【中國科學報】空天飛機讓天地往返不再難
發(fā)布日期：2013-10-29 閱讀次數(shù)：
長期以來，人們一直期盼能有一種交通工具可以在大氣層內外自由穿梭，既可以像飛機一樣在大氣層內飛行，又可以像宇宙飛船一樣在太空遨游。如今俄羅斯、日本、德國都在研制空天飛機，美國正在打造體形更大的X-37C空天飛機。人們的這種設想正逐漸走向現(xiàn)實。
■本報記者 魏剛
一架從紐約飛往北京的民航客機在起飛5分鐘后，隨著火箭發(fā)動機點火沖出大氣層進入太空，經過太空巡航后再次進入大氣層并平穩(wěn)降落在首都機場，整個飛行時間只有30分鐘。這不是天方夜譚，也不是科幻小說，隨著科技發(fā)展，跨洲際旅行將因為這種空天飛機而變得像從家到單位一樣容易。
長期以來，航空與航天是兩個不同的領域，大氣層內由飛機、飛艇、熱氣球等統(tǒng)治，而大氣層外，則是宇宙飛船、航天飛機、衛(wèi)星、空間站的世界。人們一直期盼能有一種交通工具可以在大氣層內外自由穿梭，既可以像飛機一樣在大氣層內飛行，又可以像宇宙飛船一樣在太空遨游，同時不需要助推火箭和復雜的發(fā)射場以及回收措施，就可以依靠自身動力從任何一個普通機場起飛并安全降落。
隨著2010年美國空天飛機X-37B的試飛成功，這種設想正逐漸走向現(xiàn)實，如今俄羅斯、日本、德國都在研制空天飛機，美國正在打造體形更大的X-37C空天飛機。
那么，什么是空天飛機？它與普通飛機有何不同？未來是否能給航空運輸業(yè)帶來劃時代的革命呢？
大氣層內外的無縫銜接
北京理工大學教授張景瑞告訴《中國科學報》記者，空天飛機的飛行高度比普通飛機高，但比衛(wèi)星軌道要低，顧名思義，“空天”兩字是航空與航天的簡稱。空天飛機是將普通飛機與航天飛機有機結合在一起的一種既能航空又能航天的新型飛行器。
它既能像普通飛機一樣起飛，在幾十萬米高空以高超音速在大氣層內飛行，又可加速沖出大氣層，直接進入地球軌道做航天飛行，返回大氣層后像飛機一樣在機場著陸。
軍事專家、《航空知識》副主編王亞男在接受《中國科學報》記者采訪時指出，空天飛機方案主要有兩種：一種是擬用作跨洲際飛行的高超音速運輸機，能以5～6倍音速在3萬米的高度做巡航飛行；另一種為“跨大氣層飛行器”，可做軌道飛行（飛入地球低軌道的速度為25倍音速），也可在次軌道做氣動力機動，然后再回升到軌道上以軌道速度航行。
目前，投入試飛階段的空天飛機當屬美國的X-37B。它于2010年4月從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地，被“阿特拉斯5號”火箭發(fā)射升空。在太空遨游了7個月后，自主重返大氣層，于當年12月3日在加州范登堡空軍基地著陸。盡管在起飛階段還需要火箭運送，但是已經具備了在大氣層內外飛行的能力。
而今年5月美國X-51A的試飛則讓飛行器達到了5.1馬赫的高超音速。這意味著科學家們已經對航空與航天技術的無縫對接有所掌握，對超高音速飛行的動力和材料問題也找到了解決的方向，“空天一體化”正逐漸夢想成真。
組合動力與耐高溫材料
由于空天飛機要在大氣層內與太空中交替可重復使用，因此對動力和材料要求很高。
中國工程院院士、航空動力專家劉大響在接受《中國科學報》記者采訪時指出，與普通的噴氣式飛機不同，空天飛機在動力上使用的是組合發(fā)動機，即噴氣式發(fā)動機與沖壓發(fā)動機相配合。一般先由噴氣式發(fā)動機將空天飛機助推到1.8馬赫，這時沖壓發(fā)動機才能啟動，靠沖壓發(fā)動機實現(xiàn)超音速巡航。
王亞男告訴記者，發(fā)動機是空天飛機的關鍵。它的發(fā)動機必須保證從零加速到25馬赫的過程中穩(wěn)定高效地工作。而在大氣層外要用火箭發(fā)動機推進，在大氣層內要用噴氣發(fā)動機推進，同時，還要保證大氣層內的高超音速飛行的動力，在空天飛機沖出大氣層或重返大氣層時，還要保證兩種動力的無縫轉換銜接。所以單一類型的發(fā)動機是無法完成這樣的任務的。
目前X-51A使用的是超燃沖壓發(fā)動機，使燃料在超聲速氣流中進行燃燒，使用液氫燃料時，其理論飛行速度可達到6~25馬赫。
由于空天飛機要多次出入大氣層，每次都會因為與空氣的劇烈摩擦而在空天飛機表面產生高溫。目前除了采用碳化硅等耐高溫的復合材料涂層外，另一個辦法就是采用主動式冷卻防熱系統(tǒng)，讓機體結構與防熱系統(tǒng)一體化，即把機體結構設計成夾層式或管道式，讓冷卻劑在夾層內或管道內流動，使它吸走空氣對結構外表面摩擦所生成的熱量。
同時，為了減少重返大氣層和在大氣層內高超音速飛行時的阻力，空天飛機的動力系統(tǒng)還要和機身一體化，并保證發(fā)動機進氣道與排氣道可以隨速度不同而隨時調整形狀，既發(fā)揮最大動力效能又節(jié)省燃料。
改變航空運輸格局尚需時日
《西游記》中孫悟空一個筋斗云就飛了十萬八千里，未來空天飛機能否讓“登天”不再是難事，同時讓洲際間運輸在一小時內完成呢？
王亞男指出，雖然目前X-37B還依靠火箭助推到大氣層外，X-51A還離不開B-52轟炸機搭載到高空，但空天飛機的發(fā)展方向是像普通飛機一樣自主起飛。由于空天飛機可以從機場起飛降落，不需要復雜的發(fā)射場和大功率的火箭和一到兩個月的發(fā)射前準備，并可實現(xiàn)真正的重復使用，未來，空天飛機可以作為固定的貨運客運航班向空間站運送人員和給養(yǎng)，也能作為衛(wèi)星發(fā)射、維修平臺，使航天工程變得輕松而常規(guī)化。
同時，空天飛機的研制使超高音速飛行成為可能，距離不再是障礙，全球交通將被縮短在1小時以內。大型空天飛機可以承擔起跨洲際人員和貨物的運輸任務，將給航空業(yè)帶來劃時代的變革。
但張景瑞認為，空天飛機的民用前景還不好說，因為涉及到飛行成本。當年航天飛機研制之初，人們的目的也是用它來實現(xiàn)天地往返，但是，在實際使用中發(fā)現(xiàn)天地往返的成本太高了，很難作為普及型的交通工具。而當年風光一時的協(xié)和號超音速客機也因為事故而停止了后續(xù)的研制。所以，目前來看，空天飛機還只是一種航空航天的新發(fā)明，離成為大眾化的宇航或洲際運輸工具還有很長的路要走。
當然，除了民用之外，人們無法忽視空天飛機的軍事用途。王亞男指出，空天飛機除了民用外，還有四種軍事用途：首先，由于空天飛機可以在太空部署，未來一旦將太空定位為戰(zhàn)場，它就可對敵方的衛(wèi)星、宇宙飛船甚至太空站下手。只要裝備簡單的機械手，空天飛機就可以破壞或擒獲敵方的衛(wèi)星。其次，空天飛機由于飛行高度高，靈活機動，還可以作為監(jiān)視和預警平臺，代替?zhèn)刹煨l(wèi)星，監(jiān)控敵方軍事行動，為己方軍事行動提供信息和預警。第三，空天飛機可以自由往返于太空和大氣層，所以如果在空天飛機上安裝激光武器和導彈，它就可以隨時攻擊地面的目標。此外，由于空天飛機飛行速度高達25馬赫，所以可承擔全球范圍的快速打擊任務和軍事物資的投送任務。
就像汽車、飛機的發(fā)明，讓人們的活動半徑前所未有的擴大，也改變了空間與時間的概念；未來，空天飛機也許將給人類帶來一個不一樣的世界。
（審核：王征）
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