揭秘我國(guó)正在研制的兩種太空飛行器

尹懷勤

據(jù)2016年10月10日媒體報(bào)道，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院的專家日前在墨西哥瓜達(dá)拉哈拉舉行的第67屆國(guó)際宇航大會(huì)上稱，該院已設(shè)計(jì)出一款簡(jiǎn)單的整體式太空飛機(jī)，其設(shè)計(jì)能增加搭載乘客的數(shù)量，可在一日內(nèi)搭載最多20名乘客飛抵太空邊緣，然后返回地面。此前的7月31日，來(lái)自中國(guó)航天科技集團(tuán)的消息說(shuō)，我國(guó)“組合動(dòng)力飛行器”項(xiàng)目已經(jīng)開始研制，這就意味著，普通人上太空的成本和門檻將有望大大降低。此外，9月12日在武漢舉行的第二屆中國(guó)商業(yè)航天高峰論壇上，中國(guó)航天科工集團(tuán)也披露了將于2030年完成試飛的空天飛機(jī)項(xiàng)目“騰云工程”。騰云工程對(duì)應(yīng)空天往返飛行項(xiàng)目，將突破以組合動(dòng)力、機(jī)體/推進(jìn)一體化技術(shù)為代表的核心技術(shù)，完善試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)，建成空天飛行器技術(shù)綜合研究體系。

太空飛機(jī)帶你實(shí)現(xiàn)飛天夢(mèng)

太空飛機(jī)和空天飛機(jī)是兩種不同類型的太空飛行器，前者由中國(guó)航天科技集團(tuán)所屬的運(yùn)載火箭技術(shù)研究院進(jìn)行研制且問(wèn)世較早。該院專家稱已設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的整體式太空飛機(jī)，可依靠自身動(dòng)力起飛的帶翼火箭將飛機(jī)送上太空，達(dá)到飛行速度后，以液態(tài)甲烷和液氧為推進(jìn)劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，飛機(jī)在慣性作用下沖破地球引力束縛，繼續(xù)爬升至預(yù)定飛行高度，隨即平穩(wěn)下降，再入大氣層，以滑翔方式返回地面，其設(shè)計(jì)旨在搭載更多的乘客進(jìn)入太空一游。由此可見(jiàn)，太空飛機(jī)將像火箭一樣垂直起飛，并自動(dòng)在跑道上著陸，不需任何地面或機(jī)載設(shè)備的干預(yù)，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)太空航班的理想載體之一。這使其有別于英國(guó)維珍銀河公司的可搭載6名乘客到近地空間旅行的“太空船二號(hào)”，后者必須通過(guò)運(yùn)載飛船攜帶至一定高度才能發(fā)射，且還處于未載客人的試飛階段。相較而言，我國(guó)研制的太空飛機(jī)發(fā)射程序簡(jiǎn)便，安全性更高，從而引起了世人的關(guān)注。

這種太空飛機(jī)又分為兩種版本。第一種飛機(jī)的重量為10噸，翼展6米，能搭載 5名乘客，以最大6倍聲速的速度飛行至100千米（即太空飛行正式開始的高度），并進(jìn)行2分鐘的失重飛行。時(shí)間雖短，卻也能讓乘客體驗(yàn)到微重力狀態(tài)下的感受，并觀光太空和回望欣賞地球的景色。另一種飛機(jī)是放大了的版本，其重量達(dá)100噸，翼長(zhǎng)12米，預(yù)計(jì)可搭載20名乘客，以8倍聲速的速度飛行至130千米的高度，并進(jìn)行4分鐘的失重飛行。顯而易見(jiàn)，后者不僅乘客人數(shù)大大增加，而且飛行高度和乘客失重時(shí)間都有增長(zhǎng)。同時(shí)，這款機(jī)型還能在外掛火箭的幫助下將小型衛(wèi)星送入軌道，節(jié)省了從地面發(fā)射小衛(wèi)星的成本。

該機(jī)研制團(tuán)隊(duì)希望太空飛機(jī)可被反復(fù)使用，每架飛機(jī)的設(shè)計(jì)飛行次數(shù)將達(dá)到50次。第一種太空飛機(jī)的試飛將在未來(lái)兩年內(nèi)完成，幾乎所有的地面測(cè)試都已完成，測(cè)試中全部子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好。待其飛行成功后，再試飛第二種太空飛機(jī)。若后者最終成行，將成為目前在商用太空飛行領(lǐng)域搭載乘客最多的太空飛機(jī)。

更高難度的空天飛機(jī)項(xiàng)目

至于空天飛機(jī)，則是技術(shù)更為復(fù)雜且飛行高度更高、航行時(shí)間更長(zhǎng)的太空飛行器。這種組合動(dòng)力飛行器是一種集成渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等多種動(dòng)力的飛行器。前兩種都是吸收大氣層中的氧氣作氧化劑燃燒燃燒劑而工作的，較節(jié)約成本，屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)。和傳統(tǒng)的火箭動(dòng)力相比較而言，組合動(dòng)力是一種新型動(dòng)力，從廣義上來(lái)講，即把不同的動(dòng)力形式組合到一起。我國(guó)兩個(gè)航天集團(tuán)計(jì)劃利用3～5年的時(shí)間掌握相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，在2030年左右實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目的，促使空天飛機(jī)的問(wèn)世，達(dá)到亞軌道應(yīng)用和入軌應(yīng)用的模式。具體地講，騰云工程計(jì)劃在2020年完成組合發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)驗(yàn)證飛行試驗(yàn)；2025年完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)；2030年完成兩級(jí)入軌空天飛行器技術(shù)驗(yàn)證試飛。亞軌道飛行是指飛行器達(dá)到距離地面約100千米的高度，由于還沒(méi)有達(dá)到能夠穩(wěn)定運(yùn)行的軌道高度，因此乘客只能短時(shí)間體驗(yàn)失重的感覺(jué)。而入軌應(yīng)用是指飛行器加速繼續(xù)上升，抵達(dá)距離地面近400千米的軌道高度，這時(shí)候重力將和飛行器繞地球飛行的離心力平衡，乘客們將可以像航天員在神舟飛船或空間站里一樣，體驗(yàn)太空飛行的樂(lè)趣和奇遇。

這是可執(zhí)行航天發(fā)射任務(wù)，并多次重復(fù)使用的新一代天地往返飛行器，可在地面機(jī)場(chǎng)水平起飛，具有廉價(jià)、安全、便捷、機(jī)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，是國(guó)際上天地往返運(yùn)輸領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)。

空天飛機(jī)采用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行起飛、爬升和加速。當(dāng)其速度達(dá)到約3倍聲速時(shí)，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，隨即啟動(dòng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作，繼續(xù)在大氣層中加速飛行。當(dāng)其速度達(dá)到約15倍聲速并需要變軌時(shí)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，接著啟動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作并沖出大氣層，在太空以25倍聲速進(jìn)入近地軌道飛行。等到完成航天飛行任務(wù)再入大氣層需要變軌時(shí)，再次啟動(dòng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作并作減速飛行。當(dāng)其速度降到約3倍聲速時(shí)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，再次啟動(dòng)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作，并向目標(biāo)機(jī)場(chǎng)滑翔降落。這種空天飛機(jī)使用兩種吸空氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，因而更加經(jīng)濟(jì)，可使發(fā)射成本降到美國(guó)曾使用的航天飛機(jī)的十分之一。

但是，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)歷來(lái)以高空高速狀態(tài)下難以順利點(diǎn)火和燃燒不穩(wěn)定等問(wèn)題困擾著專家們，使其遲遲未能在航空器上得以采用。世界上一些國(guó)家早已在這方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，但迄今未能獲得比較滿意的成果，尤其是速度達(dá)10倍聲速以上的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尚未出現(xiàn)。雖然某些巡航導(dǎo)彈已采用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，但其速度還未達(dá)到空天飛機(jī)所需要的程度。我國(guó)既然宣布要研制空天飛機(jī)，就說(shuō)明在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)攻關(guān)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。