研制情况及未来发展趋势
唐绍锋 张静 （中国运载火箭技术研究院）
空天飞行器（Aerospace Vehicle）是航空航天飞行器的简称。美国国家航空航天局（NASA）航空航天技术术语词典和麦格劳-希尔科学与技术术语词典对空天飞行器的解释为“在可感大气层内外都可以飞行的一类飞行器”，即既能航空又能航天的飞行器。一般来说，将海拔100km高度的卡门线作为航空与航天的界线。所以空天飞行器是指既可以在海拔100km以下又可以在海拔100km以上飞行的飞行器。
本文从商业和军事两方面阐述了空天飞行器的研究意义，介绍了空天飞行器研发所必须要突破的关键技术和世界代表性空天飞行器项目的研制情况，并对空天飞行器的未来发展趋势做出了预测。
1 研究意义
商业意义
发展空天飞行器可以大大降低空天之间的运输费用。据估计，空天飞行器的运输费用至少可以降到航天飞机的1/5，甚至可降到1%，其实现途径归纳起来主要有三点：一是充分利用大气层中的氧，以减少飞
电动窗帘配件行器携带的氧化剂，从而减轻起飞质量；二是整个飞行器全部重复使用，除消耗推进剂外不抛弃任何部件；三是水平起飞，水平降落，简化起飞（发射）和降落（返回）所需的场地设施和操作程序，不受发射窗口限制，减少维修费用和管理调度成本。
空天飞行器不仅可以向空间站等空间系统补充人员、物资、燃料，提供在轨服务，把空间站内制成
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的产品运回地球，还可以搭载乘客进行太空旅行，使人们观赏到旖旎的太空风光，为人们提供在地球上无法获得的体验。基于空天飞行器的高速能力，乘坐它可以大大减少旅行时间，方便快捷地到世界的任何地方看望朋友或进行商业旅行。此外，空天飞行器还可以对自然灾害进行快速响应。
军事意义
在军事上，空天飞行器可以在大气层内外自由飞行，如果将它发展成一种全新的航空航天轰炸机、战斗机和运输机，其作战区域将是整个地球乃至近地空间。它能在1～2h内突破任何地面防御系统，从空间对陆、海、空目标实施精确打击，即具备了全球快速打击能力。而且，空天飞行器可以长期在太空部署，可以对敌方的卫星、宇宙飞船，甚至太空站实施打击。只要装备简单的机械手，空天飞行器就能将敌方卫星俘获；装备导弹后，空天飞行器就能成为标准的太空战机。空天飞行器是比航天飞机更为灵活、速度更快、战斗力更强并且功能更多的一种新概念太空武器。
2 关键技术
空天飞行器是航空航天相结合的飞行器，需要研制国在航空和航天领域同时具备很高的技术水平。经过多年的研究探索，科学家和工程师们发现，研制空天飞行器是一件“知易而行难”的事情，所需关键技术的难度并不像过去所估计的那么乐观，不是短期内就能取得突破的。空天飞行器研制主要有以下关键技术。
1）气动设计分析技术。空天飞行器的最大问题之一就是其空气动力学性能。空天飞行器的飞行范围是从大气层内到大气层外，速度从0到马赫数25。由于如此大的空间、速度跨度和工作环境变化，飞行器设计必须要满足几个相互矛盾的要求。解决空气动力学问题的基本手段是风洞，然而世界上暂时还不具备马赫数可以跨越这样大范围的试验风洞。即使有了风洞，为了得到数据还需要做上百万小时的试验，这意味着即使昼夜不停地试验，也需要花费超过100年的时间。所以利用数值计算技术进行气动设计分析是解决空气动力学问题的必要手段，而对纳维-斯托克斯（N-S）方程的求解，目前还存在许多理论上和计算速度上的问题。
2）推进系统研发技术。空天飞行器所面对的大空间、速度跨度和工作环境变化是现有的所有单一类型发动机都不可能胜任的，所以全新的推进系统也是空天飞行器研发的关键技术之一。推进系统最重要的特性是比冲量。众所周知，喷气式发动机比冲量大，可以在大气层中吸入空气，无需携带氧化剂， 但无法在大气层外工作，而且有马赫数约为5.5的速度上限；而火箭发动机自带氧化剂，可以在大气层内外全程工作，使用速度范围较广，但携带的氧化剂质量较大，比冲量小。设想的空天飞行器的推进系统一般采用超燃冲压发动机与火箭发动机，或涡轮喷气发动机、冲压喷气发动机与火箭发动机的组合动力方式。然而超燃冲压发动机的研制目前还存在很多的技术难题，而且多种发动机的组合方式会使推进系统变得过于复杂而可靠性降低。
3）材料与结构设计技术。空天飞行器需要多次出入大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热，特别是以高超声速再入大气层时，气动加热会使其表面达到极高的温度。在飞行时，飞行器头部和机翼前缘的表面温度可达2760℃。在这种情况下，航天飞机上的防热瓦块式热防护系统就不再适用了，必须在开发新材料的基础上开展原创性的结构设计，以给飞行器配备一个质量轻、性能好、能够重复使用的热防护系统。除此之外，空天飞行器在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力、振动、空气动力等作用，在返回再入阶段要经受颤振、抖振、起落架摆振等作用。在多种工况复合作用下，热防护系统既要
遥感图像世界主要空天飞行器项目
方便，所以其设计具有相当的技术难度。
4）一体化设计技术。空天飞行器除起飞加速阶段外，其他阶段的飞行速度都很高，当其以马赫数超过6的速度在大气层内飞行时，空气阻力将急剧上升，所以其外形必须高度流线化。亚声速飞机常采用的
翼吊式发动机已不适用，需要将发动机与机身合并，以构成高度流线化的整体外形，即让前机身容纳发动机吸入空气的进气道，让后机身容纳发动机排气的喷管，实现发动机与机身一体化。在一体化设计中，最复杂的是要使进气道与排气喷管的几何形状能够随着飞行速度的变化而变化，以便调节进气量，使发动机在低速时能产生额定推力，而在高速时又可降低耗油量，还要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能，以使它在再入大气层的过程中能够经受住高速气流和气动加热的作用。
3 代表性项目研制情况
目前，美国、俄罗斯、欧盟、英国及日本都在
看到的资料分析，目前世界上所有在研的空天飞行器都还未取得实质性成功，还处在研究及发展阶段。
美国
美国开展的空天飞行器研发项目占全球总数的50%以上。1982－1985年，美国在国防高级研究计划局（DARPA）的主持下开展了“国家航空航天飞机”（NASP）方案的可行性研究工作，旨在研发一种可以水平起飞和着陆的单级入轨飞行器，X－30是NASP的一个先进技术演示试验飞行器。X－30对机身和发动机进行了一体化设计，铲形前机身产生冲击波，以在空气进入发动机之前对其进行压缩；后机
身设计成集成喷嘴的形式以扩大排气；前后机身中间配置1台超燃发动机。根据设计，飞行器长度为48.8m，翼展为22.6m，总质量为136078kg，动力装置为1台超燃发动机，并且能携带1～2名航天员。尽管在必要的结构和推进技术方面取得了一些进展， X－30方案还是由于诸多技术难题和昂贵的开发成本
于1993年停止。
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汽车喷水电机取而代之的是X－43无人驾驶试验飞行器。X－43继承了X－30已突破的技术，但是规模要比X－30小，长度只有3.7m，质量约为1300kg，也采用超燃发动机作为动力。由于超燃发动机只能在马赫数4.5或更高的速度范围内运行，为了达到这一要求，X－43首先由B－52飞机搭载升空，在适当时刻与母机分离，依靠携带的“飞马座”（Pegasus）火箭将自身速度提升至超燃发动机可以工作的范围，然后依靠超燃发动机工作继续飞行。X－43共进行了3次飞行测试，并在2004年11月6日的第3次测试时实现了马赫数9.6的飞行速度。
比较而言，目前为止最为成功的空天飞行器项
目就是X－37B“轨道试验飞行器”（OTV）。X－37B由波音公司旗下幻影工厂制造，长度为8.8m，高2.9m，翼展为4.6m，尾部有两扇竖尾翼，大小是航天飞机的1/4，起飞质量超过5t。X－37B体积虽小，但功能齐全，有一个与航天飞机相似的背部载荷舱，尺寸与皮卡车的后货箱相当，载荷能力约为2t，内置货舱可以搭载小型机械臂，抵达轨道后可展开进行轨道作业。为了满足在轨能源需求，X－37B还携带了太阳能电池板。X－37B采用火箭发动机（无法实现水平起飞），推进剂为（MMH）和四氧化二氮（N 2
O 4
）的双组元自燃推进剂。2010年4月23日，首架X－37B从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成
喷气式飞行器
碱锰电池B－52飞机搭载X－43示意图临射前的X－37B
飞行中的X－37B
X－30
次发射任务。这架X－37B轨道试验飞行器于2010年12月3日成功降落在美国加州范登堡空军基地，飞行时间224天。2011年3月5日，第二架X－37B由一枚宇宙神－5运载火箭搭载升空，于2012年6月16日成功返回地球，共飞行468天。2012年12月11日，从卡纳维拉尔角空军基地再次成功发射X－37B飞行器。执行本次任务的X－37B与2010年发射的为同一架，飞行674天后成功返回地球。2015年5月20日，由宇宙神－5火箭对X－37B飞行器进行了第4次发射，于2017年5月7日成功返回地球，在轨飞行718天。项目发展至今，X－37B的存在价值一直备受争议，而且美国军方甚少透露它的任务与行踪，令外界对其用途有诸多猜测。有军事专家认为，美国会在此基础上开发出彻底颠覆现有军事武器体系的作战系统；美国的《基督教科学箴言报》称，X－37B的试飞“非常清楚地表明‘军事武器太空化’已经开始”。
除X系列试验飞行器外，美国还有多项私人资本投资的空天飞行器研发项目。太空船－1是1架装有火箭发动机的有翼飞行器，由美国缩尺复合体公司制造。使用混合式固体火箭发动机，有双尾翼以及可
变的半三角翼机翼，在不同的阶段，机翼会变成不同的状态。与X－43类似，太空船－1需要母机载
5m，翼面积15m 2，机身直径1.52m，加注燃料前质量1200kg，由1台一氧化二氮/端羟基聚丁二烯混合式固体火箭（Space Dev公司研制）作为动力。2004年6月21日，太空船－1成功地完成了第一次私人资本的人类太空飞行。太空船－1由一架“白骑士”喷气式飞机搭载升空，当“白骑士”飞抵15km高空时，释放出太空船－1，飞船火箭发动机点火，80s后飞行速度升至马赫数3左右，攀升至约50km的高空，在火箭发动机关闭后，太空船－1再向上冲到约距离地面103km的太空。在整个飞行期间，太空船－1大约有200s处于失重状态。随后，太空船－1开始降落，这时它的机翼后半部和2个尾翼均向上旋转，直至跟船身成直角，以帮助船体减速。当太空船－1重新进入低空后，尾翼旋转回原来位置，飞行员驾驶着没有任何动力的太空船－1滑翔，像普通飞机一样，在机场水平着陆，完成载人亚轨道飞行。同年，太空船－1满足了2周之内载3个人（或相等质量物品）作2次高度100km的飞行而飞行器更换的配件不得超过质量（此处指除燃料之外的质量）10%的要求，因而赢得1000万美元的“安萨里X大奖”。太空船－1的飞行虽然取得了成功，但也暴露出很多安全隐患，要实现人类太空旅行的常态化还需要继续努力。
“白骑士”飞机搭载太空船－1
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