空天飞机

空天飞机

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，这些关键技术有：

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人大气层，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。