我國(guó)天地往返飛行器模型。 資料圖片

在2017年全球航天探索大會(huì)上，中國(guó)航天科工集團(tuán)公司副總經(jīng)理劉石泉透露，我國(guó)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(dòng)機(jī)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)地面試驗(yàn)，取得顯著進(jìn)展。這被稱(chēng)為“騰云工程”計(jì)劃，擬在2025年完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，2030年完成兩級(jí)入軌空天飛行器技術(shù)驗(yàn)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(shí)際上也被稱(chēng)為空天飛機(jī)，是一種新型及大部分國(guó)家在研究及發(fā)展階段的航天運(yùn)輸系統(tǒng)?？仗祜w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(chǎng)跑道水平起飛，通過(guò)組合動(dòng)力或者多級(jí)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(chǎng)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(guó)的X—37B。

航空和航天是兩個(gè)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(dòng)，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(chēng)為航天器，這個(gè)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(lài)于空氣動(dòng)力學(xué)原理來(lái)設(shè)計(jì)，超出這個(gè)高度后空氣動(dòng)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(dòng)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(jì)原理完全不同，而空天飛機(jī)就是要打破這一界限，實(shí)現(xiàn)跨界融合，同時(shí)具備兩個(gè)不同空域的飛行能力。

采用兩級(jí)動(dòng)力入軌

相比于航空動(dòng)力或者航天動(dòng)力，空天飛機(jī)的動(dòng)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(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)都難以勝任。而我國(guó)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(jí)入軌技術(shù)。

實(shí)際上，空天飛機(jī)大多數(shù)會(huì)選擇依靠大型載機(jī)發(fā)射起飛，因?yàn)橐揽看笮洼d機(jī)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)起飛，而空天飛機(jī)自身則使用火箭動(dòng)力推進(jìn)?？仗祜w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(jiǎn)化對(duì)助推級(jí)的性能要求。此外，因?yàn)檩d機(jī)本身已經(jīng)給予了空天飛機(jī)一定的勢(shì)能和動(dòng)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(lèi)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(dòng)機(jī)的比沖，可在其飛行包線(xiàn)內(nèi)的任意一個(gè)高度和速度上進(jìn)行發(fā)射。

組合體起飛時(shí)，只需使用載機(jī)上低速性能最高的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。當(dāng)組合體抵達(dá)海拔30公里高度時(shí)，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(dòng)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?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力;當(dāng)空天飛機(jī)飛至大氣層邊緣時(shí)，則采用不需要空氣也能工作的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，飛出大氣層。

目前，所有跨大氣層飛行器并不能真正實(shí)現(xiàn)依靠單個(gè)飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)就能從地面到太空的飛行。當(dāng)然，有人會(huì)說(shuō)航天飛機(jī)可以實(shí)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(jí)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(yàn)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(zhǎng)時(shí)間、高空高速飛行的氣動(dòng)外形，尤其還要兼具水平起降和大氣層內(nèi)的飛行能力?？绱髿鈱语w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(xiàn)內(nèi)，跨大氣層飛行器可進(jìn)行高超音速飛行，而在飛行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種極端的氣動(dòng)現(xiàn)象，如高溫?cái)_動(dòng)、薄激波以及熵邊界層等，這些氣動(dòng)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(duì)斜激波可產(chǎn)生較大的誘導(dǎo)速度和熱力學(xué)梯度，會(huì)使高超音速飛行器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)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(guò)程中氣動(dòng)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(huì)更高。

未來(lái)臨近空間爭(zhēng)奪戰(zhàn)的主力

可以從普通機(jī)場(chǎng)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(xiàn)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(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)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(tái)，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(shí)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(gè)速度，加之臨近空間大氣稀薄，許多航空器無(wú)法在這一高度上活動(dòng)，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(dòng)，還可以給敵方巨大的心理壓力。

此外，空天飛機(jī)將在爭(zhēng)奪制天權(quán)作戰(zhàn)中擔(dān)任主力。未來(lái)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(gè)高度、兩種空間作戰(zhàn)，特別是制天權(quán)的爭(zhēng)奪將成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的主要焦點(diǎn)。對(duì)于裝備先進(jìn)軌道平臺(tái)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(dòng)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(tái)攜帶的空射型跨大氣層飛行器，其機(jī)動(dòng)性也較強(qiáng)，從軌道返回后可在橫縱兩個(gè)方向上進(jìn)行大范圍的活動(dòng)，對(duì)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(guó)。由B—52載機(jī)攜帶釋放的X—15驗(yàn)證機(jī)飛行高度達(dá)到了108公里，飛行速度超過(guò)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(tái)XLR—11火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，后改為使用XLR—99火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并在機(jī)翼下方增加了兩個(gè)液態(tài)氧燃料罐，可以增加60秒的飛行時(shí)間。

上世紀(jì)80年代中期，受美國(guó)“阿爾法”號(hào)永久性空間站計(jì)劃的刺激，一些國(guó)家對(duì)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(hào)空間站的建造。美、英、德、法、日等國(guó)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(guó)在1986年提出的X—30國(guó)家空天飛機(jī)計(jì)劃被認(rèn)為是一個(gè)標(biāo)桿性的設(shè)計(jì)，其提出單級(jí)入軌、水平起降，但并沒(méi)有實(shí)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(jì)劃中所使用到的翼身組合氣動(dòng)、熱防護(hù)系統(tǒng)、自動(dòng)著陸等都是驗(yàn)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(dòng)著陸系統(tǒng)、風(fēng)洞測(cè)試、載機(jī)攜帶等論證，對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料低溫存儲(chǔ)箱、熱防護(hù)系統(tǒng)等關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)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(wàn)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火后開(kāi)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(dòng)著陸。然而，X—34計(jì)劃于2001年被取消，2架原型機(jī)一直存儲(chǔ)于NASA德萊頓飛行研究中心。

2010年4月22日，美國(guó)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(guò)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(yàn)。

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(shí)結(jié)束任務(wù)后還能自動(dòng)返回地面。