空天飛機(jī)——未來航天新動(dòng)向

萬永剛

當(dāng)人類第一次將足跡跨出大氣層外時(shí)，航天員們乘坐的航天飛機(jī)在太空中看起來如同拖著火尾的白色長(zhǎng)箭。數(shù)十年過去，長(zhǎng)箭穿空的輝煌不斷延續(xù)，到“神舟七號(hào)”上翟志剛艱難的太空漫步，航天事業(yè)再次吸引了世界的目光。展望未來，也許在長(zhǎng)箭之后，將是結(jié)合了航空航天兩者優(yōu)勢(shì)的空天飛機(jī)的時(shí)代。

大鵬原自飛天出

當(dāng)航空航天技術(shù)融合、衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展和航空航天軍事競(jìng)爭(zhēng)，這三者相互推動(dòng)，就出現(xiàn)了空天飛機(jī)的概念。所謂空天飛機(jī)是航空航天飛機(jī)的簡(jiǎn)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(xiàn)了航天飛機(jī)普通化與普通飛機(jī)的航天化。

當(dāng)航天工業(yè)中使用的鈦合金應(yīng)用到飛機(jī)上時(shí)，飛機(jī)的強(qiáng)度大增，從而使飛機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠性的增強(qiáng)，以及航天生命維持系統(tǒng)、航天新材料等的日益成熟完善，使飛機(jī)可以利用航空航天二元?jiǎng)恿Ψ绞?、航天密閉艙和生命維持系統(tǒng)來制造。美國(guó)的極超音速X－43A無人機(jī)就可以視為一種火箭，而俄羅斯擁有的高度靈活變軌戰(zhàn)略導(dǎo)彈，也可以視為一種無人機(jī)。

另一方面，衛(wèi)星小型化、輕型化，為高性能飛機(jī)作為衛(wèi)星發(fā)射平臺(tái)、起到第一級(jí)“可返回式火箭”的作用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，由于新技術(shù)的快速發(fā)展，在軌衛(wèi)星的使用壽命增加，所需發(fā)射的運(yùn)載火箭數(shù)量減少，現(xiàn)有的固定式發(fā)射系統(tǒng)從商業(yè)角度講是極不合算的。換言之，以空天飛機(jī)為手段的近地太空航空航天系統(tǒng)，其未來商業(yè)潛力十分巨大，可能在10~15年后排擠純航空系統(tǒng)的地位。

更為重要的是，航空航天的軍事競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，大氣層上下邊緣也不可能是“一片凈土”。當(dāng)航天飛機(jī)只能執(zhí)行純航天任務(wù)，普通戰(zhàn)斗機(jī)只能在大氣層內(nèi)活動(dòng)，那么勢(shì)必要出現(xiàn)空天飛機(jī)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(wèi)星空中發(fā)射平臺(tái)，快速獲得信息優(yōu)勢(shì)；還可以作為對(duì)空、對(duì)地作戰(zhàn)平臺(tái)，擊毀其他航天器；它還可以潛入大氣層攻擊地面目標(biāo)，比普通飛機(jī)更加隱蔽?？仗祜w機(jī)在軌飛行時(shí)是不需要消耗燃料的，做變軌飛行和姿態(tài)調(diào)整時(shí)也只需消耗很少的燃料，在用副油箱性質(zhì)的助推火箭發(fā)射升空后，如果生命維持系統(tǒng)跟得上，它還可以用做較長(zhǎng)時(shí)間的空中戰(zhàn)斗值班，這也是普通飛機(jī)望塵莫及的。

九天太空任我行

空天飛機(jī)之所以能兼?zhèn)浜娇张c航天的功能，奧妙之處就在于它的動(dòng)力裝置。它是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)混合配置的動(dòng)力裝置，包括渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，空天飛機(jī)可以在一般的大型機(jī)場(chǎng)上起落。起飛時(shí)，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)先工作，充分吸取大氣中的氧，水平起飛后，當(dāng)速度超過2400千米／時(shí)，可以使用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，使空天飛機(jī)在離地面6萬米的大氣層內(nèi)以30000千米／時(shí)的速度飛行；如果再用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)加速，燃燒自身攜帶的燃燒劑和氧化劑，空天飛機(jī)就會(huì)沖出大氣層，像航天飛機(jī)一樣，直接進(jìn)入軌道。返回大氣層后，發(fā)動(dòng)機(jī)工作順序相反，在一般的大型機(jī)場(chǎng)即可著陸。

長(zhǎng)路漫漫競(jìng)爭(zhēng)先

從上文我們可以看到，空天飛機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且不可靠，而研制存在很大的技術(shù)問題。要實(shí)現(xiàn)跨越大氣層飛行，空天飛機(jī)必須達(dá)到高超音速。所謂高超音速，是指飛行馬赫數(shù)大于5。而飛行馬赫數(shù)，是飛行器在空氣中的運(yùn)動(dòng)速度與該高度遠(yuǎn)前方未受擾動(dòng)的空氣中的音速的比值。簡(jiǎn)單來說，就是飛行器速度與音速的比值，馬赫數(shù)大于1即為超音速。其次，空天飛機(jī)多次出入大氣層，機(jī)體與空氣劇烈摩擦產(chǎn)生高熱，要求裝備質(zhì)輕高效且能反復(fù)使用的防熱系統(tǒng)，而航天飛機(jī)使用的氧化硅防熱瓦還無法達(dá)到要求。此外，還有大氣層上下的空氣動(dòng)力學(xué)問題、發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身一體化等等難題。

從20世紀(jì)80年代初開始，美國(guó)就開始著力研究發(fā)展高超音速技術(shù)。1985~1994年，美國(guó)實(shí)施了龐大的“國(guó)家航天飛機(jī)計(jì)劃”，大大推動(dòng)了高超音速技術(shù)的發(fā)展，逐步掌握了馬赫數(shù)小于8的超燃發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，并建立了大量的數(shù)據(jù)庫。1996年，洛克希德·馬丁公司開始實(shí)施空天飛機(jī)研制計(jì)劃，研制出樣機(jī)“X-33”。2002年，洛克希德·馬丁公司在沃魯普斯島成功進(jìn)行了6萬磅探空火箭的飛行測(cè)試。到2025年，美軍將按照計(jì)劃研制出一架真正意義上的空天飛機(jī)，也就是極超音速巡航飛行器，這種飛行器可把衛(wèi)星送入軌道，也可部署武器進(jìn)行戰(zhàn)斗，飛行速度的馬赫數(shù)可達(dá)到15。其他國(guó)家也不甘落后，德國(guó)提出了“桑格爾”空天飛機(jī)方案，英國(guó)提出了“霍托爾”方案，法國(guó)、日本、印度等國(guó)家也提出了各自的空天飛機(jī)計(jì)劃。俄羅斯研制成功的高超音速新型飛行器——“針”空天飛機(jī)已公開亮相。“針”長(zhǎng)8米，馬赫數(shù)為6~14，飛行高度2.6萬~5萬米，但還需經(jīng)過4~5年后方可升空試驗(yàn)。

可以想見，在未來數(shù)十年中，空天飛機(jī)是各國(guó)發(fā)展航空航天的重要方向，但由于資金技術(shù)的限制，還面臨著不少波折。要一睹空天飛機(jī)的英姿，還得期待科學(xué)家們的努力了。