我國天地往返飛行器模型。 資料圖片

在2017年全球航天探索大會上，中國航天科工集團(tuán)公司副總經(jīng)理劉石泉透露，我國正在研發(fā)水平起降、可重復(fù)使用的天地往返飛行器，并已完成發(fā)動機(jī)等多項關(guān)鍵技術(shù)地面試驗，取得顯著進(jìn)展。這被稱為“騰云工程”計劃，擬在2025年完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，2030年完成兩級入軌空天飛行器技術(shù)驗證試飛。

起降飛行更加自由

“騰云工程”所提出的天地往返飛行器，實際上也被稱為空天飛機(jī)，是一種新型及大部分國家在研究及發(fā)展階段的航天運(yùn)輸系統(tǒng)。空天飛機(jī)是跨大氣層飛行器中的一種，能夠快速在地面、平流層、臨近空間以及近地軌道之間穿梭，攜帶有效載荷執(zhí)行空天任務(wù)。其起飛方式與普通飛機(jī)一樣，能從機(jī)場跑道水平起飛，通過組合動力或者多級形式快速進(jìn)入臨近空間，并以12—25馬赫的速度在海拔30—100公里上進(jìn)行高超音速飛行，還可以直接加速進(jìn)入地球軌道，成為航天飛行器;返回大氣層后，像飛機(jī)一樣在機(jī)場著陸，成為自由地往返天地之間的運(yùn)輸工具。

跨大氣層飛行器不僅可自由往返于大氣層內(nèi)外，而且還能重復(fù)使用，目前世界上已投入使用，并已完成多次在軌飛行的空天飛機(jī)只有美國的X—37B。

航空和航天是兩個不同的技術(shù)領(lǐng)域，代表就是飛機(jī)和航天飛行器，他們分別在大氣層內(nèi)、外活動，航空運(yùn)輸系統(tǒng)是重復(fù)使用的，航天運(yùn)載系統(tǒng)一般是不能重復(fù)使用的。而空天飛機(jī)能夠達(dá)到完全重復(fù)使用和大幅度降低航天運(yùn)輸費(fèi)用的目的。

按照定義，飛行高度在海拔80—100公里以上的飛行器可被稱為航天器，這個高度也是電離層所覆蓋的區(qū)域，其空氣密度非常低，傳統(tǒng)的航空器最大飛行高度被限定在海拔40公里左右，主要依賴于空氣動力學(xué)原理來設(shè)計，超出這個高度后空氣動力效應(yīng)基本不起作用，因此海拔40—100公里的高度被認(rèn)為是連接大氣層和外太空的臨近空間，這也是現(xiàn)階段跨大氣層飛行器進(jìn)行巡航機(jī)動飛行的主要高度。在不同的高度之間，不同的飛行器所需要的設(shè)計原理完全不同，而空天飛機(jī)就是要打破這一界限，實現(xiàn)跨界融合，同時具備兩個不同空域的飛行能力。

采用兩級動力入軌

相比于航空動力或者航天動力，空天飛機(jī)的動力系統(tǒng)由于要考慮兼顧兩者，就必須更加復(fù)雜，因此目前世界上任何一種單一類型的發(fā)動機(jī)都難以勝任。而我國正在研發(fā)的水平起降、可重復(fù)使用天地往返飛行器，是采用兩級入軌技術(shù)。

實際上，空天飛機(jī)大多數(shù)會選擇依靠大型載機(jī)發(fā)射起飛，因為依靠大型載機(jī)平臺，可以實現(xiàn)從傳統(tǒng)的機(jī)場起飛，而空天飛機(jī)自身則使用火箭動力推進(jìn)。空天飛機(jī)由載機(jī)攜帶，在一定的高度上釋放發(fā)射，可以大幅簡化對助推級的性能要求。此外，因為載機(jī)本身已經(jīng)給予了空天飛機(jī)一定的勢能和動能，因此空天飛機(jī)可以減少推進(jìn)劑攜帶量，降低自身重量或者攜帶更多有效載荷。而且，此類空天飛機(jī)的火箭尾噴管不需顧及海平面至準(zhǔn)真空環(huán)境的變化，有利于提高發(fā)動機(jī)的比沖，可在其飛行包線內(nèi)的任意一個高度和速度上進(jìn)行發(fā)射。

組合體起飛時，只需使用載機(jī)上低速性能最高的航空渦輪發(fā)動機(jī)提供動力。當(dāng)組合體抵達(dá)海拔30公里高度時，空天飛機(jī)脫離載機(jī)，由于該空域還在大氣層內(nèi)，空氣雖然稀薄但仍能為發(fā)動機(jī)的工作提供效用，因此，在這一階段空天飛機(jī)可以使用高速沖壓發(fā)動機(jī)提供動力;當(dāng)空天飛機(jī)飛至大氣層邊緣時，則采用不需要空氣也能工作的火箭發(fā)動機(jī)，飛出大氣層。

目前，所有跨大氣層飛行器并不能真正實現(xiàn)依靠單個飛行器發(fā)動機(jī)就能從地面到太空的飛行。當(dāng)然，有人會說航天飛機(jī)可以實現(xiàn)，但是航天飛機(jī)仍然是一套火箭發(fā)射系統(tǒng)，垂直發(fā)射，且是兩級入軌系統(tǒng)，雖然可以重復(fù)使用，但重復(fù)次數(shù)也是有限。航天飛機(jī)與空天飛機(jī)最大的不同就是起飛方式，空天飛機(jī)可以水平起降。

高超音速飛行考驗隔熱能力

要在海拔30公里的高度上以至少8馬赫的速度進(jìn)行高超音速巡航，因此空天飛機(jī)必須具有適合進(jìn)行長時間、高空高速飛行的氣動外形，尤其還要兼具水平起降和大氣層內(nèi)的飛行能力。跨大氣層飛行器也具有傳統(tǒng)的航空飛行器特點(diǎn)，在大部分的飛行包線內(nèi)，跨大氣層飛行器可進(jìn)行高超音速飛行，而在飛行過程中會產(chǎn)生各種極端的氣動現(xiàn)象，如高溫擾動、薄激波以及熵邊界層等，這些氣動現(xiàn)象很大程度上影響著跨大氣層飛行器的飛行品質(zhì)。特別是熵邊界層是一種強(qiáng)漩渦區(qū)域，形成的漩渦干擾非常明顯，對斜激波可產(chǎn)生較大的誘導(dǎo)速度和熱力學(xué)梯度，會使高超音速飛行器的氣動設(shè)計變得復(fù)雜。

由于跨大氣層飛行器與普通的航空器不同，飛行高度和速度存在巨大的變化，隔熱結(jié)構(gòu)和機(jī)身材料上需要特別講究，高超音速的飛行過程中氣動加熱是十分明顯的，頭錐和機(jī)翼前緣溫度可達(dá)到1400℃以上，其耐熱材料需要具備較高的導(dǎo)熱率，碳復(fù)合材料使用的比例還會更高。

未來臨近空間爭奪戰(zhàn)的主力

可以從普通機(jī)場水平起降，可以重復(fù)使用，再加上從地面到地球軌道的廣闊飛行包線與高超音速的飛行速度，以空天飛機(jī)為代表的天地往返飛行器，具備反應(yīng)速度快的特點(diǎn)：起飛后迅速進(jìn)入臨近空間進(jìn)行高超音速飛行，還具備快速介入和脫離戰(zhàn)區(qū)的能力，能大幅提升未來戰(zhàn)爭中空襲的突然性。在作戰(zhàn)用途上除進(jìn)行全球打擊外，還可以作為天基激光反導(dǎo)平臺，摧毀敵方彈道導(dǎo)彈或航天器，甚至還能在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)軍用物資的快速補(bǔ)給或兵力投送。由于跨大氣層飛行器的飛行速度至少在8馬赫以上，目前世界上的主流防空導(dǎo)彈很難達(dá)到這個速度，加之臨近空間大氣稀薄，許多航空器無法在這一高度上活動，因此跨大氣層飛行器不僅能在敵方的防空導(dǎo)彈打擊范圍之外活動，還可以給敵方巨大的心理壓力。

此外，空天飛機(jī)將在爭奪制天權(quán)作戰(zhàn)中擔(dān)任主力。未來作戰(zhàn)的模式將隨著跨大氣層飛行器的加入而改變，需要涉及航空和航天兩個高度、兩種空間作戰(zhàn)，特別是制天權(quán)的爭奪將成為未來戰(zhàn)爭中的主要焦點(diǎn)。對于裝備先進(jìn)軌道平臺武器系統(tǒng)或大氣層內(nèi)超遠(yuǎn)程攻擊武器的一方可獲得非常大的主動權(quán)，從大氣層內(nèi)的作戰(zhàn)飛機(jī)到軌道上的衛(wèi)星都可作為潛在攻擊目標(biāo)。即便是載機(jī)平臺攜帶的空射型跨大氣層飛行器，其機(jī)動性也較強(qiáng)，從軌道返回后可在橫縱兩個方向上進(jìn)行大范圍的活動，對敵縱深目標(biāo)進(jìn)行秘密偵察。

■鏈接

始于上世紀(jì)

60年代的

空天飛機(jī)探索

空天飛機(jī)的探索，始于上世紀(jì)60年代，發(fā)軔于美國。由B—52載機(jī)攜帶釋放的X—15驗證機(jī)飛行高度達(dá)到了108公里，飛行速度超過了6.7馬赫，其機(jī)身表面覆蓋的為合金涂料可抗1200℃的高溫。X—15的早期飛行方案使用兩臺XLR—11火箭發(fā)動機(jī)，后改為使用XLR—99火箭發(fā)動機(jī)，并在機(jī)翼下方增加了兩個液態(tài)氧燃料罐，可以增加60秒的飛行時間。

上世紀(jì)80年代中期，受美國“阿爾法”號永久性空間站計劃的刺激，一些國家對發(fā)展載人航天事業(yè)的熱情普遍高漲，積極參加“阿爾法”號空間站的建造。美、英、德、法、日等國紛紛推出了可重復(fù)使用的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)方案。

美國在1986年提出的X—30國家空天飛機(jī)計劃被認(rèn)為是一個標(biāo)桿性的設(shè)計，其提出單級入軌、水平起降，但并沒有實現(xiàn)。

軌道科學(xué)公司在1995年研制的X—34則是另一種符合當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀的跨大氣層飛行器，X—34計劃中所使用到的翼身組合氣動、熱防護(hù)系統(tǒng)、自動著陸等都是驗證跨大氣層飛行器的關(guān)鍵技術(shù)，在1999年至2000年之間，X—34進(jìn)行了自動著陸系統(tǒng)、風(fēng)洞測試、載機(jī)攜帶等論證，對機(jī)身結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料低溫存儲箱、熱防護(hù)系統(tǒng)等關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行了測試。

X—34的發(fā)射方案也具有極強(qiáng)的借鑒意義，其由L1011載機(jī)在1.1萬米高度上釋放，投放速度在0.7馬赫，只到安全距離確認(rèn)后解鎖X—34上的舵面，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后開始加速爬升，全程最大飛行速度可以達(dá)到8馬赫，最后自動著陸。然而，X—34計劃于2001年被取消，2架原型機(jī)一直存儲于NASA德萊頓飛行研究中心。

2010年4月22日，美國空軍花費(fèi)10年研制的全新“空天戰(zhàn)機(jī)”X—37B首次試飛。這種外形和功能都酷似小型航天飛機(jī)的飛行器將通過火箭送入軌道環(huán)繞地球飛行，然后再以滑翔方式返回地面。據(jù)悉，該機(jī)從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地升空，并且在加利福尼亞州著陸。之后又進(jìn)行了多架次的起飛與返回試驗。

雖然X—37B由火箭發(fā)射進(jìn)入太空，并不是像大多數(shù)人想象的空天飛機(jī)那樣水平起飛，但這仍然是第一架既能在地球衛(wèi)星軌道上飛行、又能進(jìn)入大氣層的航空器，同時結(jié)束任務(wù)后還能自動返回地面。

標(biāo)簽： 空天飛機(jī)2030年試飛