“混血兒”空天飛機(jī)

龐之浩

雖然世界上唯一投入使用的美國航天飛機(jī)已于2011年7月全部退役，但許多人希望，隨著技術(shù)的發(fā)展，在研究出提高航天飛機(jī)可靠性和降低成本的方法后，它能夠復(fù)活。人們甚至還夢想能研制出能像普通飛機(jī)一樣完全重復(fù)使用且可以水平起降的空天飛機(jī)。因?yàn)楹教祜w機(jī)是垂直發(fā)射、水平降落的，所以升空時(shí)很麻煩，并且風(fēng)險(xiǎn)很大，美國挑戰(zhàn)者號和哥倫比亞號航天飛機(jī)都是因發(fā)射時(shí)出現(xiàn)故障而失事的。

近日，英國正在研制的航空航天飛機(jī)——空天飛機(jī)“云霄塔”實(shí)現(xiàn)了重大突破，成功測試了“云霄塔”空天飛機(jī)的發(fā)動機(jī)，此后還將進(jìn)行更多試驗(yàn)以確保其完美無瑕。“云霄塔”在大氣層內(nèi)飛行時(shí)，其上的發(fā)動機(jī)能將氫與空氣混合燃燒；出了大氣層以后，可將氫與液氧混合燃燒。所以，“云霄塔”被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)人類太空旅行夢想的航天器。那么，什么是空天飛機(jī)呢？研制空天飛機(jī)有哪些難關(guān)？

看起來很美

早在美國航天飛機(jī)投入使用不久的20世紀(jì)80年代，航天專家就開始構(gòu)思空天飛機(jī)的方案了?？仗祜w機(jī)是航空飛機(jī)和航天飛機(jī)的“混血兒”，因?yàn)樗瑫r(shí)裝有航空發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)，所以在大氣層內(nèi)飛行時(shí)可像普通飛機(jī)一樣在跑道上起飛，用航空發(fā)動機(jī)提供動力，按航空飛機(jī)方式飛行和操縱；在大氣層外飛行時(shí)則由火箭發(fā)動機(jī)提供動力，按航天器方式飛行和操縱。

這樣做的好處是，它在大氣層內(nèi)飛行時(shí)可用空氣中的氧做氧化劑，因而能大大減少整個(gè)飛機(jī)的氧化劑裝載量，使飛機(jī)的質(zhì)量和體積大大減少，由此降低成本。此外，由于它可像普通飛機(jī)一樣完全重復(fù)使用，且能水平起飛，這樣就省去垂直發(fā)射所需的復(fù)雜設(shè)備。

由于這一設(shè)想看起來很美，似乎可以像航空飛機(jī)那樣自由出入太空，想航空就航空，想航天就航天，所以曾在20世紀(jì)80年代紅極一時(shí)，有不少國家提出了多種空天飛機(jī)的方案，其中最有名的當(dāng)屬英國的“霍托爾”、美國的“東方快車”和德國的“桑格爾”空天飛機(jī)方案了。

不過，因?yàn)榭仗祜w機(jī)的技術(shù)十分復(fù)雜，以至于各種方案都沒有實(shí)質(zhì)性成果，所以又都紛紛下馬了，只有“云霄塔”方案在悄然進(jìn)行。

“云霄塔”是從“霍托爾”方案演變過來的，所以先了解一下“霍托爾”對認(rèn)識“云霄塔”的前世今生是有益的。

溫故而知新

英國的空天飛機(jī)方案叫“霍托爾”，采用單級入軌，即外形和普通飛機(jī)基本一樣，可完全重復(fù)使用。它采用4臺吸氣式噴氣發(fā)動機(jī)和液氫-液氧火箭發(fā)動機(jī)的組合動力裝置。起飛時(shí)吸氣式噴氣發(fā)動機(jī)首先啟動，速度達(dá)到5倍音速、高度為26公里時(shí)停止工作，這時(shí)火箭發(fā)動機(jī)啟動，直至進(jìn)入200公里高的近地軌道。

“霍托爾”空天飛機(jī)的概念是1982年10月英國宇航公司提出的，主要原因是國際上日益增長的衛(wèi)星市場和尋求降低發(fā)射成本、提高競爭力的途徑；同時(shí)，也是受美國航天飛機(jī)的感染；另外，在未來的地球旅行方面，還需要極大地提高速度。英法聯(lián)合研制的協(xié)和式超音速客機(jī)油耗大、噪聲大，但速度只有2倍音速。而“霍托爾”從倫敦飛到悉尼只需45分鐘，所以能為未來的高超音速民航機(jī)提供必要的技術(shù)儲備。

1984年8月，英國宇航公司又提出了“霍托爾”的方案；同年9月，在世界航展上正式展出“霍托爾”模型，在當(dāng)時(shí)引起了國際宇航界的很大興趣。1987年，“霍托爾”的概念研究和論證工作大致結(jié)束。

“霍托爾”的起飛方式不同于美國航天飛機(jī)，也不同于普通飛機(jī)。它采用火箭發(fā)射車輔助，采用這種起飛方式可降低起飛重量達(dá)70噸?！盎敉袪枴钡钠痫w重量為196噸，著陸重量為34噸，起飛速度為540公里/小時(shí)，有效載荷為7～11噸，起飛距離為2300米，載荷規(guī)格為7.5米×4.6米；著陸速度為315公里/小時(shí)，著陸距離為1800米，軌道飛行時(shí)間為50小時(shí)。

發(fā)動機(jī)是“霍托爾”最關(guān)鍵的技術(shù)，原定采用羅·羅公司設(shè)計(jì)的RB545吸氣式氫氧發(fā)動機(jī)，它是高度先進(jìn)的單一機(jī)體式發(fā)動機(jī)，總重2.5噸，兼有噴氣發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)的功能和優(yōu)點(diǎn)，有兩種工作狀態(tài)：空氣噴氣發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)和液氫液氧發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)。在吸氣方式下，其推力為34.7噸，在純火箭方式下，其推力為75噸。

RB545發(fā)動機(jī)的獨(dú)特之處是它在大氣層飛行時(shí)，依靠吸入空氣中的氧工作，因此可以大大降低液氧的攜帶量，進(jìn)而降低了空天飛機(jī)的起飛重量。但經(jīng)過幾年的詳細(xì)研究，英國宇航公司和羅·羅公司都感到無論從經(jīng)費(fèi)上還是從技術(shù)上，都無力獨(dú)立承擔(dān)“霍托爾”的研制開發(fā)工作。加之國際形勢的變化和世界航天發(fā)展方向的改變，最終于1988年決定放棄“霍托爾”計(jì)劃。

不過在1991年10月的第42屆國際宇航聯(lián)合會會議上，英國宇航公司又報(bào)告了英國與蘇聯(lián)合作研究的新“霍托爾”空天飛機(jī)方案的設(shè)想。新“霍托爾”方案采用2級發(fā)射方式，即用蘇聯(lián)安-225大型運(yùn)輸機(jī)作為第1級把“霍托爾”馱運(yùn)到高空，然后分離，“霍托爾”靠自身安裝的俄羅斯氫氧火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)入太空。其結(jié)構(gòu)形式簡單得多，也可行得多，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)少。但該方案后來也杳無音信。

美國也不行

美國空天飛機(jī)的方案與英國的類似，最大特點(diǎn)是以超音速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)為主發(fā)動機(jī)，是航空、航天兩用運(yùn)輸系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代中期，美國馬夸特飛機(jī)公司和美國航空航天局蘭利研究中心曾同時(shí)開展了超音速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)研制工作。

1981年起，美國國防部高級研究計(jì)劃局、空軍、星球大戰(zhàn)計(jì)劃組織、航空航天局和海軍先后投資研究超音速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)。這樣，空天飛機(jī)計(jì)劃變成了由5家單位聯(lián)合的計(jì)劃，并很快得到了時(shí)任國防部長溫伯格的批準(zhǔn)。

1986年2月4日，里根總統(tǒng)向美國國會發(fā)表國情咨文，此時(shí)正是挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)悲慘事故發(fā)生的一周之后。里根總統(tǒng)強(qiáng)調(diào)，他繼續(xù)支持美國的載人航天計(jì)劃，包括航天飛機(jī)計(jì)劃和已經(jīng)提出的永久性載人空間站計(jì)劃。同時(shí)，他還批準(zhǔn)了國家空天飛機(jī)計(jì)劃（俗稱新的東方快車計(jì)劃）。里根說：“我們計(jì)劃研究新的‘東方快車，它能從杜勒斯機(jī)場起飛，加速到25倍音速后進(jìn)入地球軌道，或在2小時(shí)內(nèi)飛抵東京?！崩锔闹v話標(biāo)志著美國官方的空天飛機(jī)計(jì)劃正式開始。

根據(jù)美國國防部和航空航天局提出的定義，東方快車計(jì)劃是一項(xiàng)發(fā)展重復(fù)使用的吸氣式高超音速跨大氣層飛行器技術(shù)的計(jì)劃，該計(jì)劃是要通過技術(shù)發(fā)展和技術(shù)演示，為研制高超音速飛行器提供基礎(chǔ)。

這種飛行器原定有3大用途：①高性能軍用飛機(jī)，②高速民航飛機(jī)，③空間運(yùn)輸系統(tǒng)。東方快車計(jì)劃的第一期目標(biāo)是研制兩架X-30試驗(yàn)型飛機(jī)，它能夠在跑道上水平起飛，加速到入軌速度，然后返回大氣層并水平著陸。但主管東方快車計(jì)劃的人一再強(qiáng)調(diào)，X-30只是一架研制機(jī)，而不是未來空天飛機(jī)的原型機(jī)。

1986年4月，美國國防部和航空航天局分別與5家公司簽訂了X-30的預(yù)先設(shè)計(jì)合同，同時(shí)與2家公司簽訂了發(fā)動機(jī)和發(fā)動機(jī)一體化初步設(shè)計(jì)合同。1987年7～8月，東方快車計(jì)劃管理辦公室對發(fā)動機(jī)概念進(jìn)行了評審。1987年8～10月，又對機(jī)體設(shè)計(jì)進(jìn)行了評審，并選擇了3個(gè)公司進(jìn)一步從事機(jī)體發(fā)展。

美國國會和政府原計(jì)劃在1990年底做出決定是否研制X-30全尺寸試驗(yàn)機(jī)。但由于技術(shù)、經(jīng)費(fèi)和政治等方面的原因，決策時(shí)間一推再推，直到1993年夏，美國決定放棄X-30試驗(yàn)機(jī)計(jì)劃，并將東方快車計(jì)劃調(diào)整。后來，東方快車計(jì)劃也“流產(chǎn)”。

德國兩級式

德國空天飛機(jī)的方案叫桑格爾號，采用2級入軌方式。它的第1級是一架大型超音速航空飛機(jī)；第2級是軌道器，類似于美國航天飛機(jī)軌道器，但要自帶液氫-液氧。桑格爾號可在普通機(jī)場起飛，第1級飛機(jī)上面馱著第2級進(jìn)入空中，當(dāng)速度達(dá)到2200米/秒、高度為37公里時(shí)，第1級和第2級分離，第2級在火箭發(fā)動機(jī)推動下入軌。

從某種意義上說，德國是航天飛機(jī)的故鄉(xiāng)，早在1943年德國工程師歐根·桑格爾就提出過以火箭推進(jìn)的環(huán)球轟炸機(jī)的設(shè)想。1967年，根據(jù)桑格爾的建議，德國（當(dāng)時(shí)叫西德）MBB公司和容克斯飛機(jī)公司開始研究2級空間運(yùn)輸系統(tǒng)。

1985年，德國為謀求在歐洲空間運(yùn)載技術(shù)方面的領(lǐng)先地位，經(jīng)過近一年的研究論證，提出了一種比英國霍托爾號冒險(xiǎn)性小的空天飛機(jī)方案，以作為歐洲當(dāng)時(shí)研制的赫爾墨斯號航天飛機(jī)（后來中途下馬了）的后繼型。為了紀(jì)念航天飛機(jī)的先驅(qū)者歐根·桑格爾，德國把這一方案定名為桑格爾號空天飛機(jī)。1986年6月，德國向歐洲航天局提交了該方案，希望作為與英國霍托爾號方案競爭的另一個(gè)可供選擇的方案。

桑格爾號空天飛機(jī)是一種以渦輪沖壓發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)為動力的水平起降的2級方案。第1級馱運(yùn)飛機(jī)的動力裝置是吸氣式?jīng)_壓發(fā)動機(jī)；第2級小型有翼軌道器以火箭發(fā)動機(jī)為動力，起飛時(shí)，軌道器置于馱運(yùn)飛機(jī)背部。馱運(yùn)飛機(jī)的大小與波音747相當(dāng)，裝有4～6臺渦輪沖壓發(fā)動機(jī)，每臺推力為40.8噸，可使用100次；第2級軌道器重約50噸，其中35噸為推進(jìn)劑，呈三角翼布局，發(fā)動機(jī)采用液氫液氧發(fā)動機(jī)，置于軌道器尾部，推力約30.6～51噸。

德國之所以提出桑格爾號方案，是因?yàn)樗麄儜岩苫敉袪柼柕目尚行裕J(rèn)為它需要很長的研制周期，特別是霍托爾號方案所采用的發(fā)動機(jī)將成為最大障礙。

桑格爾號空天飛機(jī)的飛行過程是：馱運(yùn)飛機(jī)把軌道器推進(jìn)到30公里高，速度達(dá)到6倍音速后，兩者分離。馱運(yùn)飛機(jī)返回地面著陸。軌道器在自身的液氫液氧發(fā)動機(jī)推進(jìn)下，繼續(xù)爬升，直到進(jìn)入402公里的近地軌道。在完成軌道飛行任務(wù)后，桑格爾號軌道器像美國航天飛機(jī)軌道器那樣再入大氣層并水平著陸。按設(shè)想，桑格爾號航天飛機(jī)返場休整時(shí)間只需幾天。

雖然桑格爾號的發(fā)射能力和空間適應(yīng)能力都比較小，但它的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)不大，發(fā)展成本較低，地面適應(yīng)能力高，而且更誘人的是它有改裝成高超音速客機(jī)的潛力。據(jù)稱，桑格爾號的馱運(yùn)飛機(jī)很容易改裝成載客400名以上的高超音速洲際旅客機(jī)。德國方面還宣稱，桑格爾號每年可進(jìn)行6次載人飛行，每次費(fèi)用為1500～2000萬美元。

德國曾計(jì)劃在2006年進(jìn)行桑格爾號全尺寸機(jī)首次飛行，但后來由于歐洲載人航天戰(zhàn)略和統(tǒng)一后的德國對宇航投資的態(tài)度發(fā)生了很大變化，桑格爾號也中止研制了。

總之，從目前來看，空天飛機(jī)技術(shù)太復(fù)雜，即使是相對簡單的2級空天飛機(jī)技術(shù)也很難在現(xiàn)階段攻克，所以又紛紛下馬。于是，這些方案都被束之高閣。但這些探索是很有意義的，為今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

東山似再起

英國一直不甘心放棄“霍托爾”空天飛機(jī)的研制，曾參與“霍托爾”研制的三名工程師于1989年成立了英國反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司，低調(diào)實(shí)施名為“云霄塔”的空天飛機(jī)計(jì)劃。“云霄塔”是根據(jù)“霍托爾”水平起降概念設(shè)計(jì)而成，繼承并應(yīng)用了“霍托爾”項(xiàng)目已取得的成果，但是在整體結(jié)構(gòu)、機(jī)體以及發(fā)動機(jī)等方面進(jìn)行了大量的技術(shù)創(chuàng)新，并于1995年完成了初步方案設(shè)計(jì)工作。

“云霄塔”比美國航天飛機(jī)大許多。它長90米、翼展25.4米，理論起飛質(zhì)量約345噸，是一種采用混合動力、可重復(fù)使用、水平起降的單級入軌運(yùn)載器。

其氣動外殼采用被動輻射冷卻技術(shù)，機(jī)身蒙皮采用簡單的波紋板沖壓技術(shù)，隔熱系統(tǒng)由多箔片隔熱氈、空氣隙和貯箱泡沫隔熱材料組成，機(jī)身采用復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)和懸掛非承力式燃料箱，發(fā)動機(jī)采用“佩刀”噴氣/火箭混合發(fā)動機(jī)。在飛行最初階段，它像噴氣機(jī)一樣，從大氣中吸入氧氣與液氫混合燃燒；當(dāng)飛到26公里高時(shí)，速度達(dá)5倍音速。此后，發(fā)動機(jī)以火箭模式工作，消耗自身攜帶的氫氣和氧氣，進(jìn)入太空。在重返大氣層時(shí)，“云霄塔”通過一層層的反射箔將熱量釋放出去。

“云霄塔”是世界上首個(gè)采用混合動力發(fā)動機(jī)的天地運(yùn)輸器，這種混合發(fā)動機(jī)在技術(shù)上已取得新的突破。其另一創(chuàng)新是采用半硬殼式結(jié)構(gòu)，主要承力結(jié)構(gòu)采用碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制成的桁架結(jié)構(gòu)。它還采用了全新的冷卻技術(shù)，所以能夠在吸氣飛行階段提高發(fā)動機(jī)的效率?！霸葡鏊辈捎玫呐艢鈬娮?，可增大發(fā)動機(jī)功率，使運(yùn)載能力增加10%。

“云霄塔”按照“先載貨后載人”的原則發(fā)展，最初用途是發(fā)射人造衛(wèi)星，但隨著技術(shù)的成熟，它經(jīng)過較小幅度的改進(jìn)后可以搭載大約30名乘客，屆時(shí)一個(gè)乘客艙將被安裝于“云霄塔”的貨艙內(nèi)，為“國際空間站”接送航天員和物資。目前預(yù)計(jì)“云霄塔”的成本超過60億英鎊。與空客A380客機(jī)的研發(fā)費(fèi)用相比，“云霄塔”的費(fèi)用并不高。據(jù)悉，由于“云霄塔”能重復(fù)使用，其每次飛行的費(fèi)用約630萬英鎊（合945萬美元），而目前運(yùn)載火箭每次發(fā)射費(fèi)用為5000萬美元左右，航天飛機(jī)每次發(fā)射費(fèi)用為4～5億美元。

“云霄塔”未來的目標(biāo)是將近地軌道運(yùn)載能力提高到16.5噸。它在降落后兩天內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)再次起飛，每架“云霄塔”可以完成大約200次飛行任務(wù)。其發(fā)射成本低的成本優(yōu)勢將使未來的太空旅行更經(jīng)濟(jì)、更便捷。它有望到2016年時(shí)開始亞軌道試飛，到2018年實(shí)現(xiàn)軌道試飛，到2020年能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)運(yùn)營。

據(jù)稱，“云霄塔”不僅能取代航天飛機(jī)，而且有望將太空旅行提升到新高度。“云霄塔”可在地面以上29公里高度飛行，速度是5倍音速，4個(gè)小時(shí)內(nèi)可抵達(dá)世界任何角落。

重大新突破

據(jù)美國拋物線網(wǎng)站2012年11月28日報(bào)道，英國反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司11月28日公布了自發(fā)明噴氣發(fā)動機(jī)以來航空航天推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域最大的突破，“佩刀”噴氣/火箭混合發(fā)動機(jī)完成了重要技術(shù)的關(guān)鍵試驗(yàn)。該發(fā)動機(jī)將能使飛機(jī)在4小時(shí)內(nèi)到達(dá)地球的另一端，或直接飛入軌道并單級返回，能在跑道上起飛和著陸。

“佩刀”噴氣/火箭混合發(fā)動機(jī)采用噴了氣式渦輪和火箭技術(shù)。其創(chuàng)新的預(yù)冷器技術(shù)能在百分之一秒（比眨眼速度還快6倍）內(nèi)將氣流從1000攝氏度冷卻到零下150攝氏度，但不會造成霜凍堵塞。近期的試驗(yàn)驗(yàn)證了制冷技術(shù)在零下150攝氏度的關(guān)鍵性低溫下的免冷凍情況。

歐洲航天局評價(jià)了“佩刀”的預(yù)冷器熱交換機(jī)，并對試驗(yàn)結(jié)果給出了官方確認(rèn)：預(yù)冷器試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)已全部完成，歐洲航天局對此表示滿意，試驗(yàn)驗(yàn)證了“佩刀”發(fā)動機(jī)發(fā)展所需的技術(shù)。

反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司在完成100多次試驗(yàn)后，已經(jīng)在其牛津郡的設(shè)施廠，將名為飛行重量（flight-weight）的開創(chuàng)性制冷技術(shù)和冷凍控制系統(tǒng)與噴氣發(fā)動機(jī)和創(chuàng)新的氦冷卻回路集成在一起，從而驗(yàn)證了“佩刀”發(fā)動機(jī)的新技術(shù)，推動了高度創(chuàng)新和有效的熱動力循環(huán)。

除此之外，反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司還進(jìn)行了其他“佩刀”技術(shù)演示驗(yàn)證，包括對轉(zhuǎn)渦輪、燃燒室、火箭噴嘴、吸氣口等，這標(biāo)志著向研制“云霄塔”空天飛機(jī)又邁近了一步。這些成功的試驗(yàn)是推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的一次基礎(chǔ)性突破。該公司的輕質(zhì)熱交換機(jī)將推動對航空發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)熱動力循環(huán)進(jìn)行根本性的重新考慮。這種新的循環(huán)方式將形成完全不同的運(yùn)行特征，如高速巡航、低成本、可重復(fù)使用的太空進(jìn)入。

研制吸氣式火箭發(fā)動機(jī)最大的困難，在于輕質(zhì)高性能的熱交換機(jī)。隨著反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司這項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)的成功，“佩刀”發(fā)動機(jī)項(xiàng)目可以順利進(jìn)入下一階段研發(fā)工作。

從20世紀(jì)80年代以來，單級入軌重復(fù)使用運(yùn)載器一直是運(yùn)載器研制的發(fā)展方向和追求目標(biāo)。當(dāng)年，“霍托爾”項(xiàng)目是由英國政府投資的，后因英國政府拒絕投資而被迫下馬。“云霄塔”采用官方、民間投資者和研究機(jī)構(gòu)三方合作的模式，這樣可以發(fā)揮官方的資源優(yōu)勢、民間投資者的資金優(yōu)勢和研究機(jī)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢，具有投資靈活性強(qiáng)、對項(xiàng)目進(jìn)度要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。

不過，由于空天飛機(jī)技術(shù)太復(fù)雜，因此在當(dāng)代科技水平的條件下，“云霄塔”是否能研制出來還很難說。但這種探索是很有意義的，即使不成功也可為今后的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。最后，還是希望空天飛機(jī)美夢成真。

（作者單位：中國空間技術(shù)研究所）