航空航天共建通天路

人类为了实现飞的理想，曾经历了一段艰难曲折的道路。1903 年莱特兄弟发明的动力飞行器在空中飞翔，意味着人类能离开地球进入空间；1957 年人造卫星发射成功后，人类开辟了宇宙航行的新纪元。因此，近一个世纪以来，飞机在地球大气层内航行，而航天器则在大气层外的宇宙空间航行，两者都取得了惊人的成就，迎来了标志着人类社会文明高度发展的航空航天时代。

随着世界技术革命的发展，新技术、新思想和新方法的应用，航空航天技术又将出现一个更大的飞跃。人们一直在思考能否将航空航天的优势互补，形成一种低成本进入太空的运输工具。它既能从机场跑道起飞，又能以高超音速穿越大气层进入宇宙空间，完成航天任务后再入大气层，在机场水平着陆，而经过简单的维修后，短期间又能重上蓝天，重复使用数十次乃至几百次。这类既具有高超音速运输机功能；又具有天地往返运输系统功能的重复使用有翼飞行器，被称之为航空航天飞机，简称为空天飞机。

空天飞机的设想早在本世纪 30～40 年代就已产生。50 年代我国著名科学家钱学森教授曾提出航天技术和航空技术相结合的思想，发展空天飞机，并提出了双级和单级入轨运载飞机的发展方向。美国于 60 年代初提出过水平起飞、进入地球轨道并返回地球水平降落的新型飞机的计划。但是，由于受当时科学技术水平的限制，这种新型的既能航空又能航天的飞机，就此搁浅。进入 80 年代，由于在超音速燃烧冲压喷气发动机、耐高温热结构材料和巨型计算机等高新技术上有所突破与进展，加上航天飞机的发射成功，人们对于空天飞机的实现寄予了更大的希望。空天飞机是一种新型运输工具，具有一般飞机和航天器所没有的优

越性。当它在大气层内飞行时，就象一架高超音速飞机，能在 1 小时内

由欧洲飞抵澳大利亚，在 2 小时内从美国华盛顿飞到日本东京，可见其速度之快。当它执行航天任务时，能把数吨重的有效载荷送至近地轨道，然后返回地面。据估计，每次发射费将低到只有目前运载火箭和航天飞机发射费的 1/5～1/10。空天飞机与宇宙飞船和航天飞机相比，在重复使用性、机场水平起降能力、大气能源的利用效率以及灵活机动性、可维修性等方面均有大幅度的改造与提高。

为了寻求经济的、有效的往返于天地之间的运输系统，以取代昂贵的运载火箭和航天飞机。美国、英国、德国、日本、俄罗斯等国家都纷纷提出了各自研制空天飞机的计划。美国已基本确定继航天飞机之后的空间运输系统为空天飞机，这种飞机方案是一种单级入轨的空天飞机。设想的样机可乘 2 人，运载能力为 1114 千克，内装 8～12 台发动机，每台长 3～4.57 米，宽 0.9 米，推力为 13.23 千牛。模拟空天飞机在 3 万米高度，以 5～10 倍音速连续飞行，被试验的样机将在普通机场起飞和着陆，并确定每次飞行的快速检修周期。如果样机试验很成功，便有可能开始研制全尺寸空天飞机。

英国的霍托尔空天飞机，是一种水平起飞、水平着陆、单级入轨无人驾驶飞机，外形与超音速喷气客机相似，头部细长，呈锥形，头锥部上端置有垂直翼面。机身腹部为粗大的长筒形结构，机身长 62 米，最大

直径 5.7 米。货舱位于机身的中部，最大直径 4.6 米，水平机翼安装在机身后部，机翼宽度为 19.7 米，起飞重量 230 吨，能将 7～11 吨重的有效载荷送入太空。

德国的桑格尔空天飞机是一种两级式天地往返运输系统，可重复使用。第一级是一架大型高超音速飞机，使用的是吸气式发动机，起飞重量为 300 吨。第二级是一架小型航天飞机，其上使用的是火箭发动机。

第一级驮着第二级从普通机场起飞，当到达 35 千米高度、速度达到 6 倍音速时，第二级氢氧发动机开始点火，并且与第一级分离，继续加速飞行，直至进入环绕地球运行的轨道。桑格尔空天飞机，无论是第一级或是第二级，在完成它们各自的使命之后都可以返回机场，经过维修后重复使用。

日本由于经济实力雄厚，对空间领域表现出极大的兴趣，虽说起步较晚，但奋起直追，亦制定了空天飞机的研究与发展计划。所设想的是一种单级入轨、水平起飞和着陆，能重复使用的空天飞机。

而俄罗斯则提出了国际重复使用的空天运输系统。它是一种灵活性很大、具有多种功能的两级入轨方案。可用于紧急救援、空间物资供应以及提供生态问题研究等。其运输范围极广，可搭载的有效载荷为 1～18 吨。这一方案的核心部分是使用安? 225 重型机载，第一级的起飞重量为

620 吨，分离高度为 10 千米。第二级带外挂油箱为 275 吨，可负载 6.6 吨，倾角 90°，进入高度为 400 千米低地球轨道。

空天飞机不仅可作为天地间往返的运输工具，而且具有潜在的军用价值。也就是说，它有着广泛的军事用途，既有洲际弹道导弹快速反应能力，又有轰炸机的机动性和可靠性。不仅能在大气层内飞行，还能在太空轨道上变轨运行，因而对方很难对它瞄准和击落，所以它很适合用来作为战略侦察机、轰炸机和远程截击机。

空天飞机是人类一直向往的运输工具，但是，空天飞机在前进的道路上，存在着技术难度大、研制费用高的难点，各国普遍认为，空天飞机的研制必须加强国际合作与交流，避免重复研究，以便降低空天飞机研究开发的整体成本。由于美国、英国、德国、日本、俄罗斯在这方面已进行了大量的工作，使该领域变得异常活跃，成为当前科学技术的前沿，目前需要齐心协力克服的多种关键技术难题不外乎以下一些。

首先要研制推进系统。空天飞机的工作范围较宽，既可在大气层内、外飞行，又要从地面起飞，其速度从零开始经过音速、跨音速、超音速和高超音速，一直加速到 25 倍音速的入轨速度。因此，实现空天飞机的最大障碍，是研制能进行高速飞行的大功率吸气式发动机。为了利用空气中的氧，空天飞机必须使用航空用的吸气式发动机，吸取空气与燃料，经燃烧产生推力。但是，到了太空以后，立即采用可靠性高的火箭发动机，依靠自带燃料和氧化剂的火箭发动机来推进。为了减轻结构重量和提高性能，最好的方法是研制一种既有吸气式发动机、又有火箭发动机这样两种功能的复合式发动机，技术难度很大。目前提出的有液化空气循环发动机、超音速冲压发动机等多种方案。

其次是结构与材料问题。空天飞机的机体要能经受起飞、上升、空

间飞行、再入大气层、着陆等不同阶段的各种环境考验，同时要求机体重量尽可能地轻。因此，对空天飞机的结构、防热及热控系统、发动机、燃料贮箱以及进气道等进行一体化设计。与此同时，为使结构重量轻、强度高、耐高温、长寿命、能多次重复使用，必须研制新型结构材料。

第三是制导与空气动力学问题。为确保空天飞机在不同状态下的每一阶段都能顺利地飞行，需要有制导控制系统。它包括有人驾驶的制导控制和无人驾驶的自动控制系统。因此，需要研究高度自动化和人工智能化的飞行控制系统。此外，空天飞机的设计离不开计算流体力学和空气动力学的支持，需要用巨型计算机精确计算高超音速流场，进行气动数值模拟，还要有研制速度大于 7 倍音速的微波风洞、高速风洞等大型

设施。目前气动数值模拟设施，其巨型计算机能力达每秒 10 亿次，能计算整机绕流和发动机内流。

空天飞机是天地往返运输系统发展的重要方向，预计经过二三十年人类的共同开发，一定能攻克一个又一个难关。21 世纪空天飞机的出现，将标志着人类航天事业发展又一个新的里程碑。