空天飛機：從夢想到現實

尹懷勤

俄羅斯《觀點報》網站2015年10月5日報道：俄設計師宣布研制出空天飛機發動機。這是一種新型的航空航天動力裝置，它顯露了軍民兩用的空天飛機即將問世的曙光，因而引起了人們的關注。

早就定名的空天飛機

早在20世紀50年代，我國著名科學家錢學森就提出了研制空天飛機的設想。顧名思義，空天飛機是一種身兼航空與航天兩種職能的飛行器。它既采用飛機使用的吸空氣式發動機，可在大氣層中飛行，又采用航天器使用的火箭發動機，能在太空中環繞地球運行。它的突出特點是，可從普通機場跑道起飛，不斷加速，使飛行速度達到高超聲速，不僅能沖出大氣層進入太空遨游，而且能在完成軍民兩用航天任務后再入大氣層，在普通機場水平著陸。

發展空天飛機的主要目的就是在既可達到多用途設想的同時，又能大大降低前往太空和返回地球的運輸費用。空天飛機返回地面經簡單維修、重新加注推進劑后就能再次升空，復飛間隔時間短，可以重復使用幾十至幾百次，還不用專門的航天發射設施，這是目前世界上一次性使用的宇宙飛船和已經退役的可多次部分重復使用的航天飛機都無法做到的。

動力：沖壓發動機

多數空天飛機，在大氣層中飛行時主要使用沖壓發動機作為動力裝置。

和飛機上應用的渦輪噴氣式發動機工作原理一樣，沖壓發動也是靠吸收空氣中的氧氣，燃燒本身攜帶的燃燒劑生成燃氣，高速向后噴出產生反作用推力而工作的；不同之處是沒有壓氣機和燃氣渦輪，進入燃燒室的空氣是利用高速飛行時沖壓作用來增壓的。理論研究表明，其最高速度可達23倍聲速。

沖壓發動機通常由進氣道、燃燒室、尾噴管三大部分組成。航空器飛行時迎面氣流在通過進氣道的過程中將動能轉變為壓力能，經壓縮后的空氣進入燃燒室與燃燒劑混合進行等壓燃燒，生成的高溫燃氣在噴管中膨脹加速后排出，產生推力。這種發動機在飛行速度大于3倍聲速的條件下使用，有較高的經濟性。其缺點是只有飛行器達到一定飛行速度后才能啟動工作，不宜作為普通飛機的動力裝置。其噴出氣流的速度比進口的空氣速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飛行器向前運行。氣流噴出速度愈大，推力也就愈大，速度能夠遠遠超出其他吸空氣式發動機，所以空天飛機多選用它為航空飛行階段提供主要推力。

2002年7月30日，澳大利亞試驗了一種應用于高超聲速飛機的沖壓發動機，獲得基本成功。2004年3月27日，美國航宇局進行了采用沖壓發動機的X-43A無人駕駛飛行器的飛行試驗，也曾達到7倍聲速的飛行速度。澳美試驗的沖壓發動機都是用液氫作為燃燒劑的。2010年5月26日，美國波音公司制造的沖壓發動機驅動的高超聲速X-51A“乘波者”飛行器首飛成功，這是由惠普公司研制的。鑒于大推力渦輪噴氣發動機和火箭發動機技術早已大量投入實際使用，隨著高超聲速沖壓發動機的研制成功，空天飛機也就會隨之出現。

脈動噴氣發動機

——空天飛機的推進器

俄羅斯戰略火箭兵彼得大帝軍事學院發言人于2015年10月5日表示，該院謝爾普霍夫分院已經研制出用于軍民兩用空天飛機的發動機。他解釋說：“研制航空火箭混合發動機的任務已經完成。發動機包括在飛機和火箭兩種狀態下工作的動力裝置。”

這就說明，俄羅斯研制出的用于空天飛機的發動機，是由直流式脈沖燃燒室、攝像機、火箭發動機構成的。直流式脈沖燃燒室又稱為脈沖發動機或脈動噴氣發動機。這也是一種構造較為簡單、可以發出很大推力、適用于高空高速飛行的空氣噴氣發動機。這種動力裝置是俄羅斯航空航天科研人員的一種創新。

脈沖發動機的前部裝有單向活門，之后是含有燃油噴嘴和火花塞的燃燒室，最后是特殊設計的長尾噴管。工作時，首先把壓縮空氣打入單向活門，促使氣流進入燃燒室，然后油嘴噴油，火花塞點火燃燒，隨即高壓火焰燃氣從長尾噴管噴出，產生反作用推力；在燃氣噴出后，由于燃氣流的慣性作用，雖然燃燒室內的壓強同外面大氣的壓強相等，仍會繼續向外噴射，故而在燃燒室內造成空氣稀薄的現象，使壓強顯著降低到小于大氣壓時，前面的空氣再次打開單向活門流入燃燒室，噴油點火燃燒，開始第二個循環過程。這樣周而復始，發動機便可繼續工作了。

脈沖發動機與沖壓發動機的主要區別在于它的噴氣是間歇性的，并且在低速時也可以使用，而沖壓發動機的噴氣是連續性的，只能在高速時使用。應該說脈沖發動機比較容易啟動，而沖壓發動機只有達到超音速后才能啟用。但是脈沖發動機對燃燒劑的質量、燃燒室和機體的強度都提出了更高的要求。一般國家尚不具備研發的技術實力。

這種空天飛機能從普通機場起飛，在空中巡邏并執行太空作戰任務，比如攔截彈頭、摧毀太空目標。在完成任務后，再返回大氣層。在組合動力裝置上安放攝像機，除拍攝觀察發動機工作狀況、空天飛機飛行前程外，還可及時發現對方有關的太空動態。顯而易見，俄研制空天飛機的主要意圖也是用于軍事上的。

空天飛機是一項重大的科技創新，在它問世之后，能夠達到完全重復使用和大幅度降低航天運輸費用的目的，被稱為21世紀最有前途的革命性航空航天成果之一。

（責任編輯：司明婧 責任校對：曹偉）