空天飛行技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展展望

王長青

(中國航天科工飛航技術(shù)研究院，北京 100074)

0 引 言

當(dāng)前，人類正向以高頻次航天發(fā)射和大規(guī)?？臻g應(yīng)用為主要特征的太空時代邁進(jìn)，對成本低廉、安全可靠的航天運輸系統(tǒng)提出了迫切需求，發(fā)展新一代天地往返運輸系統(tǒng)，是人類大規(guī)模發(fā)展和建設(shè)太空的根本前提[1-5]。目前，全世界幾乎所有的空間載荷發(fā)射都由一次性火箭運載系統(tǒng)承擔(dān)，費用高昂[6-7]。21世紀(jì)以來，世界各國都將太空作為國家重大戰(zhàn)略領(lǐng)域，不斷探索空天領(lǐng)域未知的基礎(chǔ)科學(xué)，提升技術(shù)創(chuàng)新能力，推動空天飛行領(lǐng)域技術(shù)持續(xù)發(fā)展。本文對主要國家在空天飛行技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展歷程進(jìn)行回顧，結(jié)合國外發(fā)展經(jīng)驗，提出空天飛行面臨的基礎(chǔ)科學(xué)問題及發(fā)展方向，并展望未來探索浩瀚宇宙、自由進(jìn)出空間的新太空時代。

1 空天飛行技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

空天飛行器是指能夠自由往返于稠密大氣、臨近空間和軌道空間的可重復(fù)使用飛行器，突破了傳統(tǒng)的航天器和航空器的局限，實現(xiàn)了在大氣層和空間自由穿梭飛行，具備廉價、便捷、安全、機(jī)動等優(yōu)勢[8-10]。

實現(xiàn)空天飛行有多種技術(shù)途徑，從入軌級數(shù)來說，有多級入軌、單級入軌；從動力形式來說，有火箭動力、組合動力等；從起降方式來說，有垂直起飛/垂直降落、垂直起飛/水平降落、水平起飛/水平降落等；從重復(fù)使用程度來說，有部分重復(fù)使用、完全重復(fù)使用等[11]。

美歐等國自20世紀(jì)50年代末以來，以自由快速的空天往返為背景，通過政府主導(dǎo)開展了一系列空天飛行領(lǐng)域技術(shù)研究和飛行試驗，有力推動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，取得了階段性突破。國外空天發(fā)展歷程大致可分為三個階段：

圖1 空天飛行技術(shù)發(fā)展情況

1.1 1960～1980年：技術(shù)先行

為探索空天未知領(lǐng)域，美國在20世紀(jì)50年代末就啟動了空天飛行技術(shù)研究工作，開展了大量高超聲速飛行器和超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)的先期探索。至20世紀(jì)70年代末，持續(xù)完成了從X-1至X-15等一系列高速飛行試驗計劃，先后驗證了亞/跨/超/高超聲速飛行過程的結(jié)構(gòu)、材料、氣動、控制等關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 X-15飛行器

1.2 1980～2000年：競相發(fā)展、輝煌一時

20世紀(jì)80年代起，空天飛行成為各航天大國的研究熱點，以天地往返和重復(fù)使用航天運輸為發(fā)展目標(biāo)，競相開展了一系列空天飛行器項目方案研究和演示驗證試驗(美國NASP、德國SANGER、英國HOTOL等)，穩(wěn)步推進(jìn)以高超聲速技術(shù)和吸氣式組合動力為核心的空天飛行技術(shù)，積累了大量設(shè)計方案和試驗數(shù)據(jù)，引領(lǐng)推動空天飛行領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)入了新的階段，成為人類航天史上的一個輝煌時期。

1)美國

美國在1986年制定國家空天飛機(jī)(NASP)計劃，意圖發(fā)展一種單級入軌的航天運載器，能夠徹底且革命性的改變航天運輸?shù)臓顩r，并通過X-30飛行器開展演示驗證試驗。

NASP計劃包含10余項從未進(jìn)行過飛行試驗的關(guān)鍵技術(shù)，由于技術(shù)、政治和經(jīng)濟(jì)等多方面原因，1995年NASP計劃下馬。但NASP仍然為美國高超聲速技術(shù)發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)邁上了新的臺階，發(fā)展了發(fā)動機(jī)設(shè)計方法和CFD模擬技術(shù)，建立起大量的試驗設(shè)備，加強(qiáng)了地面試驗?zāi)M能力，通過大規(guī)模的大尺寸模型發(fā)動機(jī)試驗，獲得了大量試驗數(shù)據(jù)，培養(yǎng)了大批專門人才。

圖3 美國NASP計劃下X-30

2)德國

為了繞過單級入軌的難點，德國提出一種兩級入軌的“桑格爾”空天飛行器方案。一子級是一架高超聲速運輸機(jī)，采用渦輪沖壓發(fā)動機(jī)，使用壽命為100次；二子級是軌道飛行器，采用火箭發(fā)動機(jī)，可用于載人或載物，載貨型為一次性使用，載人型使用壽命為50次。由于研究經(jīng)費巨大，研制難度過大，該項目最終下馬。[12]

圖4 德國SANGER

3)英國

HOTOL空天飛行器采用水平起降、單級入軌方式，從地面3500 m長的跑道上水平起飛，以吸氣式發(fā)動機(jī)推進(jìn)到Ma5，然后轉(zhuǎn)為火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)。HOTOL計劃的目標(biāo)是把發(fā)射有效載荷的費用至少降低80%。原計劃2000年投入使用，但實現(xiàn)單級入軌的技術(shù)難度很大，1992年，由于資金短缺，英國航宇公司決定停止向HOTOL空天飛行器計劃提供支持，計劃擱淺。

圖5 英國HOTOL

1.3 21世紀(jì)至今：再掀高潮、全面布局

20世紀(jì)80年代各國提出的空天飛行器最后均因技術(shù)難度過高和經(jīng)費難度過大等各種原因而最終下馬，空天飛行研究陷入低谷。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著高超聲速技術(shù)和組合動力技術(shù)的發(fā)展，空天飛行再次成為國際熱點，各國開始在天地往返空天飛行器領(lǐng)域展開了全面布局。

圖6 空天飛行器發(fā)展情況

1)美國

2001年美國提出國家航空航天倡議(NAI)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展高超聲速技術(shù)、進(jìn)入空間和空間技術(shù)三大方向，其核心目標(biāo)為吸氣式空天飛行器。在NAI倡議指導(dǎo)下，美國完成了空天飛行領(lǐng)域從技術(shù)層面到應(yīng)用層面的全方位布局，逐漸形成了多技術(shù)途徑同步發(fā)展的空天飛行器新格局。

圖7 NAI倡議

2014年，美國空軍研究實驗室確認(rèn)了英國“佩刀”發(fā)動機(jī)概念的可行性，簽署了合作協(xié)議，并于2016年在AIAA會議上公布了基于“佩刀”發(fā)動機(jī)的兩級入軌空天飛行器，指出一旦佩刀發(fā)動機(jī)的實際性能達(dá)到預(yù)期，空天飛行器將于2030年左右具備可實現(xiàn)性[13]。

圖8 基于“佩刀”發(fā)動機(jī)的空天飛行器

2)德國

2005年，德國提出一種亞軌道、帶翼可完全重復(fù)使用兩級高超聲速飛行器SpaceLiner，用于洲際商業(yè)高速運輸和重復(fù)使用空天飛行。飛行器采用背馱式構(gòu)型，一子級為可重復(fù)使用升力體助推器，二子級為升力體上面級或軌道器(入軌)[14]。德國宇航局提出在2019年左右，完成初步需求評估，2035年前開展原型樣機(jī)首次飛行試驗，預(yù)計2040年實現(xiàn)運營。

圖9 SpaceLiner兩級飛行器

3)英國

2014年，英國公布了基于佩刀組合發(fā)動機(jī)的SKYLON云霄塔單級入軌空天飛行器的新方案和近期研究進(jìn)展[15-16]。2019年3月，佩刀發(fā)動機(jī)通過歐空局的初步設(shè)計評審；4月完成了大尺寸預(yù)冷卻器樣機(jī)HTX的高溫地面試驗，成功驗證了Ma3.3條件下在0.05 s內(nèi)將超過426 ℃的高溫氣流冷卻至約100 ℃。佩刀發(fā)動機(jī)預(yù)冷器技術(shù)已取得重大突破，有力支撐英國提出的SKYLON和美國AFRL提出的兩級入軌空天飛行器研制。

圖10 SKYLON飛行器

1.4 小結(jié)

美歐等國家經(jīng)過幾十年的持續(xù)研究，奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，近年隨著相關(guān)技術(shù)的逐步成熟，各國分別基于各自的技術(shù)優(yōu)勢形成了多途徑并舉的空天飛行器發(fā)展路線，并取得了重大技術(shù)突破?？仗祜w行器成為新一代航天運輸系統(tǒng)的焦點，在世界范圍內(nèi)重新掀起了設(shè)計與研制的熱潮。

2 空天飛行技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)問題

空天飛行器飛行空域大(稠密大氣、臨近空間和軌道空間)、速域?qū)?Ma0～25)、飛行剖面復(fù)雜(零速起飛、高超聲速飛行、加速入軌、再入返回、自主起降)，因此面臨著眾多基礎(chǔ)科學(xué)問題。當(dāng)前，人類對空天飛行領(lǐng)域的認(rèn)知還只是“冰山一角”，要做到真正認(rèn)識，需要回歸問題本源，加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究，研究空天飛行動力、氣動、結(jié)構(gòu)/材料、制導(dǎo)控制和試驗等重大前沿性科學(xué)問題，形成完善的空天飛行基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究體系[17]。

圖11 空天飛行技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)問題

2.1 動力與能源

空天飛行器需要自由往返于稠密大氣、臨近空間和軌道空間，傳統(tǒng)單一動力無法滿足全速域、大空域、自由高效飛行的需求，因此組合動力是必然發(fā)展趨勢?？仗旖M合動力形式所涉及的多種熱力循環(huán)模態(tài)轉(zhuǎn)換與匹配、非平衡流動的超聲速燃燒及其組織等基礎(chǔ)科學(xué)問題與傳統(tǒng)航空渦輪發(fā)動機(jī)和航天火箭發(fā)動機(jī)不同，是傳統(tǒng)動力的空白領(lǐng)域[18-22]。

圖12 組合動力種類

圖13 組合動力不同工作模態(tài)

1)多種熱力循環(huán)模態(tài)轉(zhuǎn)換與匹配問題

空天飛行所使用的組合動力在從低速到高速(或相反)過程中需要經(jīng)歷以不同類型熱力循環(huán)系統(tǒng)為主工作的多個模態(tài)，包括渦輪模態(tài)、亞燃沖壓模態(tài)、超燃沖壓模態(tài)以及火箭模態(tài)等，要求模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中不失穩(wěn)、不超溫，工作連續(xù)、平穩(wěn)，這就需要重點研究組合發(fā)動機(jī)多種熱力循環(huán)模態(tài)轉(zhuǎn)換與匹配問題。

2)非平衡燃燒化學(xué)動力學(xué)與多相湍流相互作用問題

超聲速燃燒、高空低動壓燃燒、燃燒室點火熄火過程等涉及典型的非平衡燃燒化學(xué)動力學(xué)控制過程。飛行高度高、大氣稀薄時，進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室的空氣密度很低，火箭燃?xì)夂偷兔芏鹊目諝獍l(fā)生摻混和燃燒的過程可能出現(xiàn)新的流動現(xiàn)象，進(jìn)而影響燃燒室的工作狀態(tài)和過程。該過程與發(fā)動機(jī)氣、液兩相流相互作用，機(jī)理過程復(fù)雜。同時，還涉及耐高溫材料、能量綜合管理、新能源與新燃料等一系列基礎(chǔ)性問題。

圖14 超聲速燃燒示意

3)內(nèi)外流耦合問題

發(fā)動機(jī)利用飛行器前體進(jìn)行外壓縮，同時尾噴管利用飛行器后體膨脹，發(fā)動機(jī)與飛行器耦合緊密，且進(jìn)氣道起動/不起動對飛行器影響極大。對空天飛行器而言，寬域飛行包線下內(nèi)流和外流的流動特征不斷改變，內(nèi)外流之間的耦合關(guān)系也隨之不斷調(diào)整，耦合作用機(jī)理復(fù)雜[23-24]。

2.2 空氣動力學(xué)、熱力學(xué)與等離子體動力學(xué)

空天飛行器不僅面臨航空空間的空氣動力學(xué)、太空空間的軌道力學(xué)問題，還經(jīng)歷臨近空間連續(xù)流、滑移流、過渡流、自由分子流等空氣組分變化，同時存在著力、熱、聲、電磁等環(huán)境共同作用，高速飛行時面臨著高溫真實氣體效應(yīng)、稀薄氣體效應(yīng)、邊界層轉(zhuǎn)捩等復(fù)雜流動現(xiàn)象。因此，需將跨空域飛行過程面臨的氣動基礎(chǔ)科學(xué)問題解耦，加強(qiáng)機(jī)理性認(rèn)知，同時積極探索邊界層和等離子體等流動控制方法，提高空天飛行器寬速域升阻比、降低熱流密度，改善大空域空天飛行操穩(wěn)特性[25-27]。

圖15 空天飛行器內(nèi)外流耦合現(xiàn)象

1)高溫真實氣體效應(yīng)問題

空天飛行器以高超聲速飛行時，當(dāng)外流場大于Ma8時，將出現(xiàn)高溫真實氣體效應(yīng)，近壁流場中出現(xiàn)離解、電離和化學(xué)非平衡效應(yīng)、表面催化等現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生氣動力/熱性能與不考慮高溫真實氣體效應(yīng)的情況產(chǎn)生差異、高溫化學(xué)非平衡流動出現(xiàn)而影響氣動力/熱性能的準(zhǔn)確預(yù)測、地面試驗難以模擬高溫真實氣體效應(yīng)等問題。

圖16 高超聲速空氣動力學(xué)

2)邊界層轉(zhuǎn)捩問題

高馬赫數(shù)飛行時，空天飛行器表面將存在大范圍層流邊界層區(qū)，并在其后形成層流向湍流變化的轉(zhuǎn)捩區(qū)。邊界層轉(zhuǎn)捩與湍流問題屬于世界性難題，邊界層內(nèi)擾動傳播與發(fā)展模態(tài)多樣，轉(zhuǎn)捩的誘發(fā)因素復(fù)雜，轉(zhuǎn)捩區(qū)域預(yù)測難度大。對于氣動熱環(huán)境的預(yù)測、熱防護(hù)設(shè)計、進(jìn)氣道性能影響顯著。

圖17 邊界層轉(zhuǎn)捩

3)稀薄氣體效應(yīng)問題

空天飛行器在臨近空間飛行時將經(jīng)歷過渡流區(qū)和自由分子流區(qū)，氣態(tài)分子出現(xiàn)飛行器表面滑移、電子能級躍遷等復(fù)雜效應(yīng)，傳統(tǒng)基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和理想氣體模型的N-S方程數(shù)值模擬手段已不適用，需開展基于Boltzmann方程、DSMC等新方法流場分析與模擬技術(shù)，超高速低密度風(fēng)洞試驗技術(shù)等基礎(chǔ)模擬驗證手段研究。

圖18 稀薄氣體效應(yīng)

2.3 結(jié)構(gòu)與材料學(xué)基礎(chǔ)性問題

要實現(xiàn)自由往返空天飛行，需要全新的材料結(jié)構(gòu)體系作為支撐，主要面臨三個方面的問題：①跨域飛行環(huán)境復(fù)雜，飛行器結(jié)構(gòu)/材料承受力、熱、聲、振、粒子、電磁等多種復(fù)雜的耦合環(huán)境；②不同環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)/材料的影響機(jī)理復(fù)雜，目前沒有完備的表征手段；③由此帶來結(jié)構(gòu)/材料領(lǐng)域新的挑戰(zhàn)，要求重量更輕、防熱能力更優(yōu)、可重復(fù)使用性能更好等。因此，未來空天飛行器面臨著新的結(jié)構(gòu)/材料體系的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1)高超聲速飛行結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)問題

空天飛行面臨著惡劣的力、熱、化學(xué)環(huán)境，存在氧化性強(qiáng)的離解氣體。因此對飛行器結(jié)構(gòu)提出了以下要求：外形扁平、尺度規(guī)模大，工作時間長、可達(dá)小時級、結(jié)構(gòu)輕量化要求高，可重復(fù)使用性能需求復(fù)雜。

圖19 航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面熱環(huán)境

2)高超聲速飛行材料基礎(chǔ)問題

現(xiàn)有基礎(chǔ)材料已不能完全滿足空天飛行器使用要求，存在著前緣材料的耐溫、抗氧化、抗沖刷、抗熱震和可重復(fù)使用問題，隔熱材料的耐溫、高效隔熱、輕質(zhì)和可重復(fù)使用問題，主承載結(jié)構(gòu)材料的大剛度、高強(qiáng)度、輕質(zhì)和可重復(fù)使用問題等。因此需要針對材料應(yīng)用要求，開展新材料的研制，或者對現(xiàn)有材料進(jìn)行改進(jìn)，從材料機(jī)理、材料設(shè)計、制備工藝方法、地面試驗、飛行試驗等方面解決不同材料的核心性能問題。

圖20 防隔熱一體化材料

3)可重復(fù)使用大型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)問題

大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的剛度對空天飛行器氣動性能、飛行控制具有重要影響。例如航天飛機(jī)軌道器的一階頻率不到2 Hz，在20 Hz范圍內(nèi)的模態(tài)多達(dá)50個左右，氣動彈性問題突出。而高溫、大溫度梯度、扁平外形、輕量化要求，都為提高空天飛行器結(jié)構(gòu)剛度帶來了極大的難度。因此，需要結(jié)合熱管理技術(shù)的研究，從新材料應(yīng)用、設(shè)計技術(shù)、制造技術(shù)等各個方面，解決大型冷結(jié)構(gòu)、大型熱結(jié)構(gòu)的熱變形匹配、剛度設(shè)計與結(jié)構(gòu)輕量化等問題，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量低、抗變形能力強(qiáng)、重復(fù)使用可靠的目標(biāo)。

4)結(jié)構(gòu)功能一體化問題

在嚴(yán)酷的力、熱、聲疲勞及高溫蠕變等載荷、復(fù)雜靜/動力學(xué)條件下，高指標(biāo)要求的載荷與熱防護(hù)系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)水平下有較大風(fēng)險，需從可重復(fù)使用材料、輕質(zhì)高效熱防護(hù)、結(jié)構(gòu)輕量化及集成應(yīng)用實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)材料性能與熱防護(hù)代價、承載防隔熱性能匹配與飛行器減重、結(jié)構(gòu)可靠性與輕量化等耦合問題。

5)結(jié)構(gòu)檢測與健康管理問題

空天飛行器往返于地球表面和太空之間執(zhí)行各類空間任務(wù)，在多次往返使用過程中，可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形、材料退化等問題。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測通過集成傳感器獲取和分析數(shù)據(jù)以確定結(jié)構(gòu)健康狀況的過程實現(xiàn)原位監(jiān)測和實時在線診斷，系統(tǒng)進(jìn)行完整性評估，確定剩余壽命。及時掌握空天飛行器在軌道和地面上的健康狀況對于維持其可靠性和安全性有重大意義[28-33]。

2.4 制導(dǎo)控制基礎(chǔ)科學(xué)問題

空天飛行器面臨復(fù)雜的環(huán)境特性、任務(wù)特性以及飛行器本身多要素耦合等特點，對制導(dǎo)控制技術(shù)提出了四大方面的新挑戰(zhàn)：

復(fù)雜的動力學(xué)特性、復(fù)雜的軌跡約束、高要求的穩(wěn)定控制以及高難度的探測識別。

圖21 空天飛行器制導(dǎo)控制面臨的挑戰(zhàn)

1)動力學(xué)特性復(fù)雜問題

①力、熱、聲、振多場耦合外部環(huán)境特性以及由高速飛行帶來的復(fù)雜流動機(jī)理，使得空天飛行器動力學(xué)建模存在較大的不確定性；②機(jī)體、推進(jìn)一體化-內(nèi)外流場耦合嚴(yán)重，氣動特性與推進(jìn)特性互相影響與制約；③飛行器結(jié)構(gòu)在嚴(yán)酷力熱載荷作用下產(chǎn)生彈性形變與彈性振動，對飛行動力學(xué)產(chǎn)生顯著影響[34]。

圖22 機(jī)體彈性影響示意圖

2)軌跡約束復(fù)雜問題

①飛行器爬升段涉及氣動姿態(tài)角、燃油當(dāng)量比和火箭流量等多設(shè)計變量，對攻角、側(cè)滑角的上下邊界和動態(tài)變化過程限制約束多，不同控制輸入間、控制輸入與飛行狀態(tài)間的交叉耦合動力學(xué)耦合強(qiáng)；②飛行器再入飛行段面臨力熱載荷要求帶來的動壓、過載和熱流等約束，同時還應(yīng)充分考慮返場需求帶來的終端速度、高度及航程約束，飛行走廊狹窄、復(fù)雜氣動環(huán)境帶來較大不確定性等問題；③臨近空間大氣稀薄，導(dǎo)致單純依靠氣動力實現(xiàn)軌跡機(jī)動難度較高，同時臨近空間環(huán)境導(dǎo)致飛行器舵效無法滿足姿態(tài)回路快速指令響應(yīng)的需求。

圖23 空天飛行器再入走廊示意

圖24 氣動、動力、軌跡強(qiáng)耦合制導(dǎo)

3)穩(wěn)定控制要求高問題

①為滿足空天飛行器跨大氣層飛行，需引入直接力、氣動力復(fù)合控制方式，其噴流干擾特性將顯著影響直接力及氣動力矩大小和方向，模型不確定性影響增大；②為了滿足寬域飛行，引入增升裝置或附加控制裝置會顯著對彼此流場產(chǎn)生干擾和影響，改變操縱效率；③為實現(xiàn)全飛行包線靜穩(wěn)定，放寬靜穩(wěn)定性設(shè)計使得剛體穩(wěn)定控制性能與彈性抑制不能兼顧，彈性靜不穩(wěn)定控制設(shè)計。

4)探測與識別難度高問題

①高速飛行過程中氣動光學(xué)效應(yīng)影響了光學(xué)設(shè)備對目標(biāo)的探測和識別，振動及大過載機(jī)動會嚴(yán)重影響高分辨率成像；②空天飛行器為適應(yīng)高超聲速飛行，通常采用扁平前體結(jié)構(gòu)，使得雷達(dá)體積(特別是天線尺寸)受限，同時氣動加熱引起的熱噪聲問題突出，將會影響成像探測；③空天飛行器機(jī)體周圍形成等離子鞘套，電磁波產(chǎn)生反射、折射及散射，同時吸收電磁波能量，產(chǎn)生射頻黑障，影響通信設(shè)備正常工作。

圖25 紅外窗口外流場結(jié)構(gòu)示意圖

圖26 產(chǎn)生黑障過程再入飛行器周圍流場分布

5)動力學(xué)建模問題

一方面，稀薄氣體效應(yīng)、高溫氣體效應(yīng)以及流動轉(zhuǎn)捩等物理現(xiàn)象機(jī)理尚未完全揭示，對氣動和動力特性的預(yù)測具有很大不確定性，可能導(dǎo)致動力學(xué)建模存在嚴(yán)重的誤差。另一方面，空天飛行器面向動力學(xué)分析與控制建模主要采用傳統(tǒng)基于系數(shù)凍結(jié)的小擾動線性化模型簡化方法，尚無完備理論依據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。同時擾動模型是基于泰勒展開的數(shù)學(xué)原理獲得，忽略了高階項小量，采用基于擾動模型設(shè)計的分段控制器在飛行過程中出現(xiàn)模型參數(shù)大氛圍劇烈變化時，可能導(dǎo)致控制失穩(wěn)。

6)故障診斷與容錯控制技術(shù)

空天飛行器作為可重復(fù)使用飛行器，其控制精度和穩(wěn)定度的要求較高。為了保障空天飛行器自主運行，在通常的“避錯”和被動式容錯的技術(shù)手段上，必須大力發(fā)展和應(yīng)用自主式故障診斷和系統(tǒng)重構(gòu)等容錯技術(shù)，發(fā)展空間智能自主控制技術(shù)，對空天飛行器控制系統(tǒng)故障進(jìn)行分析和對策研究，使得系統(tǒng)具有自主故障診斷和重組、重構(gòu)的容錯控制能力，以提高系統(tǒng)可靠性[35-39]。

2.5 試驗基礎(chǔ)科學(xué)問題

空天飛行器試驗驗證主要包括地面試驗和飛行試驗兩種方式。其中，地面試驗(風(fēng)洞試驗)主要包括動力系統(tǒng)試驗、氣動性能試驗、綜合環(huán)境結(jié)構(gòu)性能試驗等;飛行試驗主要包括帶飛試驗、自主飛行試驗等?？仗祜w行器飛行環(huán)境復(fù)雜、飛行包絡(luò)寬，在地面難以建立完全模擬真實飛行環(huán)境的試驗設(shè)施條件，而飛行試驗往往成本高、周期長、不可重復(fù)使用，同樣存在局限性。因此，空天飛行器面臨著天地一致性、試驗真實性覆蓋性差等問題。

圖27 地面風(fēng)洞試驗

1)地面試驗技術(shù)問題

空天飛行器構(gòu)型復(fù)雜、制導(dǎo)控制系統(tǒng)非線性且多約束、飛行過程面臨嚴(yán)酷的力、熱、電等綜合載荷環(huán)境問題，對其地面仿真試驗的模擬條件、測量精度和試驗設(shè)計提出了很高的要求。因此需要開展地面試驗機(jī)理分析，建立多領(lǐng)域緊耦合的高效虛擬飛行試驗方法，開展模擬空天飛行特有的自然環(huán)境、力學(xué)環(huán)境、氣動虛擬驗證、電磁環(huán)境和綜合環(huán)境的空天環(huán)境模擬技術(shù)研究，深化縮尺相似準(zhǔn)則,總溫、總壓、馬赫數(shù)匹配調(diào)節(jié)技術(shù),高馬赫數(shù)長時間高焓風(fēng)洞驅(qū)動技術(shù)等研究，滿足空天飛行器研制和試驗需求。

圖28 HyFly風(fēng)洞試驗

2)飛行試驗技術(shù)問題

從20世紀(jì)60年代以來開展的空天飛行器技術(shù)驗證飛行試驗項目來看，飛行試驗安排的時機(jī)有兩個：①在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)中，無法通過地面試驗進(jìn)行驗證的項目，需要進(jìn)行飛行試驗驗證；②在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)進(jìn)展到一定程度，需要進(jìn)行氣動、動力、結(jié)構(gòu)、控制等多項技術(shù)集成驗證時，需要進(jìn)行飛行試驗驗證。因此開展飛行試驗是進(jìn)行臨近空間相關(guān)技術(shù)研究的重要手段，應(yīng)采用成熟技術(shù)研制飛行試驗平臺，開展支撐演示驗證的精確測量技術(shù)研究等。

圖29 X-51高超聲速飛行試驗

3 空天飛行技術(shù)發(fā)展展望

3.1 開辟新太空時代，助力空天發(fā)展

太空是人類未來發(fā)展前沿，發(fā)展新一代航天運輸系統(tǒng)，是人類大規(guī)模發(fā)展建設(shè)太空，開辟新太空時代的根本前提。空天飛行器“廉價、快速、靈活、機(jī)動”的技術(shù)優(yōu)勢，將顛覆現(xiàn)有進(jìn)出空間的方式，開辟以高頻次航天發(fā)射和大規(guī)?？臻g應(yīng)用為主要特征的新太空時代。

空天飛行器以吸氣式組合發(fā)動機(jī)為動力，在機(jī)場水平起降，充分利用大氣中的氧，降低推進(jìn)劑消耗，通過重復(fù)使用降低發(fā)射成本；通過“航班化”運行實現(xiàn)發(fā)射任務(wù)的快速、緊急發(fā)射；在稠密大氣至臨近空間高速機(jī)動飛行，可捕捉更多的發(fā)射、返回機(jī)會。

圖30 航班化起飛

圖31 高機(jī)動能力捕獲更大發(fā)射窗口

空天飛行器可以自由進(jìn)出太空，向空間站等空間系統(tǒng)補(bǔ)充人員、物資、燃料，提供在軌服務(wù)，把空間站內(nèi)制成的產(chǎn)品運回地球，支撐太空建設(shè)；還可以搭載乘客進(jìn)行太空旅行，方便地到達(dá)世界的任何敵方。此外，空天飛行器還可以對自然災(zāi)害進(jìn)行快速響應(yīng)等。

圖32 空天飛行器應(yīng)用

3.2 吸氣式組合動力是空天飛行器的核心，三組合發(fā)動機(jī)是重要發(fā)展方向

單一類型動力無法滿足水平起降、寬速域機(jī)動、高效飛行等自由往返需求，吸氣式組合動力是必然發(fā)展趨勢。組合動力能夠根據(jù)不同速域靈活采用最優(yōu)熱力循環(huán)模式，使全程平均比沖性能達(dá)到最優(yōu)；吸氣式動力能夠充分利用大氣中的氧，實現(xiàn)高效推進(jìn)；并且能夠滿足高頻次重復(fù)使用要求，實現(xiàn)便捷水平起降和自由轉(zhuǎn)場飛行。因此發(fā)展吸氣式組合動力空天飛行器已成為歷史發(fā)展的必然選擇。

組合動力中，TBCC發(fā)動機(jī)綜合比沖性能較優(yōu)，但存在推力陷阱和難以入軌問題；RBCC發(fā)動機(jī)初始低速段比沖性能較低，燃料消耗量大。三組合發(fā)動機(jī)可兼顧低速燃油經(jīng)濟(jì)性和寬域高馬赫數(shù)加速性，能夠最大程度利用大氣中的氧，實現(xiàn)最優(yōu)比沖性能。因此，三組合發(fā)動機(jī)是未來吸氣式組合動力的重要發(fā)展方向[40]。

3.3 推動航空航天融合，帶動空天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展

空天飛行技術(shù)的發(fā)展將帶來航空技術(shù)的新飛躍，促進(jìn)航空航天技術(shù)體系深度融合，帶動制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)變革升級。航空航天技術(shù)的深度融合，將帶動基礎(chǔ)科學(xué)研究和高新科技群體突破，引領(lǐng)高效推進(jìn)、自動控制、太空制造、空間探測、人工智能技術(shù)等一大批前沿技術(shù)的群體躍升。

圖34 三組合發(fā)動機(jī)比沖性能

空天飛行技術(shù)的發(fā)展將為高速交通、天地往返可重復(fù)使用運輸、大規(guī)?？臻g開發(fā)和深空探測提供“廉價、安全、便捷、機(jī)動”的航天運輸新模式，在牽引衛(wèi)星導(dǎo)航、廣播通信、商業(yè)航天、空間試驗等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)上，推動高效能源、人工智能、太空經(jīng)濟(jì)等產(chǎn)業(yè)衍生集群，搶占新興經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)增長點。

圖35 三組合發(fā)動機(jī)是重要發(fā)展方向

圖36 空天飛行領(lǐng)域科學(xué)研究體系

圖37 波音公司Ma 5級高超聲速客機(jī)

4 結(jié)束語

空天時代已經(jīng)來臨，發(fā)展空天飛行技術(shù)能夠支撐未來大規(guī)模開發(fā)和利用空間，將形成"廉價、便捷、安全、機(jī)動"的天地往返運輸工具，開辟以高頻次航天發(fā)射和大規(guī)?？臻g應(yīng)用為主要特征的新太空時代，推動空間產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。