空天飞机——未来航天新动向

万永刚

当人类第一次将足迹跨出大气层外时，航天员们乘坐的航天飞机在太空中看起来如同拖着火尾的白色长箭。数十年过去，长箭穿空的辉煌不断延续，到“神舟七号”上翟志刚艰难的太空漫步，航天事业再次吸引了世界的目光。展望未来，也许在长箭之后，将是结合了航空航天两者优势的空天飞机的时代。

大鹏原自飞天出

当航空航天技术融合、卫星技术发展和航空航天军事竞争，这三者相互推动，就出现了空天飞机的概念。所谓空天飞机是航空航天飞机的简称，它既可以航空，在大气里飞行；又可航天，在太空中飞行，它的研制体现了航天飞机普通化与普通飞机的航天化。

当航天工业中使用的钛合金应用到飞机上时，飞机的强度大增，从而使飞机飞行高度、速度、灵活性和飞行距离都大为提高。而随着航天火箭发动机安全可靠性的增强，以及航天生命维持系统、航天新材料等的日益成熟完善，使飞机可以利用航空航天二元动力方式、航天密闭舱和生命维持系统来制造。美国的极超音速X－43A无人机就可以视为一种火箭，而俄罗斯拥有的高度灵活变轨战略导弹，也可以视为一种无人机。

另一方面，卫星小型化、轻型化，为高性能飞机作为卫星发射平台、起到第一级“可返回式火箭”的作用奠定了基础。同时，由于新技术的快速发展，在轨卫星的使用寿命增加，所需发射的运载火箭数量减少，现有的固定式发射系统从商业角度讲是极不合算的。换言之，以空天飞机为手段的近地太空航空航天系统，其未来商业潜力十分巨大，可能在10~15年后排挤纯航空系统的地位。

更为重要的是，航空航天的军事竞争不断加剧，大气层上下边缘也不可能是“一片净土”。当航天飞机只能执行纯航天任务，普通战斗机只能在大气层内活动，那么势必要出现空天飞机这样的新型航空器。它既可以像其他太空拦截武器一样，在外层太空待命，又具有更大的自主性和灵活性。它可以做灵活快速的卫星空中发射平台，快速获得信息优势；还可以作为对空、对地作战平台，击毁其他航天器；它还可以潜入大气层攻击地面目标，比普通飞机更加隐蔽。空天飞机在轨飞行时是不需要消耗燃料的，做变轨飞行和姿态调整时也只需消耗很少的燃料，在用副油箱性质的助推火箭发射升空后，如果生命维持系统跟得上，它还可以用做较长时间的空中战斗值班，这也是普通飞机望尘莫及的。

九天太空任我行

空天飞机之所以能兼备航空与航天的功能，奥妙之处就在于它的动力装置。它是飞机发动机和火箭发动机混合配置的动力装置，包括涡轮喷气发动机、冲压发动机和火箭发动机，因此，空天飞机可以在一般的大型机场上起落。起飞时，涡轮喷气发动机先工作，充分吸取大气中的氧，水平起飞后，当速度超过2400千米／时，可以使用冲压发动机，使空天飞机在离地面6万米的大气层内以30000千米／时的速度飞行；如果再用火箭发动机加速，燃烧自身携带的燃烧剂和氧化剂，空天飞机就会冲出大气层，像航天飞机一样，直接进入轨道。返回大气层后，发动机工作顺序相反，在一般的大型机场即可着陆。

长路漫漫竞争先

从上文我们可以看到，空天飞机是非常理想的航空航天飞行器，然而，它的研制过程并不顺利。

首先，三种发动机联合工作的结构非常复杂且不可靠，而研制存在很大的技术问题。要实现跨越大气层飞行，空天飞机必须达到高超音速。所谓高超音速，是指飞行马赫数大于5。而飞行马赫数，是飞行器在空气中的运动速度与该高度远前方未受扰动的空气中的音速的比值。简单来说，就是飞行器速度与音速的比值，马赫数大于1即为超音速。其次，空天飞机多次出入大气层，机体与空气剧烈摩擦产生高热，要求装备质轻高效且能反复使用的防热系统，而航天飞机使用的氧化硅防热瓦还无法达到要求。此外，还有大气层上下的空气动力学问题、发动机与机身一体化等等难题。

从20世纪80年代初开始，美国就开始着力研究发展高超音速技术。1985~1994年，美国实施了庞大的“国家航天飞机计划”，大大推动了高超音速技术的发展，逐步掌握了马赫数小于8的超燃发动机设计技术，并建立了大量的数据库。1996年，洛克希德·马丁公司开始实施空天飞机研制计划，研制出样机“X-33”。2002年，洛克希德·马丁公司在沃鲁普斯岛成功进行了6万磅探空火箭的飞行测试。到2025年，美军将按照计划研制出一架真正意义上的空天飞机，也就是极超音速巡航飞行器，这种飞行器可把卫星送入轨道，也可部署武器进行战斗，飞行速度的马赫数可达到15。其他国家也不甘落后，德国提出了“桑格尔”空天飞机方案，英国提出了“霍托尔”方案，法国、日本、印度等国家也提出了各自的空天飞机计划。俄罗斯研制成功的高超音速新型飞行器——“针”空天飞机已公开亮相。“针”长8米，马赫数为6~14，飞行高度2.6万~5万米，但还需经过4~5年后方可升空试验。

可以想见，在未来数十年中，空天飞机是各国发展航空航天的重要方向，但由于资金技术的限制，还面临着不少波折。要一睹空天飞机的英姿，还得期待科学家们的努力了。