空天飛機：獨特潛質(zhì)備受關(guān)注

　　本報記者 溫濟聰

　　一個筋斗云就能飛“十萬八千里”，這是《西游記》中神通廣大的孫悟空；未來有一天，一架從洛杉磯飛往上海的民航客機在起飛8分鐘后，借助火箭發(fā)動機點火沖出大氣層進入太空開展巡航后，再次飛入大氣層并平穩(wěn)降落在浦東國際機場，整個飛行時間只有不到一個小時……

　　不管是古代神話，還是未來暢想，隨著2010年美國空天飛機X-37B的試飛成功，人們的美好愿景正逐漸走向現(xiàn)實。

　　什么是空天飛機？關(guān)鍵技術(shù)是什么？它的未來發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景怎樣？就讓我們訪院士、問專家，一起揭開空天飛機的神秘面紗——

　　自由穿行空天之間

　　“第五代戰(zhàn)機很可能是以高性能的無人機為主，現(xiàn)在許多國家都在緊鑼密鼓研制中�！敝泻焦I(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司高級工程師顏華告訴記者，下一代飛機不僅需要具備隱形能力，還應(yīng)該更高、更快、更強。“在未來，航空和航天將融為一體，向空天飛機邁進。”顏華補充說，“更高”，是指在現(xiàn)有戰(zhàn)機大多不超過30公里高度的基礎(chǔ)上提高飛行升限，而目前大氣層30公里高度內(nèi)是航空，100公里以上則是航天，能在二者之間飛行將會是下一代戰(zhàn)機的基本能力�！岸臁侵赶蚋叱羲侔l(fā)展；‘更強’，則是需滿足執(zhí)行更多任務(wù)等要求�！�

　　長期以來，航空與航天是兩個不同的領(lǐng)域。大氣層內(nèi)是普通飛機、飛艇、熱氣球等飛行器的“地盤”，而在大氣層外，則是航天飛機、宇宙飛船、衛(wèi)星以及各國空間站的天下。“空天飛機是一種未來的飛機，它可以豎直起飛，也可以像普通飛機一樣水平起飛，通過不斷加速沖出大氣層并進入地球軌道，成為航天飛行器；而返回大氣層后，便像普通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�！北本┖娇蘸教齑髮W(xué)宇航學(xué)院講師游暉表示，空天飛機能夠達到完全重復(fù)使用從而大幅度降低航天運輸費用的目的。

　　在軍事專家、《航空知識》副主編王亞男看來，空天飛機方案主要有兩種�！耙环N是擬用作跨洲際飛行的高超音速運輸機，能以5倍左右的音速在30000米高空做巡航飛行；而另一種則為‘跨大氣層飛行器’，不但可做軌道飛行，也可以在次軌道上做氣動力機動，再回升到軌道上并以軌道速度航行。”

　　目前，已投入試飛階段的空天飛機只有美國的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名為“阿特拉斯5號”的航空火箭發(fā)射升空。在宇宙太空遨游了7個多月后，它自主返回大氣層，于當(dāng)年12月在加利福尼亞州范登堡空軍基地著陸。盡管這架空天飛機在起飛階段仍需火箭運送，但已基本具備在大氣層內(nèi)外飛行的能力。

　　顏華告訴記者，許多國家在這方面取得了不少成果，比如美國在研制的可在航母上起降的隱形無人機X-47B�！跋嘈挪簧俸娇諒妵矔䦟仗祜w機開展研究�！�

　　發(fā)動機成技術(shù)關(guān)鍵

　　由于空天飛機要在大氣層內(nèi)與外太空中交替可重復(fù)使用，因此，對發(fā)動機動力的要求標(biāo)準(zhǔn)很高�！澳壳�，普通噴氣式飛機需要氧氣作為發(fā)動機工作的‘氧化劑’，但30公里以外的太空氧氣很少。所以，空天飛機的發(fā)動機須區(qū)別于常規(guī)飛機。”顏華說。

　　中國工程院院士、航空航天專家劉大響對記者表示，與普通噴氣式飛機不同，空天飛機要采用渦輪沖壓組合發(fā)動機，一般用噴氣式發(fā)動機實現(xiàn)常規(guī)水平起飛并加速到馬赫數(shù)1.8以上，這時沖壓發(fā)動機才能點火啟動，并靠它在臨近空間實現(xiàn)超聲速巡航飛行。“如果巡航馬赫數(shù)達到4或5以上，則還需要采用超燃沖壓發(fā)動機。”劉大響解釋。

　　王亞男認(rèn)為，空天飛機的發(fā)動機必須保證能從0加速到25馬赫的過程中穩(wěn)定高效地工作。大氣層外要用火箭發(fā)動機推進，而大氣層內(nèi)要用噴氣發(fā)動機推進，此外，還要確保兩種動力的無縫轉(zhuǎn)換銜接。單一類型的發(fā)動機無法完成這樣艱巨的任務(wù)。

　　“氣動一體化的超燃發(fā)動機，先進的塞式噴管發(fā)動機，以及組合循環(huán)發(fā)動機方案是其后動力系統(tǒng)技術(shù)的新進展和新動向�！庇螘煴硎�，氣動一體化超燃發(fā)動機的前體作為進氣道的預(yù)壓縮面，其后體下表面作為發(fā)動機氣體燃燒后排出的外噴管，為飛行器提供動力。而塞式噴管的最大優(yōu)點則為其具有自動高度補償?shù)墓δ�。它能根�?jù)環(huán)境壓力來改變噴流氣體的膨脹截面積，因此，無論是在真空條件下還是在海平面條件下，塞式噴管發(fā)動機都有較高的性能，這一點與常規(guī)的噴管發(fā)動機有顯著不同�！霸诮M合循環(huán)發(fā)動機方面，由于X-30、X-33和X-34的失敗，目前關(guān)注的RLV技術(shù)方案已經(jīng)從單級入軌轉(zhuǎn)移到了兩級入軌上�！贬槍杉壢胲壏桨福捎谖鼩馐酵七M系統(tǒng)只需攜帶燃料，該推進系統(tǒng)可用于RLV直到火箭級必須使用的時候。這樣，通過對吸氣式推進和火箭推進組合，就可以利用兩種推進的優(yōu)點，這就是組合循環(huán)發(fā)動機。

　　為了有效減少重返大氣層和在大氣層內(nèi)超音速飛行時面臨的阻力，空天飛機的動力系統(tǒng)還要與機身進行一體化對接，并確保發(fā)動機進氣道與排氣道可隨速度不同而隨時調(diào)整形狀，在盡可能發(fā)揮最大動力效能的同時節(jié)省燃料。

　　商業(yè)軍事前景俱佳

　　“神”氣十足的空天飛機聽起來讓人不可思議，而實際上它已經(jīng)漸行漸近。記者采訪的多位業(yè)內(nèi)人士表示，空天飛機在商業(yè)和軍事上均具有光明的發(fā)展前景和研發(fā)價值。

　　隨著航空航天活動規(guī)模的擴大，預(yù)計在21世紀(jì)，僅美國送入軌道的總重量就高達9萬噸，因此，每年的運輸量將猛增到數(shù)萬噸�！暗�，以前最先進的航天運輸工具——美國的航天飛機，運送每公斤有效載荷進入地球軌道的費用達11607美元。因此，大幅度降低運輸費用和成本，業(yè)已成為開展大規(guī)模航空航天活動的關(guān)鍵問題之一�！庇螘煴硎�，空天飛機的研制目標(biāo)是最終要使其運輸費用至少可降到航天飛機的10%，甚至可降到1%以內(nèi)。

　　誠然，空天飛機具有普通飛機無可比擬的飛行速度，它可以大大縮短全球飛行時間，從而具有獨具魅力的商業(yè)價值。

　　“未來，如果空天飛機技術(shù)徹底成熟，可能會被用于民用運輸和旅游領(lǐng)域，這是一個非常有趣的應(yīng)用領(lǐng)域。”王亞男向記者舉例說，如美國縮比復(fù)合體公司就研制了“白色騎士——太空船”復(fù)合體系列飛行器，這種飛行器起飛前組合在一起，從跑道上滑跑升空，到高空時，白色騎士便會與太空船分離，前者像飛機一樣返航，而太空船則繼續(xù)通過火箭發(fā)動機加速攀高，進入大氣層上緣部分，接近亞軌道高度，讓其中的乘客過一把航天員的癮。

　　在飛行結(jié)束后，太空船會自行下滑著陸。如果空天飛機技術(shù)達到更高水平，那么，這種復(fù)合體空天飛行器可以進一步改進，直接將游客或旅客送入軌道空間，讓他們體驗航天員的感覺。

　　“在實際應(yīng)用領(lǐng)域，空天飛機還可以極高的速度完成極遙遠(yuǎn)的航程，因為航行中的大部分旅程都是在軌道空間度過的，這意味著平均飛行速度可能達到5至10倍音速，甚至更高，跨越太平洋也就是半個小時的事兒。這樣一來，空天飛機可能大大改變?nèi)祟愡h(yuǎn)程運輸?shù)拿婷病！蓖鮼喣姓f。

　　當(dāng)然，除了商業(yè)發(fā)展前景之外，空天飛機的軍用價值也十分重要。王亞男告訴記者，空天飛機突出的軍事用途體現(xiàn)在：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，它便可對敵方的宇宙飛船、衛(wèi)星，甚至太空站進行攻擊；如果裝備簡單的機械手，它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非常高，靈活機動，還可以作為監(jiān)視和預(yù)警平臺，以代替?zhèn)刹煨l(wèi)星，監(jiān)控敵方軍事行動。“空天飛機由于可以自由往返于太空和大氣層，倘若在其上安裝激光武器和導(dǎo)彈，它便可以隨時攻擊地面的目標(biāo)。”王亞男說，由于空天飛機飛行速度高達25馬赫甚至以上，所以，可承擔(dān)全球范圍的快速打擊任務(wù)及軍事物資的投送等其他重大任務(wù)。

　　“此外，空天飛機還能幫助己方部隊奪取電磁戰(zhàn)場上的絕對優(yōu)勢及奪取制天權(quán)，并且切斷敵方的通訊，摧毀敵方的各種衛(wèi)星，使敵方的衛(wèi)星無法為其自身工作。”游暉補充道，它是比普通航天飛機更為靈活、速度更快、戰(zhàn)斗力更強，并且功能更多的一種新概念太空武器。