科技版~超遜偵探~UOD之85~*空天飛機*

空天飛機是既能航空又能航太的新型飛行器。它像普通飛機一樣起飛，以高超音速在大氣層內飛行，加速進入地球軌道後，成為航太飛行器，返回大氣層後，像飛機一樣在機場著陸。

空天飛機是既能航空又能航太的新型飛行器。它像普通飛機一樣起飛，以高超音速在大氣層內飛行，在30～100公里高空的飛行速度為12～25倍音速，並直接加速進入地球軌道，成為航太飛行器，返回大氣層後，像飛機一樣在機場著陸。在此之前，航空和航太是兩個不同的技術領域，由飛機和航太飛行器分別在大氣層內、外活動，航空運輸系統是重複使用的，航太運載系統一般是不能重複使用的。而空天飛機能夠達到完全重複使用和大幅度降低航太運輸費用的目的。

空天飛機是航空太空梭的簡稱，它即可航空（在大氣裏飛行）又可航太（在太空中飛行），是航空技術與航太技術高度結合的飛行器，將把空間開發推向一個新的階段。空天飛機是一種未來的飛機，這種飛機能像普通飛機一樣水準起飛，以每小時1.6萬——3萬公里的速度在大氣層內飛行，而且可以直接加速進入地球軌道，成為太空梭；返回大氣層後，又像飛機一樣在機場著陸，成為自由地往返天地之間的運輸工具，人們稱它為空天飛機。

空天飛機能自由往返於天地之間，凡是太空梭能幹的事，它幾乎都能勝任。它可以把大的衛星送入地球軌道，一次投放多顆衛星更是它的拿手活兒；它能對在軌道上運行的衛星進行維修或回收，當然也可以對敵國的衛星實施破壞，甚至收為己有；它能向空間站運送或接回宇航員和各種物資；更重要的是它還能執行各種諸如攔截、偵察和轟炸等軍事任務，成為頗具威力的空天兵器。

空天飛機飛行速度很快，便於實現全球範圍內的快速客運，地球上任何兩個城市間的飛行時間都用不了2個小時。美國設計的一種空天飛機，乘客305人，可在32公里高度和1.2萬公里航程內巡航，其巡航速度高達5馬赫數。　儘管太空梭比起一次使用的運載火箭前進了一大步，但仍有諸如故障頻繁，費用昂貴等許多不足。而空天飛機與太空梭不同，它的地面設施簡單，維護使用方便，操作費用低，在普通的大型機場上就能水準起飛和降落，具有一般航線班機的飛行頻率。這種飛機的外型與大型客機相似，更多地具有飛機的優點。它以液氫為燃料，在大氣層飛行時，充分利用大氣中的氧氣。加之它可以上百次的重複使用，真正實現了高效能和低費用的優點。據估算，用它發射近地衛星費用只有太空梭的1／5，而發射地球同步衛星費用則可減少一半。這使空天飛機在即將到來的空間商務競爭中立於不敗之地。

60年代初，就有人對空天飛機作過一些探索性試驗，當時它被稱為“跨大氣層飛行器”。由於當時的技術、經濟條件相差太遠，且應用需求不明確，因而中途夭折；80年代中期，在美國的“阿爾法”號永久性空間站計畫的刺激下，一些國家對發展載人航太事業的熱情普遍高漲，積極參加“阿爾法”號空間站的建造。據估計，空間站建成後，為了開發和利用太空資源。向空間站運送人員、物資和器材等任務每年將達到數千次之多。這些任務如果用一次性運載火箭、載人飛船或太空梭來完成，那麼一年的運輸費用將達到上百億美元。為了尋求一種經濟的天地往返運或系統，美、英、德、法、日等國紛紛推出了可重複使用的天地往返運輸系統方案。

1986年，美國提出研製代號為X-30的完全重複使用的單級水準起陣的“國家航空太空梭”，其特點是採用組合式超音速燃燒衝壓噴氣發動機。英國提出了一種名叫“霍托爾”（或譯“霍托克”，意為“水準起落航空太空梭”）的單級水準起降空天飛機，其特點是採用一種全新的空氣液化迴圈發動機。90年代，他們又提出了一個技術風險小，開發費用低的新方案。德國則提出兩級水準起降空天飛機“桑格爾”，第一級實際上相當於一架超音速運輸機，第二級是以火箭發動機為動力的有翼飛行器。兩級都能分別水準著陸。法國和日本也提出過自己的空天飛機設想。80年代末，這股空天飛機熱達到高潮。也激起了中國航空航太專家的很大興趣。

美國空軍的X-37B空天飛機原型機“軌道試驗飛行器1號”將於2010年4月上演處女航。美國東部時間22日19時52分（北京時間23日7時52分），人類首架空天飛機Ｘ－37Ｂ搭乘“阿特拉斯－5”型運載火箭發射升空。按計劃，Ｘ－37Ｂ最多可在太空持續飛行270天。

發展空天飛機的主要目的是想降低空天之間的運輸費用。其途徑歸納起來主要有三條：一是充分利用大氣層中的氧，以減少飛行器攜帶的氧化劑，從面減輕起飛重量；二是整個飛行器全部重複使用，除消耗推進劑外不拋棄任何部件；三是水準起飛，水準降落，簡化起飛（發射）和降落（返回）所需的場地設施和操作程式，減少維修費用。

但是，經過幾年的研究分析，科學家們發規，過去的估計過於樂觀。實際上。上述三條途徑知易而行難。需要解決的關鍵技術難度決非短時間內能突破，這些關鍵技術有：

1、新構思的吸氣式發動機--因為，空天飛機的飛行範圍為從大氣層內到大氣層外，速度從0到M=25，如此大的跨度和工作環境變化是目前現有的所有單一類型的發動機都不可能勝任的，從而也就使為空天飛機研製全新的發動機成為整個項目的關鍵。

眾所周知，噴氣式發動機需要在大氣層中吸入空氣，無需攜帶氧化劑，但無法在大氣層外工作，且實用速度較小；而火箭發動機自帶氧化劑，可以工作在大氣層內外，使用速度範圍較廣，但攜帶的氧化劑較笨重，比沖小。目前設想的空天飛機的動力一般為採用超音速燃燒衝壓發動機+火箭發動機或渦輪噴氣+衝壓噴氣+火箭發動機的組合動力方式。但超燃衝壓發動機的研製上存在相當多的技術問題，而多種發動機的組合方式又使結構變得過於複雜和不可靠。

2、計算空氣動力學分析--太空梭返回再入大氣層的空氣動力學問題，曾經耗費了科學家們多年的心血，作了約10萬小時的風洞試驗。空天飛機的空氣動力學問題比太空梭複雜得多。因為飛機速度變化大，馬赫數從0變化到25；飛行高度變化大，從地面到幾百公里高的外太空；返回再入大氣層時下行時間長，太空梭只有十幾分鐘，空天飛機則為l～2小時。

解決空氣動力學問題的基本手段是風洞。目前，就連美國也不具備馬赫數可以跨越這樣大範圍的試驗風洞。即使有了風洞還需要作上百萬小時的試驗，那意味著就是晝夜不停地試驗，也需要花費100多年的時間。於是，只能求助於電腦，用計算方法來解決，而對那維爾斯托克斯方程的求解目前尚存在許多理論上和計算速度上的問題。

3、發動機和機身一體化設計--空天飛機裏安裝了空氣渦輪發動機、衝壓發動機和火箭發動機三類發動機。空氣渦輪噴氣發動機可以使空天飛機水準起飛。當時速超過2400公里時，就使用衝壓發動機，它使空天飛機在離地面60公里的大氣層內以每小時近3萬公里的速度飛行。如果再用火箭發動機加速，空天飛機就沖出大氣層，像太空梭一樣，直接進入太空

當空天飛機以6倍於音速以上的速度在大氣層中飛行時，空氣阻力將急劇上升，所以其外形必須高度流線化。亞音速飛機常採用的翼吊式發動機已不能使用．需要將發動機與機身合併，以構成高度流線化的整體外形。即讓前機身容納發動機吸人空氣的進氣道，讓後機身容納發動機排氣的噴管。這就叫做“發動機與機身一體化”。

在一體化設計中，最複雜的是要使進氣道與排氣噴管的幾何形狀，能隨飛行速度的變化而變化，以便調節進氣量，使發動機在低速時能產生額定推力，而在高速時又可降低耗油量，還要保證進氣道有足夠的剛度和耐高溫性能，以使它在返回再入大氣層的過程中，能經受住高速氣流和氣動力熱的作用，這樣才不致發生明顯變形，才可多次重複使用。

4、防熱結構與材料--空天飛機需要多次出人大氣層，每次都會由於與空氣的劇烈摩擦而產生大量氣動加熱，特別是以高超音速返回再入大氣層時，氣動加熱會使其表面達到極高的溫度。機頭處溫度約為1800℃，機翼和尾翼前緣溫度約為1460℃，機身下表面約為980℃，上表面約為760℃。因此，必須有一個重量輕、性能好、能重複使用的防熱系統。

空天飛機的結構材料要求很高。在飛行時，它頭部和機翼前緣的表面溫度可達2760℃。這樣，像太空梭上的防熱瓦塊式外衣，就不再適用了。科學家們研製了一種新型複合材料來代替，並且在一些特殊部位採用新型冷卻裝置，避免了高溫的傷害。

空天飛機在起飛上升階段要經受發動機的衝擊力、振動、空氣動力等的作用，在返回再入階段要經受顫振、科振、起落架擺振等的作用。在這種情況下，防熱系統既要保持良好的氣動外形，又要能長期重複使用，維護方便，所以其技術難度是相當大的。

目前的太空梭，由於受氣動加熱的時間短，表面覆蓋氧化矽防熱瓦即可達到滿意的防熱效果，但對空天飛機則遠遠不夠。如果單靠增加防熱層厚度來解決問題，則將使重量大大增加，而且防熱層還不能被燒壞，否則會影響重複使用。一個較簡單的解決辦法是在機頭、機翼前緣等局部高溫區，使用傳熱效率特別高的吸熱管來吸熱，以便把熱量轉移到溫度較低的部位。更好的辦法是採用主動式冷卻防熱系統，也就是把機體結構與防熱系統一體化，即把機體結構設計成夾層式或管道式，讓推進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。

為了滿足空天飛機的防熱要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工藝製造純度很高、品質很輕的耐高溫合金。美國已研製出高速固化鈦硼合金，它在高溫下的強度可達到目前使用的鈦合金在室溫下的強度，這種合金適宜用來製造機身內層結構骨架。

機頭與機翼等溫度最高的部位，要求採用碳複合材料，這種複合材料表面有碳化矽塗層，重量輕，耐高溫性能好。此外，還需要研究金屬基複合材料，例如碳化矽纖維增強的鈦複合材料等。這種材料應該兼有碳化矽的耐高溫性能，又具有鈦合金的高強度特性。

空天飛機技術難度大，所需投資多，研製週期長，所以將來進入全尺寸樣機研製，勢必也會象空間站那樣採取國際合作的方式。

太空梭，其原意為太空往返航班。美國人在完成阿波羅登月計畫後，緊接著實施空間站計畫，1973年5月發射了“天空實驗室”實驗性空間站，並為此研製了太空梭，作為可重複使用的天地往返運輸系統，逐步取代了一次性使用的運載火箭。在當時的技術條件下，要使整個太空梭系統都能重複使用，有很大困難。因此，美國將其分為三部分：軌道飛行器可重複使用100次，固體火箭助推器可重複使用20次，外掛燃料箱為一次性使用。但是，直到1981年4月，太空梭才試飛成功，而且以後的飛行表明，並沒有達到降低運輸費用的目的。主要是解決防熱、安全等技術問題，並降低發射、維護費用。

除美國外，世界上計畫進行太空梭研製的還有：蘇聯(俄羅斯)的“暴風雪”號太空梭，其軌道飛行器可重複使用，它由一次性使用的“能源”號火箭發射，返回時像飛機一樣水準著陸；1988年10月，無人駕駛軌道試飛成功後，計畫被取消。歐洲航天局的“赫爾墨斯”太空梭計畫，也放慢了步伐。日本計畫的“希望”號無人駕駛太空梭，也只進行了縮比模型試驗。

實現空天飛機的技術難度比太空梭更大，主要是三種動力裝置的組合和切換，高強度、耐高溫的材料(高速飛行時，其頭錐溫度可達2760℃，機翼前緣達1930℃，機身下也可達1260℃)和具有人工智慧的控制系統等。這些都需要進行大量的研究和技術攻關。

技術難度和資金短缺，使各國的空天飛機計畫難有進展。如英國的“霍托”號空天飛機，最終也與德國的“桑格爾”空天飛機一樣，先由大型飛機馱至高空，然後從飛機上起飛進入太空。美國也決定重新確定國家空天飛機(NASP)計畫進程，暫不研製X－30驗證機，而先研究解決技術問題。

最近一段時間，關於空天飛機試驗的消息又不時傳來。分為兩種情況，一種是純粹空天飛機試驗，如美國國家航空航天局，計畫對新研製的極超音速X-43A無人機進行最後一次試飛，以驗證其技術性能和指標。這一次試飛的目標，是為檢測這種飛機能否在10倍音速的條件下飛行。另一種是以最先進的普通戰鬥機進行執行某些航太任務的試驗，以使這類普通戰鬥機帶有某種空天飛機的特徵。例如，繼美國利用L－1011型運載飛機和B－52飛行實驗室承載“飛馬座”運輸航太系統，將重量為347公斤的STEP－1型衛星送上地球軌道。俄羅斯也計畫利用米格－31重型殲擊機發射小型衛星，即把米格－31作為向低軌道發射衛星的第一級“可返回式火箭”。米格－31現在可以將8~10噸的火箭攜帶到20多公里的高度，保證其發射初速達到3000公里/小時。

上述情況反映出一種趨勢，不僅存在著太空梭向普通飛機轉換的工業路線，而且也存在著普通飛機向太空梭轉換的工業路線，使高性能軍用飛機向著兼具航太功能的方向發展。這種趨勢預示著未來高性能戰鬥機將具有航太功能，這將是第六代戰鬥機所要實現的革命性跨越。可多次使用的航太發射載具——空天飛機將是建立外太空基地的主力軍。

太空梭普通化與普通飛機航太化的空天飛機研製，其實是航空航太技術、衛星技術發展和航空航太軍事競爭的結果，同時也有航太市場需求的牽引作用。

航空航太技術的發展推動空天技術融合。過去，當航太工業中使用的鈦合金應用到飛機上時，飛機的強度(包括抗摩擦、抗高溫、抗超載負荷等)大增，從而使飛機飛行高度、速度、靈活性和飛行距離都大為提高。當前，隨著航太火箭發動機安全可靠性的增強，以及航太生命維持系統、航太新材料等的日益成熟完善，使飛機可以利用航空航太二元動力方式、航太密閉艙和生命維持系統來製造。美國的極超音速X－43A無人機可以視為一種火箭，而俄羅斯擁有的高度靈活變軌戰略導彈，也可以視為一種無人機。

衛星小型化，為高性能飛機作為衛星發射平臺、起到第一級“可返回式火箭”的作用奠定了基礎。現在，輕型衛星已越來越成為主流，因為電子技術的快速發展，使電腦體積和重量大為減少。據統計，21世紀初，100~300公斤級衛星的發射數量減少了35%；相比之下，計畫發射的1~100公斤級衛星的數量增加了68%；到2010~2015年，重量為1~100公斤的衛星最終將成為主流。同時，由於新技術的快速發展，在軌衛星的使用壽命增加，所需發射的運載火箭數量減少，現有的固定式發射系統從商業角度講是極不合算的。換言之，以空天飛機為手段的近地太空航空航太系統，其未來商業潛力十分巨大，可能在10~15年後排擠純航空系統的地位。

商業價值--隨著航太活動規模的擴大，估計在21世紀，僅美國送入軌道的總重量達9萬噸，因此，每年的運輸量將猛增到數萬噸。但是，目前最先進的航太運輸工具——美國現在的太空梭，運送每公斤有效載荷進入地球軌道的費用達11607美元（1986年美元值）。因此，大幅度降低航太運輸費用，已成為開展大規模航太活動的關鍵問題之一。

據目前估計，空天飛機的運輸費用至少可降到目前太空梭的1／10，甚至可降到1 ％。此外，用空天飛機發射、維修和回收衛星，不需要規模龐大、設備複雜的航太發射場和長達一兩個月的發射前準備，也不受發射視窗的限制。它完成一次飛行任務後，經一周的維護就能再次起飛，能適應頻繁發射的需要，它的投入使用，將使人類可以方便地進入空間，“登天”就不再成為難事了。

提高飛機的飛行速度一直是航空界努力的目標。從50年代起美國就開始探索和研究高超音速飛行，30多年來，時起時落，一直沒有取得重大突破。空天飛機的研製將帶來航空技術的新飛躍，將使航空技術從超音速飛行躍入高超音速飛行的時代，無疑，將會進一步推動航空工業的發展。空天飛機作為一種高超音速運輸機，具有推進效率高、耗油低、載客（貨）量大、飛行時間短等優點，是實現全球範圍空運的一種經濟而有效的工具。

軍事價值

空天飛機還具有重要的軍事價值，可作為戰略轟炸機、戰略偵察機和遠端截擊機使用，這對進一步發揮戰略空軍的作用具有重要意義。空天飛機最高時速3萬公里，可在海拔200公里的繞地軌道飛行。

美國正開發新型的航空太空梭，在有人駕駛時，能在常規機場水準起飛和著陸；還可在大氣層內飛行，此時飛行馬赫數為5，從美國的紐約飛往東京只需2小時；也可作地球大氣層外的軌道飛行，此時的飛行速度為25倍音速，僅需90分鐘就能繞地球一周。除作常規的民航機外，它還可代替現有的太空梭作軌道飛行。據估計，使用高超音速航空太空梭可使民航機的速度增加6倍，而航太飛行器的發射費用減少90% 。 1986年2月，美國總統在國情咨文講話中，把航空太空梭稱作新的“東方快車”，要求它在本世紀末投入使用。這種航空太空梭是航空航太技術一體化的體現，能在常規飛機跑道上起飛和著陸，自由方便地往返大氣層的一種新型飛行器。其起飛重量不到第一代太空梭總重的1/5（約500噸），而運載能力則提高兩倍多（達60噸以上），這樣就可大幅度降低航太運輸費用。

在軍事上，這種空天飛機既可作為全球高超音速運輸、洲際轟炸和戰略偵察，又可作為航太運載工具或太空兵器，有可能成為一般轟炸機、戰鬥機和導彈所“不可比擬”的攻擊和防禦力量。美國擬議中的空天飛機方案主要有兩種：一種是擬用作跨太平洋飛行的高超音速運輸機，稱“東方快車”，能以5～6倍音速在3萬米的高度作巡航飛行，只需兩小時可從美國杜勒斯機場飛至日本東京；另一種為“跨大氣層飛行器”，可作軌道飛行（飛入地球低軌道的速度為25倍音速），也可在次軌道作氣動力機動，然後在回升到軌道上以軌道速度航行。美國從1982年開始實施空天飛機這一長遠發展計畫，總費用預計為數十億至200億美元，由美國國防部和國家航空航天局聯合進行技術研究。為了解決在大氣層中持續高超音速飛行的問題，1985年以前在氫燃料的空氣渦輪衝壓發動機和超音速燃燒衝壓發動機技術研究方面，已有所突破。從1986年至1988年，集中進行這類發動機的方案論證工作，並加速發展機體設計、動力裝置等關鍵技術，在1988年後著手研製一架試驗樣機，於l992年至1995年期間進行飛行試驗。

它既是一種反應快、費用較低的跨大氣層飛行的運輸機，也是一種裝備有電腦和先進探測設備的偵察飛行器，還可能是一種廉價、靈活並可重複使用的太空發射平臺。在未來太空戰中，既可以當作航空兵參加戰鬥，也可以參加天軍行列，在太空戰場上，空天飛機還可以摧毀敵人的航天器，俘獲敵人的衛星，與敵人的衛星展開廝殺，其威懾力堪比核武器；還可以為己方的部隊發射更多的軍用衛星，為己方部隊輸送大量的軍用物資和補給品。甚至還能幫助己方部隊奪取電磁戰場上的絕對優勢及奪取制天權，並且切斷敵方的通訊，摧毀敵方的各種衛星，使敵方的衛星無法為敵方工作。它是比太空梭更為靈活、速度更快、戰鬥力更強並且功能更多的一種新概念太空武器。

最大優點

空天飛機的最大優點是運輸費用只有太空梭的十分之一，並且不需要規模龐大、設備複雜的航太發射場，僅需要一個機場就可以了。空天飛機完成一次飛行後，經過一星期的維護就能再次起飛。人們可以像坐飛機一樣進行宇宙旅行。即使不上太空，乘坐它去大洋彼岸去看望朋友也很方便。並且在軍事價值上還可以改裝為空天戰鬥機，空天轟炸機及空天運輸機等類型的飛機。而且空天飛機的突防力強，可以輕易突破敵人的防禦系統並且進攻敵人，摧毀敵人的有生力量。

缺點

空天飛機與太空梭一樣，同樣也是有缺點的。雖然現在設想中的空天飛機似乎很完美無缺，但是結果與太空梭還是一樣缺點多多。現在空天飛機有以下的缺點：1.研發門檻高。2.研製週期較長。3.成本及造價高。4.研製風險大。5.技術難度高。因此，空天飛機不適合剛起步的航太國家研發。

研發門檻高--首先，空天飛機是航空航太相結合的專案，需要研製國在航空和航太領域同時具備很高的技術水準，其次它是一個耗資巨大的專案，需要非常驚人的投入。

目前具備研製空天飛機技術、條件的國家，主要有美國、俄羅斯、歐盟和日本。美國的空天飛機研製計畫大家知道的比較多比如X-24、X-33、X-34、X-43等，實際上歐盟也在緊鑼密鼓地研究，歐洲航空航天局和英國政府在推行歐洲“雲霄塔”空天飛機計畫，並為它研製火箭基的吸氣式組合迴圈發動機。法國主要是進行自主研製，在上世紀80年代曾研製過“赫爾墨斯”空天飛機，雖然計畫沒有進行下去，但積累了相當豐富的技術和經驗，此外法國在航太技術和超燃衝壓發動機等方面都有很成熟的技術。俄羅斯是老牌的航空航太技術強國，在空天飛機使用的超燃衝壓發動機方面技術積累尤為雄厚，彩虹機械設計局在上世紀70、80年代就先後推出了“針”式、“彩虹”--2等驗證機計畫，對高超音速的空天飛行器進行預研。而日本在上世紀80年代已經研製過類似太空梭的H--2軌道飛行器，對空天飛機的相關技術進行過研究驗證，2002年更是決定終止以前研究多年的太空梭計畫，開始全力研製使用迴圈組合發動機的空天飛機。

中國當然也要大力發展空天飛機技術，重視該技術的發展方向。要打破航空航太的條塊分割，形成航空航太技術的合力，來攻克空天飛機的技術難關。此外就要加快基礎技術研究和工程技術預研的力度，攻克氣動結構、耐熱材料、超燃衝壓發動機三大技術難點，為空天飛機研製打好基礎。

距離應用還有一段路

目前，空天飛機在動力、武器系統、具體作戰領域等方面仍處於基礎技術的預先研究和摸索階段，具體概念還不是甚為清晰。包括美國，“獵鷹”計畫、X--37B、X--43.，都還在進行技術驗證和工程機理研究，距離實戰應用還有一段曲折的道路要走。美國大張旗鼓的宣傳空天飛機研究計畫，不排除宣傳和展示實力的意圖。空天飛機目前應被看做一種潛在威脅，可能十年甚至更遠以後才有望成為現實，而我們不能忽視、也要加快研究的腳步。

                           美國的X-33空天飛機



俄羅斯的skylon雲宵塔空天飛機