機已經飛上了太空、長時間飛行，甚至連英國維珍公司等私人研制的飛機，已經飛出卡門線。
　　未來10年，人類的航天技術將有重大突破。隨著科技的進步和新型材料的出現，人們希望利用核聚變技術的核動力發動機，一次將空天飛機送上太空。空天飛機將十分簡便地穿梭于天地之間，如同坐飛機一樣安全方便。總有一天，人類會發現、創造出更先進的動力，不會像現在以千米作為飛行的單位，而是以光年作為飛行的單位。人類將會不斷超越自我，越飛越