摘要：來源：中國航天報(bào)據(jù)報(bào)道，我國亞軌道重復(fù)使用演示驗(yàn)證項(xiàng)目運(yùn)載器于7月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火起飛，按照設(shè)定程序飛行后，平穩(wěn)水平著陸于阿拉善右旗機(jī)場(chǎng)，首飛任務(wù)取得圓滿成功。 目前，各航天大國都在加緊研制可自由進(jìn)出空間并能按需返回、可重復(fù)...

來源：中國航天報(bào)

據(jù)報(bào)道，我國亞軌道重復(fù)使用演示驗(yàn)證項(xiàng)目運(yùn)載器于7月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火起飛，按照設(shè)定程序飛行后，平穩(wěn)水平著陸于阿拉善右旗機(jī)場(chǎng)，首飛任務(wù)取得圓滿成功。

目前，各航天大國都在加緊研制可自由進(jìn)出空間并能按需返回、可重復(fù)使用的空天飛行器。那么，世界各國都在研制哪些空天飛行器？空天飛行器又有哪些應(yīng)用價(jià)值？

空天飛機(jī)想象圖

空天飛行器是指能夠在稠密大氣層、臨近空間、軌道空間往返飛行的重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)。

該飛行器集航空、航天技術(shù)于一身，既能滿足民用運(yùn)輸需求又能執(zhí)行軍事任務(wù)，具有自由進(jìn)出空間、按需返回地面、可重復(fù)使用的典型特點(diǎn)，已成為未來進(jìn)行大規(guī)?？臻g開發(fā)及確保空間優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵因素，越來越受到世界各國的高度重視。

為了快速、自由進(jìn)出太空，搶占太空資源，世界航天強(qiáng)國先后研制了一次性使用運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)、可重復(fù)使用運(yùn)載火箭，以及如今的空天飛行器。

可重復(fù)使用運(yùn)載火箭獵鷹9號(hào)

眾所周知，一次性使用的運(yùn)載火箭在飛行中，需要依次拋掉已工作完畢的一級(jí)、二級(jí)火箭，這些被拋棄的火箭殘骸落入大氣層墜毀或燒毀，無法重復(fù)使用，而且發(fā)射準(zhǔn)備周期過長，無法滿足大規(guī)模低成本空間開發(fā)需求。

20世紀(jì)70年代，美國啟動(dòng)了航天飛機(jī)研發(fā)工作，試圖通過回收重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和軌道飛行器的方式，來大幅降低發(fā)射成本，預(yù)計(jì)單次發(fā)射費(fèi)用為5400萬美元。

但是，由于結(jié)構(gòu)熱防護(hù)技術(shù)不成熟，軌道飛行器需要進(jìn)行大量拆解、檢測(cè)和維護(hù)工作，尤其是熱防護(hù)瓦的維護(hù)和更換，使得航天飛機(jī)的發(fā)射和維護(hù)成本居高不下，單次發(fā)射成本竟然高達(dá)7.75億美元。

美國航天飛機(jī)最后一次升空

如今，美國航天飛機(jī)雖然已經(jīng)黯然退出歷史舞臺(tái)，但是其降成本的技術(shù)途徑為后來的研究指明了探索方向。根據(jù)測(cè)算，一級(jí)火箭占全部運(yùn)載火箭質(zhì)量和成本的70%以上。為此，美國SpaceX公司提出了一級(jí)火箭垂直回收的解決方案，并多次試驗(yàn)取得成功，有望將成本降至一次性使用運(yùn)載火箭成本的1/3。

與前面3種方式相比，空天飛行器，尤其是水平起降的空天飛行器可利用大氣層中的氧氣，大幅度降低起飛質(zhì)量和總體規(guī)模，具備完全可重復(fù)使用能力，能夠滿足未來廉價(jià)、快速、便捷、自由進(jìn)出空間的需求，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?

組合動(dòng)力建奇功

空天飛行器也需要“動(dòng)力先行”，但是目前的動(dòng)力方式，包括渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都存在一定適用短板，單一類型的動(dòng)力形式都無法滿足空天飛行器快速、廉價(jià)、自由往返空間的多任務(wù)飛行需求，組合發(fā)動(dòng)機(jī)由此應(yīng)運(yùn)而生。

組合發(fā)動(dòng)機(jī)將兩種或兩種以上單一類型發(fā)動(dòng)機(jī)通過熱力循環(huán)、結(jié)構(gòu)布局等有機(jī)融合，發(fā)揮不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)在各自工作范圍內(nèi)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有工作范圍寬、綜合經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。

美國、日本、歐盟、俄羅斯等傳統(tǒng)航空航天大國紛紛開展組合發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作，并取得了一定成果。目前比較常見的組合動(dòng)力類型包括：火箭基組合發(fā)動(dòng)機(jī)RBCC、渦輪基發(fā)動(dòng)機(jī)TBCC、空氣渦輪火箭組合發(fā)動(dòng)機(jī)ATR、預(yù)冷類組合發(fā)動(dòng)機(jī)、三組合發(fā)動(dòng)機(jī)、基于爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的新型組合發(fā)動(dòng)機(jī)等。

在攻克動(dòng)力難關(guān)的同時(shí)，世界各國持續(xù)開展空天飛行器關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及驗(yàn)證工作，并開展了多個(gè)研究計(jì)劃。1986年，美國啟動(dòng)了NASP計(jì)劃，掀起了世界范圍內(nèi)的空天飛行器研究高潮。美國的X-30單級(jí)入軌飛行器、X-43無人駕駛飛行器、英國單級(jí)入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器霍托爾空天飛機(jī)、德國的桑格爾空天飛行器項(xiàng)目是當(dāng)時(shí)的“頂流明星”。但是受當(dāng)時(shí)航空航天技術(shù)水平和經(jīng)費(fèi)限制，這些計(jì)劃和方案最終都沒能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

德國桑格爾空天飛行器假想圖

2010年，美國X-37B飛行器的成功發(fā)射，推動(dòng)了世界空天飛行器的研制全面升溫。目前，俄羅斯的多用途空天系統(tǒng)計(jì)劃、英國的云霄塔空天飛機(jī)項(xiàng)目、歐空局的空天飛機(jī)項(xiàng)目等正在如火如荼地開展，日本和印度也在積極布局，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

美國的X-37B空天飛機(jī)

發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒?

空天飛行器具有低成本、高可靠性的技術(shù)特征，能夠滿足未來廉價(jià)、自由進(jìn)出空間的發(fā)展需求，商業(yè)和軍事應(yīng)用前景潛力巨大。

在商業(yè)上，發(fā)展空天飛行器可大幅降低空天運(yùn)輸費(fèi)用，不僅可以向空間站等空間系統(tǒng)補(bǔ)充人員、物資、燃料，提供在軌服務(wù)，把空間站內(nèi)制成的產(chǎn)品運(yùn)回地球，還可以搭載乘客進(jìn)行太空旅行，欣賞旖旎的太空風(fēng)光，感受獨(dú)特的太空體驗(yàn)。

近日，美國縮尺復(fù)合體公司和英國維珍銀河公司的“太空船二號(hào)”，美國藍(lán)色起源公司的“新謝潑德”空天飛行器先后完成自己的載人飛行首秀，引發(fā)了國內(nèi)外媒體高度關(guān)注。

“新謝潑德”發(fā)射升空

在軍事上，空天飛行器可以作為偵察監(jiān)視與預(yù)警平臺(tái)、空間武器發(fā)射平臺(tái)、快速遠(yuǎn)距離運(yùn)輸系統(tǒng)，還可用于反衛(wèi)星，充當(dāng)戰(zhàn)時(shí)空間預(yù)備指揮所。

搭載武器化身為航空航天轟炸機(jī)后，空天飛行器的作戰(zhàn)區(qū)域?qū)⑹钦麄€(gè)地球乃至近地空間，實(shí)現(xiàn)1小時(shí)打遍全球。如果長期部署在太空，可以對(duì)敵方的衛(wèi)星、宇宙飛船甚至空間站實(shí)施打擊。

作為航天航空兩大高技術(shù)領(lǐng)域的跨界產(chǎn)物，空天飛行器仍然面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。氣動(dòng)外形與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、組合動(dòng)力模態(tài)轉(zhuǎn)換與匹配技術(shù)、超高溫?zé)岱雷o(hù)技術(shù)、能量管理技術(shù)、寬域高動(dòng)態(tài)強(qiáng)耦合飛行控制技術(shù)、地面和飛行試驗(yàn)技術(shù)都是橫亙?cè)谑澜绺鲊媲暗募夹g(shù)難關(guān)。

空天飛行器匯聚了大批具有前瞻性、先導(dǎo)性的高新技術(shù)，不僅能推動(dòng)航空航天動(dòng)力、飛行器設(shè)計(jì)、光電器件、先進(jìn)材料與制造等眾多技術(shù)的發(fā)展，還能對(duì)武器裝備的發(fā)展起到重大引領(lǐng)作用。隨著各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的日益成熟，空天飛行器正在掀起一輪新的研究熱潮，值得各國高度關(guān)注。

（本文刊登于2021年7月24日的《中國航天報(bào)·飛天科普周刊》）