“混血儿”空天飞机

庞之浩

虽然世界上唯一投入使用的美国航天飞机已于2011年7月全部退役，但许多人希望，随着技术的发展，在研究出提高航天飞机可靠性和降低成本的方法后，它能够复活。人们甚至还梦想能研制出能像普通飞机一样完全重复使用且可以水平起降的空天飞机。因为航天飞机是垂直发射、水平降落的，所以升空时很麻烦，并且风险很大，美国挑战者号和哥伦比亚号航天飞机都是因发射时出现故障而失事的。

近日，英国正在研制的航空航天飞机——空天飞机“云霄塔”实现了重大突破，成功测试了“云霄塔”空天飞机的发动机，此后还将进行更多试验以确保其完美无瑕。“云霄塔”在大气层内飞行时，其上的发动机能将氢与空气混合燃烧；出了大气层以后，可将氢与液氧混合燃烧。所以，“云霄塔”被认为是实现人类太空旅行梦想的航天器。那么，什么是空天飞机呢？研制空天飞机有哪些难关？

看起来很美

早在美国航天飞机投入使用不久的20世纪80年代，航天专家就开始构思空天飞机的方案了。空天飞机是航空飞机和航天飞机的“混血儿”，因为它同时装有航空发动机和火箭发动机，所以在大气层内飞行时可像普通飞机一样在跑道上起飞，用航空发动机提供动力，按航空飞机方式飞行和操纵；在大气层外飞行时则由火箭发动机提供动力，按航天器方式飞行和操纵。

这样做的好处是，它在大气层内飞行时可用空气中的氧做氧化剂，因而能大大减少整个飞机的氧化剂装载量，使飞机的质量和体积大大减少，由此降低成本。此外，由于它可像普通飞机一样完全重复使用，且能水平起飞，这样就省去垂直发射所需的复杂设备。

由于这一设想看起来很美，似乎可以像航空飞机那样自由出入太空，想航空就航空，想航天就航天，所以曾在20世纪80年代红极一时，有不少国家提出了多种空天飞机的方案，其中最有名的当属英国的“霍托尔”、美国的“东方快车”和德国的“桑格尔”空天飞机方案了。

不过，因为空天飞机的技术十分复杂，以至于各种方案都没有实质性成果，所以又都纷纷下马了，只有“云霄塔”方案在悄然进行。

“云霄塔”是从“霍托尔”方案演变过来的，所以先了解一下“霍托尔”对认识“云霄塔”的前世今生是有益的。

温故而知新

英国的空天飞机方案叫“霍托尔”，采用单级入轨，即外形和普通飞机基本一样，可完全重复使用。它采用4台吸气式喷气发动机和液氢-液氧火箭发动机的组合动力装置。起飞时吸气式喷气发动机首先启动，速度达到5倍音速、高度为26公里时停止工作，这时火箭发动机启动，直至进入200公里高的近地轨道。

“霍托尔”空天飞机的概念是1982年10月英国宇航公司提出的，主要原因是国际上日益增长的卫星市场和寻求降低发射成本、提高竞争力的途径；同时，也是受美国航天飞机的感染；另外，在未来的地球旅行方面，还需要极大地提高速度。英法联合研制的协和式超音速客机油耗大、噪声大，但速度只有2倍音速。而“霍托尔”从伦敦飞到悉尼只需45分钟，所以能为未来的高超音速民航机提供必要的技术储备。

1984年8月，英国宇航公司又提出了“霍托尔”的方案；同年9月，在世界航展上正式展出“霍托尔”模型，在当时引起了国际宇航界的很大兴趣。1987年，“霍托尔”的概念研究和论证工作大致结束。

“霍托尔”的起飞方式不同于美国航天飞机，也不同于普通飞机。它采用火箭发射车辅助，采用这种起飞方式可降低起飞重量达70吨。“霍托尔”的起飞重量为196吨，着陆重量为34吨，起飞速度为540公里/小时，有效载荷为7～11吨，起飞距离为2300米，载荷规格为7.5米×4.6米；着陆速度为315公里/小时，着陆距离为1800米，轨道飞行时间为50小时。

发动机是“霍托尔”最关键的技术，原定采用罗·罗公司设计的RB545吸气式氢氧发动机，它是高度先进的单一机体式发动机，总重2.5吨，兼有喷气发动机和火箭发动机的功能和优点，有两种工作状态：空气喷气发动机工作状态和液氢液氧发动机工作状态。在吸气方式下，其推力为34.7吨，在纯火箭方式下，其推力为75吨。

RB545发动机的独特之处是它在大气层飞行时，依靠吸入空气中的氧工作，因此可以大大降低液氧的携带量，进而降低了空天飞机的起飞重量。但经过几年的详细研究，英国宇航公司和罗·罗公司都感到无论从经费上还是从技术上，都无力独立承担“霍托尔”的研制开发工作。加之国际形势的变化和世界航天发展方向的改变，最终于1988年决定放弃“霍托尔”计划。

不过在1991年10月的第42届国际宇航联合会会议上，英国宇航公司又报告了英国与苏联合作研究的新“霍托尔”空天飞机方案的设想。新“霍托尔”方案采用2级发射方式，即用苏联安-225大型运输机作为第1级把“霍托尔”驮运到高空，然后分离，“霍托尔”靠自身安装的俄罗斯氢氧火箭发动机进入太空。其结构形式简单得多，也可行得多，技术风险少。但该方案后来也杳无音信。

美国也不行

美国空天飞机的方案与英国的类似，最大特点是以超音速燃烧冲压发动机为主发动机，是航空、航天两用运输系统。20世纪60年代中期，美国马夸特飞机公司和美国航空航天局兰利研究中心曾同时开展了超音速燃烧冲压发动机的试验研制工作。

1981年起，美国国防部高级研究计划局、空军、星球大战计划组织、航空航天局和海军先后投资研究超音速燃烧冲压发动机。这样，空天飞机计划变成了由5家单位联合的计划，并很快得到了时任国防部长温伯格的批准。

1986年2月4日，里根总统向美国国会发表国情咨文，此时正是挑战者号航天飞机悲惨事故发生的一周之后。里根总统强调，他继续支持美国的载人航天计划，包括航天飞机计划和已经提出的永久性载人空间站计划。同时，他还批准了国家空天飞机计划（俗称新的东方快车计划）。里根说：“我们计划研究新的‘东方快车，它能从杜勒斯机场起飞，加速到25倍音速后进入地球轨道，或在2小时内飞抵东京。”里根的讲话标志着美国官方的空天飞机计划正式开始。

根据美国国防部和航空航天局提出的定义，东方快车计划是一项发展重复使用的吸气式高超音速跨大气层飞行器技术的计划，该计划是要通过技术发展和技术演示，为研制高超音速飞行器提供基础。

这种飞行器原定有3大用途：①高性能军用飞机，②高速民航飞机，③空间运输系统。东方快车计划的第一期目标是研制两架X-30试验型飞机，它能够在跑道上水平起飞，加速到入轨速度，然后返回大气层并水平着陆。但主管东方快车计划的人一再强调，X-30只是一架研制机，而不是未来空天飞机的原型机。

1986年4月，美国国防部和航空航天局分别与5家公司签订了X-30的预先设计合同，同时与2家公司签订了发动机和发动机一体化初步设计合同。1987年7～8月，东方快车计划管理办公室对发动机概念进行了评审。1987年8～10月，又对机体设计进行了评审，并选择了3个公司进一步从事机体发展。

美国国会和政府原计划在1990年底做出决定是否研制X-30全尺寸试验机。但由于技术、经费和政治等方面的原因，决策时间一推再推，直到1993年夏，美国决定放弃X-30试验机计划，并将东方快车计划调整。后来，东方快车计划也“流产”。

德国两级式

德国空天飞机的方案叫桑格尔号，采用2级入轨方式。它的第1级是一架大型超音速航空飞机；第2级是轨道器，类似于美国航天飞机轨道器，但要自带液氢-液氧。桑格尔号可在普通机场起飞，第1级飞机上面驮着第2级进入空中，当速度达到2200米/秒、高度为37公里时，第1级和第2级分离，第2级在火箭发动机推动下入轨。

从某种意义上说，德国是航天飞机的故乡，早在1943年德国工程师欧根·桑格尔就提出过以火箭推进的环球轰炸机的设想。1967年，根据桑格尔的建议，德国（当时叫西德）MBB公司和容克斯飞机公司开始研究2级空间运输系统。

1985年，德国为谋求在欧洲空间运载技术方面的领先地位，经过近一年的研究论证，提出了一种比英国霍托尔号冒险性小的空天飞机方案，以作为欧洲当时研制的赫尔墨斯号航天飞机（后来中途下马了）的后继型。为了纪念航天飞机的先驱者欧根·桑格尔，德国把这一方案定名为桑格尔号空天飞机。1986年6月，德国向欧洲航天局提交了该方案，希望作为与英国霍托尔号方案竞争的另一个可供选择的方案。

桑格尔号空天飞机是一种以涡轮冲压发动机和火箭发动机为动力的水平起降的2级方案。第1级驮运飞机的动力装置是吸气式冲压发动机；第2级小型有翼轨道器以火箭发动机为动力，起飞时，轨道器置于驮运飞机背部。驮运飞机的大小与波音747相当，装有4～6台涡轮冲压发动机，每台推力为40.8吨，可使用100次；第2级轨道器重约50吨，其中35吨为推进剂，呈三角翼布局，发动机采用液氢液氧发动机，置于轨道器尾部，推力约30.6～51吨。

德国之所以提出桑格尔号方案，是因为他们怀疑霍托尔号的可行性，认为它需要很长的研制周期，特别是霍托尔号方案所采用的发动机将成为最大障碍。

桑格尔号空天飞机的飞行过程是：驮运飞机把轨道器推进到30公里高，速度达到6倍音速后，两者分离。驮运飞机返回地面着陆。轨道器在自身的液氢液氧发动机推进下，继续爬升，直到进入402公里的近地轨道。在完成轨道飞行任务后，桑格尔号轨道器像美国航天飞机轨道器那样再入大气层并水平着陆。按设想，桑格尔号航天飞机返场休整时间只需几天。

虽然桑格尔号的发射能力和空间适应能力都比较小，但它的技术风险不大，发展成本较低，地面适应能力高，而且更诱人的是它有改装成高超音速客机的潜力。据称，桑格尔号的驮运飞机很容易改装成载客400名以上的高超音速洲际旅客机。德国方面还宣称，桑格尔号每年可进行6次载人飞行，每次费用为1500～2000万美元。

德国曾计划在2006年进行桑格尔号全尺寸机首次飞行，但后来由于欧洲载人航天战略和统一后的德国对宇航投资的态度发生了很大变化，桑格尔号也中止研制了。

总之，从目前来看，空天飞机技术太复杂，即使是相对简单的2级空天飞机技术也很难在现阶段攻克，所以又纷纷下马。于是，这些方案都被束之高阁。但这些探索是很有意义的，为今后的发展奠定了基础。

东山似再起

英国一直不甘心放弃“霍托尔”空天飞机的研制，曾参与“霍托尔”研制的三名工程师于1989年成立了英国反应发动机公司，低调实施名为“云霄塔”的空天飞机计划。“云霄塔”是根据“霍托尔”水平起降概念设计而成，继承并应用了“霍托尔”项目已取得的成果，但是在整体结构、机体以及发动机等方面进行了大量的技术创新，并于1995年完成了初步方案设计工作。

“云霄塔”比美国航天飞机大许多。它长90米、翼展25.4米，理论起飞质量约345吨，是一种采用混合动力、可重复使用、水平起降的单级入轨运载器。

其气动外壳采用被动辐射冷却技术，机身蒙皮采用简单的波纹板冲压技术，隔热系统由多箔片隔热毡、空气隙和贮箱泡沫隔热材料组成，机身采用复合材料桁架结构和悬挂非承力式燃料箱，发动机采用“佩刀”喷气/火箭混合发动机。在飞行最初阶段，它像喷气机一样，从大气中吸入氧气与液氢混合燃烧；当飞到26公里高时，速度达5倍音速。此后，发动机以火箭模式工作，消耗自身携带的氢气和氧气，进入太空。在重返大气层时，“云霄塔”通过一层层的反射箔将热量释放出去。

“云霄塔”是世界上首个采用混合动力发动机的天地运输器，这种混合发动机在技术上已取得新的突破。其另一创新是采用半硬壳式结构，主要承力结构采用碳纤维增强塑料复合材料制成的桁架结构。它还采用了全新的冷却技术，所以能够在吸气飞行阶段提高发动机的效率。“云霄塔”采用的排气喷嘴，可增大发动机功率，使运载能力增加10%。

“云霄塔”按照“先载货后载人”的原则发展，最初用途是发射人造卫星，但随着技术的成熟，它经过较小幅度的改进后可以搭载大约30名乘客，届时一个乘客舱将被安装于“云霄塔”的货舱内，为“国际空间站”接送航天员和物资。目前预计“云霄塔”的成本超过60亿英镑。与空客A380客机的研发费用相比，“云霄塔”的费用并不高。据悉，由于“云霄塔”能重复使用，其每次飞行的费用约630万英镑（合945万美元），而目前运载火箭每次发射费用为5000万美元左右，航天飞机每次发射费用为4～5亿美元。

“云霄塔”未来的目标是将近地轨道运载能力提高到16.5吨。它在降落后两天内可以实现再次起飞，每架“云霄塔”可以完成大约200次飞行任务。其发射成本低的成本优势将使未来的太空旅行更经济、更便捷。它有望到2016年时开始亚轨道试飞，到2018年实现轨道试飞，到2020年能够实现商业运营。

据称，“云霄塔”不仅能取代航天飞机，而且有望将太空旅行提升到新高度。“云霄塔”可在地面以上29公里高度飞行，速度是5倍音速，4个小时内可抵达世界任何角落。

重大新突破

据美国抛物线网站2012年11月28日报道，英国反应发动机公司11月28日公布了自发明喷气发动机以来航空航天推进技术领域最大的突破，“佩刀”喷气/火箭混合发动机完成了重要技术的关键试验。该发动机将能使飞机在4小时内到达地球的另一端，或直接飞入轨道并单级返回，能在跑道上起飞和着陆。

“佩刀”喷气/火箭混合发动机采用喷了气式涡轮和火箭技术。其创新的预冷器技术能在百分之一秒（比眨眼速度还快6倍）内将气流从1000摄氏度冷却到零下150摄氏度，但不会造成霜冻堵塞。近期的试验验证了制冷技术在零下150摄氏度的关键性低温下的免冷冻情况。

欧洲航天局评价了“佩刀”的预冷器热交换机，并对试验结果给出了官方确认：预冷器试验目标已全部完成，欧洲航天局对此表示满意，试验验证了“佩刀”发动机发展所需的技术。

反应发动机公司在完成100多次试验后，已经在其牛津郡的设施厂，将名为飞行重量（flight-weight）的开创性制冷技术和冷冻控制系统与喷气发动机和创新的氦冷却回路集成在一起，从而验证了“佩刀”发动机的新技术，推动了高度创新和有效的热动力循环。

除此之外，反应发动机公司还进行了其他“佩刀”技术演示验证，包括对转涡轮、燃烧室、火箭喷嘴、吸气口等，这标志着向研制“云霄塔”空天飞机又迈近了一步。这些成功的试验是推进技术领域的一次基础性突破。该公司的轻质热交换机将推动对航空发动机的基础热动力循环进行根本性的重新考虑。这种新的循环方式将形成完全不同的运行特征，如高速巡航、低成本、可重复使用的太空进入。

研制吸气式火箭发动机最大的困难，在于轻质高性能的热交换机。随着反应发动机公司这项验证试验的成功，“佩刀”发动机项目可以顺利进入下一阶段研发工作。

从20世纪80年代以来，单级入轨重复使用运载器一直是运载器研制的发展方向和追求目标。当年，“霍托尔”项目是由英国政府投资的，后因英国政府拒绝投资而被迫下马。“云霄塔”采用官方、民间投资者和研究机构三方合作的模式，这样可以发挥官方的资源优势、民间投资者的资金优势和研究机构的技术优势，具有投资灵活性强、对项目进度要求严格等特点。

不过，由于空天飞机技术太复杂，因此在当代科技水平的条件下，“云霄塔”是否能研制出来还很难说。但这种探索是很有意义的，即使不成功也可为今后的发展奠定基础。最后，还是希望空天飞机美梦成真。

（作者单位：中国空间技术研究所）