世界主要空天飛行器研制情況及未來發(fā)展趨勢

唐紹鋒 張靜 （中國運載火箭技術研究院）

世界主要空天飛行器研制情況及未來發(fā)展趨勢

Development Status and Trend of the World 's Major Aerospace Vehicles

唐紹鋒 張靜 （中國運載火箭技術研究院）

空天飛行器（Aerospace Vehicle）是航空航天飛行器的簡稱。美國國家航空航天局（NASA）航空航天技術術語詞典和麥格勞-希爾科學與技術術語詞典對空天飛行器的解釋為“在可感大氣層內外都可以飛行的一類飛行器”，即既能航空又能航天的飛行器。一般來說，將海拔100km高度的卡門線作為航空與航天的界線。所以空天飛行器是指既可以在海拔100km以下又可以在海拔100km以上飛行的飛行器。

本文從商業(yè)和軍事兩方面闡述了空天飛行器的研究意義，介紹了空天飛行器研發(fā)所必須要突破的關鍵技術和世界代表性空天飛行器項目的研制情況，并對空天飛行器的未來發(fā)展趨勢做出了預測。

1 研究意義

商業(yè)意義

發(fā)展空天飛行器可以大大降低空天之間的運輸費用。據(jù)估計，空天飛行器的運輸費用至少可以降到航天飛機的1/5，甚至可降到1%，其實現(xiàn)途徑歸納起來主要有三點：一是充分利用大氣層中的氧，以減少飛行器攜帶的氧化劑，從而減輕起飛質量；二是整個飛行器全部重復使用，除消耗推進劑外不拋棄任何部件；三是水平起飛，水平降落，簡化起飛（發(fā)射）和降落（返回）所需的場地設施和操作程序，不受發(fā)射窗口限制，減少維修費用和管理調度成本。

空天飛行器不僅可以向空間站等空間系統(tǒng)補充人員、物資、燃料，提供在軌服務，把空間站內制成的產品運回地球，還可以搭載乘客進行太空旅行，使人們觀賞到旖旎的太空風光，為人們提供在地球上無法獲得的體驗。基于空天飛行器的高速能力，乘坐它可以大大減少旅行時間，方便快捷地到世界的任何地方看望朋友或進行商業(yè)旅行。此外，空天飛行器還可以對自然災害進行快速響應。

軍事意義

在軍事上，空天飛行器可以在大氣層內外自由飛行，如果將它發(fā)展成一種全新的航空航天轟炸機、戰(zhàn)斗機和運輸機，其作戰(zhàn)區(qū)域將是整個地球乃至近地空間。它能在1～2h內突破任何地面防御系統(tǒng)，從空間對陸、海、空目標實施精確打擊，即具備了全球快速打擊能力。而且，空天飛行器可以長期在太空部署，可以對敵方的衛(wèi)星、宇宙飛船，甚至太空站實施打擊。只要裝備簡單的機械手，空天飛行器就能將敵方衛(wèi)星俘獲；裝備導彈后，空天飛行器就能成為標準的太空戰(zhàn)機。空天飛行器是比航天飛機更為靈活、速度更快、戰(zhàn)斗力更強并且功能更多的一種新概念太空武器。

2 關鍵技術

空天飛行器是航空航天相結合的飛行器，需要研制國在航空和航天領域同時具備很高的技術水平。經過多年的研究探索，科學家和工程師們發(fā)現(xiàn)，研制空天飛行器是一件“知易而行難”的事情，所需關鍵技術的難度并不像過去所估計的那么樂觀，不是短期內就能取得突破的。空天飛行器研制主要有以下關鍵技術。

1）氣動設計分析技術。空天飛行器的最大問題之一就是其空氣動力學性能。空天飛行器的飛行范圍是從大氣層內到大氣層外，速度從0到馬赫數(shù)25。由于如此大的空間、速度跨度和工作環(huán)境變化，飛行器設計必須要滿足幾個相互矛盾的要求。解決空氣動力學問題的基本手段是風洞，然而世界上暫時還不具備馬赫數(shù)可以跨越這樣大范圍的試驗風洞。即使有了風洞，為了得到數(shù)據(jù)還需要做上百萬小時的試驗，這意味著即使晝夜不停地試驗，也需要花費超過100年的時間。所以利用數(shù)值計算技術進行氣動設計分析是解決空氣動力學問題的必要手段，而對納維-斯托克斯（N-S）方程的求解，目前還存在許多理論上和計算速度上的問題。

2）推進系統(tǒng)研發(fā)技術。空天飛行器所面對的大空間、速度跨度和工作環(huán)境變化是現(xiàn)有的所有單一類型發(fā)動機都不可能勝任的，所以全新的推進系統(tǒng)也是空天飛行器研發(fā)的關鍵技術之一。推進系統(tǒng)最重要的特性是比沖量。眾所周知，噴氣式發(fā)動機比沖量大，可以在大氣層中吸入空氣，無需攜帶氧化劑，但無法在大氣層外工作，而且有馬赫數(shù)約為5.5的速度上限；而火箭發(fā)動機自帶氧化劑，可以在大氣層內外全程工作，使用速度范圍較廣，但攜帶的氧化劑質量較大，比沖量小。設想的空天飛行器的推進系統(tǒng)一般采用超燃沖壓發(fā)動機與火箭發(fā)動機，或渦輪噴氣發(fā)動機、沖壓噴氣發(fā)動機與火箭發(fā)動機的組合動力方式。然而超燃沖壓發(fā)動機的研制目前還存在很多的技術難題，而且多種發(fā)動機的組合方式會使推進系統(tǒng)變得過于復雜而可靠性降低。

3）材料與結構設計技術。空天飛行器需要多次出入大氣層，每次都會由于與空氣的劇烈摩擦而產生大量氣動加熱，特別是以高超聲速再入大氣層時，氣動加熱會使其表面達到極高的溫度。在飛行時，飛行器頭部和機翼前緣的表面溫度可達2760℃。在這種情況下，航天飛機上的防熱瓦塊式熱防護系統(tǒng)就不再適用了，必須在開發(fā)新材料的基礎上開展原創(chuàng)性的結構設計，以給飛行器配備一個質量輕、性能好、能夠重復使用的熱防護系統(tǒng)。除此之外，空天飛行器在起飛上升階段要經受發(fā)動機的沖擊力、振動、空氣動力等作用，在返回再入階段要經受顫振、抖振、起落架擺振等作用。在多種工況復合作用下，熱防護系統(tǒng)既要保持良好的氣動外形，又要能夠長期重復使用，維護方便，所以其設計具有相當?shù)募夹g難度。

4）一體化設計技術。空天飛行器除起飛加速階段外，其他階段的飛行速度都很高，當其以馬赫數(shù)超過6的速度在大氣層內飛行時，空氣阻力將急劇上升，所以其外形必須高度流線化。亞聲速飛機常采用的翼吊式發(fā)動機已不適用，需要將發(fā)動機與機身合并，以構成高度流線化的整體外形，即讓前機身容納發(fā)動機吸入空氣的進氣道，讓后機身容納發(fā)動機排氣的噴管，實現(xiàn)發(fā)動機與機身一體化。在一體化設計中，最復雜的是要使進氣道與排氣噴管的幾何形狀能夠隨著飛行速度的變化而變化，以便調節(jié)進氣量，使發(fā)動機在低速時能產生額定推力，而在高速時又可降低耗油量，還要保證進氣道有足夠的剛度和耐高溫性能，以使它在再入大氣層的過程中能夠經受住高速氣流和氣動加熱的作用。

3 代表性項目研制情況

目前，美國、俄羅斯、歐盟、英國及日本都在空天飛行器的研發(fā)方面有較大的投入。然而，從能夠看到的資料分析，目前世界上所有在研的空天飛行器都還未取得實質性成功，還處在研究及發(fā)展階段。

美國

美國開展的空天飛行器研發(fā)項目占全球總數(shù)的50%以上。1982-1985年，美國在國防高級研究計劃局（DARPA）的主持下開展了“國家航空航天飛機”（NASP）方案的可行性研究工作，旨在研發(fā)一種可以水平起飛和著陸的單級入軌飛行器，X-30是NASP的一個先進技術演示試驗飛行器。X-30對機身和發(fā)動機進行了一體化設計，鏟形前機身產生沖擊波，以在空氣進入發(fā)動機之前對其進行壓縮；后機身設計成集成噴嘴的形式以擴大排氣；前后機身中間配置1臺超燃發(fā)動機。根據(jù)設計，飛行器長度為48.8m，翼展為22.6m，總質量為136078kg，動力裝置為1臺超燃發(fā)動機，并且能攜帶1～2名航天員。盡管在必要的結構和推進技術方面取得了一些進展，X-30方案還是由于諸多技術難題和昂貴的開發(fā)成本于1993年停止。

世界主要空天飛行器項目

B-52飛機搭載X-43示意圖

取而代之的是X-43無人駕駛試驗飛行器。X-43繼承了X-30已突破的技術，但是規(guī)模要比X-30小，長度只有3.7m，質量約為1300kg，也采用超燃發(fā)動機作為動力。由于超燃發(fā)動機只能在馬赫數(shù)4.5或更高的速度范圍內運行，為了達到這一要求，X-43首先由B-52飛機搭載升空，在適當時刻與母機分離，依靠攜帶的“飛馬座”（Pegasus）火箭將自身速度提升至超燃發(fā)動機可以工作的范圍，然后依靠超燃發(fā)動機工作繼續(xù)飛行。X-43共進行了3次飛行測試，并在2004年11月6日的第3次測試時實現(xiàn)了馬赫數(shù)9.6的飛行速度。

X-30

臨射前的X-37B

飛行中的X-37B

比較而言，目前為止最為成功的空天飛行器項目就是X-37B“軌道試驗飛行器”（OTV）。X-37B由波音公司旗下幻影工廠制造，長度為8.8m，高2.9m，翼展為4.6m，尾部有兩扇豎尾翼，大小是航天飛機的1/4，起飛質量超過5t。X-37B體積雖小，但功能齊全，有一個與航天飛機相似的背部載荷艙，尺寸與皮卡車的后貨箱相當，載荷能力約為2t，內置貨艙可以搭載小型機械臂，抵達軌道后可展開進行軌道作業(yè)。為了滿足在軌能源需求，X-37B還攜帶了太陽能電池板。X-37B采用火箭發(fā)動機（無法實現(xiàn)水平起飛），推進劑為甲基肼（MMH）和四氧化二氮（N2O4）的雙組元自燃推進劑。2010年4月23日，首架X-37B從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射升空，宇宙神-5（Atlas-5）火箭執(zhí)行了此次發(fā)射任務。這架X-37B軌道試驗飛行器于2010年12月3日成功降落在美國加州范登堡空軍基地，飛行時間224天。2011年3月5日，第二架X-37B由一枚宇宙神-5運載火箭搭載升空，于2012年6月16日成功返回地球，共飛行468天。2012年12月11日，從卡納維拉爾角空軍基地再次成功發(fā)射X-37B飛行器。執(zhí)行本次任務的X-37B與2010年發(fā)射的為同一架，飛行674天后成功返回地球。2015年5月20日，由宇宙神-5火箭對X-37B飛行器進行了第4次發(fā)射，于2017年5月7日成功返回地球，在軌飛行718天。項目發(fā)展至今，X-37B的存在價值一直備受爭議，而且美國軍方甚少透露它的任務與行蹤，令外界對其用途有諸多猜測。有軍事專家認為，美國會在此基礎上開發(fā)出徹底顛覆現(xiàn)有軍事武器體系的作戰(zhàn)系統(tǒng)；美國的《基督教科學箴言報》稱，X-37B的試飛“非常清楚地表明‘軍事武器太空化’已經開始”。

除X系列試驗飛行器外，美國還有多項私人資本投資的空天飛行器研發(fā)項目。太空船-1是1架裝有火箭發(fā)動機的有翼飛行器，由美國縮尺復合體公司制造。使用混合式固體火箭發(fā)動機，有雙尾翼以及可變的半三角翼機翼，在不同的階段，機翼會變成不同的狀態(tài)。與X-43類似，太空船-1需要母機載上高空后才開始自行飛行。飛行器長度為5m，翼展5m，翼面積15m2，機身直徑1.52m，加注燃料前質量1200kg，由1臺一氧化二氮/端羥基聚丁二烯混合式固體火箭（Space Dev公司研制）作為動力。2004年6月21日，太空船-1成功地完成了第一次私人資本的人類太空飛行。太空船-1由一架“白色騎士”噴氣式飛機搭載升空，當“白色騎士”飛抵15km高空時，釋放出太空船-1，飛船火箭發(fā)動機點火，80s后飛行速度升至馬赫數(shù)3左右，攀升至約50km的高空，在火箭發(fā)動機關閉后，太空船-1再向上沖到約距離地面103km的太空。在整個飛行期間，太空船-1大約有200s處于失重狀態(tài)。隨后，太空船-1開始降落，這時它的機翼后半部和2個尾翼均向上旋轉，直至跟船身成直角，以幫助船體減速。當太空船-1重新進入低空后，尾翼旋轉回原來位置，飛行員駕駛著沒有任何動力的太空船-1滑翔，像普通飛機一樣，在機場水平著陸，完成載人亞軌道飛行。同年，太空船-1滿足了2周之內載3個人（或相等質量物品）作2次高度100km的飛行而飛行器更換的配件不得超過質量（此處指除燃料之外的質量）10%的要求，因而贏得1000萬美元的“安薩里X大獎”。太空船-1的飛行雖然取得了成功，但也暴露出很多安全隱患，要實現(xiàn)人類太空旅行的常態(tài)化還需要繼續(xù)努力。

“白色騎士”飛機搭載太空船-1

在太空船-1的基礎上，縮尺復合體公司與維珍銀河公司聯(lián)合開發(fā)了太空船-2。太空船-2是一個低長寬比飛行器，可以容納6名乘客和2名飛行員。同太空船-1類似，在15km高空處，太空船-2從它的母機（白色騎士-2）中被釋放。太空船-2長度為18.3m，翼展8.3m，高度5.5m，由1臺液/固混合動力火箭作為動力。太空船-2的乘員艙長度為3.7m，直徑為2.3m，還設有43cm和33cm直徑的窗口，以滿足乘客觀看外部太空的需求。2014年10月31日，太空船-2遭遇飛行失利，導致1名飛行員死亡，另1名飛行員受傷。美國國家運輸安全委員會對事故進行了獨立調查。 2015年7月發(fā)布的一份報告中稱，設計缺陷、飛行員操作錯誤、缺乏嚴格的聯(lián)邦監(jiān)督等是造成事故的重要因素。

白色騎士-2搭載太空船-2

俄羅斯

俄羅斯和美國是目前世界上僅有的2個成功完成航天飛機飛行的國家。俄羅斯正在開展代號為“多用途空天系統(tǒng)”的空天飛行器的研制工作。“多用途空天系統(tǒng)”是可重復使用的超聲速有翼飛機火箭系統(tǒng)，設想可以將20～60t的有效載荷送入軌道，由赫魯尼切夫國家航天研究與生產中心及中央航空動力學研究所等單位負責開發(fā)。“多用途空天系統(tǒng)”采用了安裝在后機身上的后掠機翼、雙傾斜垂尾和安裝在前機身的小型上反鴨翼的外形設計。早在2013年，俄羅斯中央航空動力學研究所就已經完成了該飛行器載波空間飛行的可行性研究的第一階段，其進一步的研制進展還未有公開報道。

俄羅斯“多用途空天系統(tǒng)”模型

歐洲

除美俄兩國，歐洲發(fā)達國家也有自己的空天飛行器項目。早在20世紀80年代，德國就開始了代號為“桑格”的空天飛行器研發(fā)工作。飛行器采用兩級概念，第一階段采用沖壓式噴氣發(fā)動機，使飛行器水平起飛并爬升到30km的高度，達到馬赫數(shù)7的速度；第二階段采用液氧/液氫火箭發(fā)動機將飛行器加速到軌道速度和高度。設想飛行器能夠將低于10t的有效載荷或1個機組模塊運送到低地球軌道。由于研發(fā)成本的原因，該項目于1995年停止。

德國“桑格”飛行示意圖

英國在1982年由羅爾斯-羅伊斯公司和英國航空航天公司進行合作開始了自己的空天飛行器“霍托爾”[即“水平起飛水平著陸” （horizontal takeoff and landing）]的研發(fā)。“霍托爾”被設想為一個無人的、完全可重復使用的單級入軌有翼飛行器，可將約7～8t的有效載荷運送到300km的軌道高度。按照設計，“霍托爾”長62m，高12.8m，機身直徑5.7m，翼展19.7m。其最有特色的技術就是它的RB545發(fā)動機，RB545是由羅爾斯-羅伊斯公司開發(fā)的吸氣式火箭發(fā)動機，它是1個具有雙重角色的動力裝置—在大氣中工作時它是吸氣式發(fā)動機，在靠近及在近地軌道上工作時它類似于火箭，它被認為是“霍托爾”的“心臟”。由于缺乏資金，該項目于1989年停止。

“霍托爾”雖然被停止，發(fā)動機RB545的研發(fā)卻為英國新的空天飛行器“云霄塔”奠定了技術基礎。同“霍托爾”類似，“云霄塔”的“佩刀”（SABRE）發(fā)動機也是其最有特色的技術。“佩刀”發(fā)動機是一種協(xié)同聯(lián)合循環(huán)火箭發(fā)動機，其設計是通過使用液氫燃料來冷卻閉式循環(huán)預冷器中的氦，從而快速降低入口處的空氣溫度；然后將吸入的空氣用于燃燒，類似于常規(guī)飛機發(fā)動機，一旦氦離開預冷器，其就被預燃燒器中的產物進一步加熱，可以為驅動渦輪機和液氫泵提供足夠的能量。當速度超過馬赫數(shù)5.5時，發(fā)動機進氣口關閉，發(fā)動機僅依賴機載的液氧/液氫燃料工作。與“霍托爾”相比，“云霄塔”有如下不同：①為了減輕質量，“云霄塔”使用了傳統(tǒng)的可收回起落架；②“佩刀”發(fā)動機性能大大提高；③通過將發(fā)動機放置在機翼末端的同時，將機翼布置到靠近飛行器縱向質心的方式來解決飛行穩(wěn)定性問題。“云霄塔”的長度為82m，直徑為6.3m。

英國“云霄塔”飛行示意圖

英國“霍托爾”外觀圖

歐盟“歐洲宇航防務集團太空飛機”飛行示意圖

歐盟開發(fā)的“歐洲宇航防務集團太空飛機”在2007年的巴黎航空展上首次亮相。該飛行器的推進系統(tǒng)由2個噴氣式發(fā)動機和1個火箭發(fā)動機組成。噴氣式發(fā)動機負責從地面到12km高度的飛行。火箭發(fā)動機在12km的高度點燃，工作80s后，飛行器高度達到60km，然后依靠慣性爬升到100km的峰值高度；在經歷大約3～5min失重后，返回大氣層，這時再次采用噴氣式發(fā)動機著陸。飛行器按照設想能夠在通常的民用機場起降。

日本

日本從1988年開始逐步把研究重點從航天飛機轉向單級入軌的空天飛行器，并針對其中的關鍵技術進行了進場著陸、流體力學計算、單級入軌方案分析、輕型耐熱結構及高超聲速發(fā)動機研究，新建了沖壓/超燃沖壓發(fā)動機試驗設施、先進復合材料試驗設施，擴大了高超聲速風洞試驗段，積累了大量的技術基礎。

4 未來發(fā)展趨勢

由于空天飛行器具有巨大的商業(yè)價值和軍事價值，世界各航空航天強國必定會更加重視空天飛行器的發(fā)展，進一步加大研制投入和加快研制節(jié)奏。

根據(jù)預測，在未來10年，由于空氣動力學的發(fā)展，飛行器的阻力將下降15%～20%；由于材料和設計技術的進步，飛行器的結構質量將下降20%；由于元器件可靠性提高和制造工藝的改進，飛行器的事故率將下降80%。商業(yè)空天飛行器將向更大、更快、更安全、更經濟、對環(huán)境污染更小的方向發(fā)展。軍用空天飛行器將沿著高速、高機動、高可靠性、精確打擊、迅速部署、擴展和維護、經濟廉價、功能強、可重復使用等方向發(fā)展。未來空天飛行器平臺的顯著特點將是多采用具有大升阻比的升力體構型。其結構是超輕質，高強度，功能、結構一體化的，具有最先進的高超聲速推進系統(tǒng)、結構熱防護系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全保障系統(tǒng)。