爱华网
1986年3月，《中国高技术研究发展计划纲要》获得批示，这项计划就是促进中国高新科技发展的“863计划”，在未来的15年内取得7个领域重要突破，其中航天技术排在第二位，也就是“863-2”，其下确定了两个方向：第一，大型运载火箭与天地往返运输系统，即204项目;第二，载人空间站及其应用，即205项目。1989年，863-204专家组在《大型运载火箭及天地往返运输系统可行性及概念研究综合报告》中提出了未来中国航天发展的“两步走”战略：要在2015年左右研制出两级水平起降的空天飞机，以适应未来空间站大系统发展的需要。
图1两级入轨平台是未来空天飞机发展的方向之一
1.空天飞机的概念与特点
空天飞机属于跨大气层飞行器，从字面上不难看出此类飞行器即有“空”的部分、又涉及到“天”的概念，可以在跑道上水平起飞和降落，通过自身的有翼结构实现在大气层内的机动飞行。与传统大气层内飞行器所不同的是，空天飞机可以在30至100公里的高度以高超音速飞行，速度可达到10至25倍音速，通过火箭动力加速进入轨道，返回地球时同样要克服再入过程的种种困难，像普通飞机那样水平着陆，事实上空天飞机是可重复使用的平台，一般能达到上百次，可大幅度降低天地往返的运输成本。
从外形上看，空天飞机有着特殊的气动要求，其面临的关键技术比单纯的航空、或者航天飞行器要复杂得多，如果是两级入轨到的空天飞机，那么还将涉及到助推级的问题，显然一个完成的空天飞机组合体将涉及到重型运载火箭工程、大飞机工程、载人航天等领域。从动力上看，由于空天飞机需要进行跨大气层飞行，因此不仅需要先进的吸气式发动机技术，也需要火箭动力，当级间分离时还需要助推级提供足够的能量，降低轨道级的能量需求，吸气式发动机还需要突破涡轮喷气、(超燃)冲压发动机等技术，空天飞机是集合航空航天各学科的产物。
图2X-30是一款典型的空天飞机研制方案
空天飞机的概念定义来源于20世纪80年代，西方多个国家为了建造空间站需要可重复使用的天地往返运输系统，1986年美国提出了“NationalAerospacePlane”计划，其正确翻译应该是“国家空天飞机”，与航天飞机和现在X-37B相比，其最大的特点在起飞阶段不同，空天飞机水平起飞、水平降落，航天飞机和X-37B则是垂直起飞，使用火箭动力，因此X-37B应该称为轨道机动运载器，并不属于空天飞机范畴，美国空军将X-37B定位在100公里以上的高度，是进入近地轨道的低成本平台。空天飞机应该突出“空”，不仅可以利用有翼结构在大气层内进行机动飞行，还需要使用吸气式发动机，最典型即是X-30验证机。因此，空天飞机应该具有四大特点：第一，水平起飞、水平降落能力，利用有翼结构产生升力完成大气层内飞行;第二，动力系统由吸气式发动机和火箭发动机构成，可在不同高度飞行;第三，可在亚轨道上进行高超音速飞行，超燃冲压技术是获得这一速度保证;第四，可进行多次重复使用，至少重复使用100次以上。
2.空天飞机与单级、两级入轨飞行器发展过程及其意义
NASP计划无疑是空天飞机兴起的标志，在此之前，进入轨道需要不可重复使用的火箭(飞船)和航天飞机，单次发射的费用高昂，如果要在近地轨道上组装起一个庞大的建筑，就需要能重复使用的低成本运载平台，可以像普通飞机那样在跑道上起飞，又可以如航天飞机那样再入大气层降落。1982至1985年，NASP方案进行了可行性研究，并通过X-30空天飞机验证高超音速技术，普惠公司已经完成8马赫和20马赫数(激波风洞)状态下超燃冲压动力的测试。从外形上看，X-30的一体化设计将机身和动力系统完美融合，通过液态氢燃料冷却高超音速飞行时产生的热量，一体化设计的成败直接关联到飞行器整体的气动性能，使之能完成亚轨道14马赫的高超音速巡航，并突破25马赫的速度进入轨道。NASP计划对空天飞机研究的影响最为深远，几乎奠定了空天飞机整个框架，基本上掌握了低于八马赫数的超燃技术，该平台是实现低成本进入空间的有效途径，不需要庞大的发射队伍和准备时间，普通的机场就能完成起飞。该项目于1995年解体，耗资三十多亿美元。
除了NASP外，还有英国的“HOTOL”和德国的“Sanger”方案，“HOTOL”是英国在1982年提出的单级入轨空天飞机，使用吸气式和火箭发动机组合动力，工作流程依然是使用吸气式发动机加速到5马赫，然后启动火箭发动机进一步加速。“HOTOL”的演变方案在1989年被提出，使用安-225作为第一级载机平台，在空中将轨道级发射。德国的“Sanger”方案则是两级入轨平台，使用吸气式涡轮冲压和火箭发动机，级间分离速度为6.8马赫左右。
1994年起，美国空军在未来军备研究报告中将空天飞机作为重要的武器平台，强调轨道打击的重要性，并研究以火箭为动力的单级入轨航天器，通过X-33和X-34验证机进行测试。采用升力体结构的X-33是NASA与洛马联合研制的可重复使用运载器，作为单级入轨的典型型号，X-33的目标是将传统的发射费用降低到十分之一，其在兰利研究中心的多个风洞进行了大雷诺数范围和高超音速测试，同时进行了高超音速飞行状态下机身热气动特性，整体布局采用升力体与气动塞式喷管发动机融合，可将推力均匀释放，使用7台RS-2200发动机，推重比可达到80，远超航天飞机。X-33采用垂直起飞、水平着陆，可重复性体现在可执行100次任务，每公斤成本控制在2000美元左右，该型飞行器只能算是单级亚轨道运载器，更不是空天飞机，其最大速度仅为25马赫。X-34算是两级入轨平台轨道级的雏形，其可操作性比X-33要强，更容易实现，其载机为L-1101，在一定高度上将X-34释放，然后通过自身携带的火箭动力进入亚轨道，最后通过无动力再入大气层，水平着陆。气动使用翼身组合体外形，前截面较圆，后机身截面为方形，再入过程中使用襟翼增强纵向控制能力。
图5X-33采用垂直起飞、水平着陆的方式
除了美国的空天飞机与单级、两级入轨平台外，俄罗斯的“MAKS”多用途空天系统是一种比较贴近实际情况的方案，该系统由亚音速载机平台安-225携带轨道级，在一定高度上将轨道级释放，是两级入轨平台的初级方案。欧洲目前最流行的方案应该算是英国喷气发动机公司的“云霄塔”，该项目源于早期的“HOTOL”，但是机体结构、发动机都进行了大量重新研究，尤其是新型的“佩刀”发动机，可以认为“云霄塔”是一款典型的空天飞机：有翼结构、水平起降、可重复使用以及单级入轨，不仅可进行亚轨道飞行，还可以对接空间站，比X-33要更“靠谱”。混合动力的成败取决于预冷热交换器的研制，在上升阶段，使用吸气式动力，将空气压缩后与液态氢混合燃烧，后者还可以作为封闭循环回路的冷却剂，在大约26公里高度时，速度可达到5马赫左右，直接切换到火箭动力模式进入轨道，燃料使用液氢液氧，最大起飞重量为340吨左右，使用寿命大约为200次左右，是单级入轨空天飞机的标杆之作，当然其成败与否还是要看“佩刀”发动机。
目前在空天飞机领域处于领先地位的无疑是美国，美国空军从1950年代以来都一直希望获得军用航天平台和高超音速飞行动力技术。比如X-15和X-24平台，1980年代末，吸气式单级入轨平台的可行性研究进入发展阶段，弹道导弹防御体系中也被嵌入单级入轨火箭的项目，按美军标准：军用轨道平台可以起降至少250次，使用年限在15至20年左右，100次起降不需大修。空天飞机是空间作战的理想平台，不仅可以快速补网执行轨道发射任务，还可以携带天对地武器，对任一地面目标执行打击。此外，在反卫星、反导领域也有特殊的攻击模式。
图6“云霄塔”具有有翼结构、水平起降、可重复使用以及单级入轨特点
3.611所提出的两级入轨空天飞机方案分析
我国的空天飞机研制计划起步并不慢，863-204专家组在《大型运载火箭及天地往返运输系统可行性及概念研究综合报告》中提出要在2015年左右研制出两级水平起降的空天飞机，以适应未来空间站大系统发展的需要。从传统观点上看，两级水平起降平台的第一级可以认为是助推级，需要为轨道级提供足够的高度和速度，如果这个条件满足不了，就需要加大轨道级，那么在级间分离后第二级的任务无疑会加重。从目前看，空天飞机的方案可分为单级入轨和两级入轨，其中两级入轨根据助推级的不同又可以分为两种，亚音速载机平台和超音速载机平台。单级入轨的典型方案就是英国的“云霄塔”空天飞机，“佩刀”发动机是关键因素，是吸气式与火箭发动机混合典范，冷却技术使用碳化硅材料与被动辐射导热，再入时将温度控制在700摄氏度左右，机身使用复合材料桁架结构。该型空天飞机涉及到的技术更多，而单级入轨则是空天飞机发展的方向。
图7两级入轨空天飞机一般需要第一级提供足够的高度和速度
3.1两种两级入轨方案：超音速载机和亚音速载机平台
两级入轨空天飞机有两个较为成熟的设计方案，即使用超音速载机和亚音速载机平台。超音速载机平台作为第一级，运载轨道级在普通机场上起飞，通过组合式涡轮喷气发动机达到4倍左右的级间分离速度，然后轨道级使用基于火箭组合循环的动力模块继续加速，从飞行轨道上看，轨道级与第一级的分离高度为2万米左右，分离后可以通过双模态超燃冲压发动机加速到10马赫左右，这一过程可以在亚轨道内完成，然后启动火箭发动机，使用甲烷和液氢液氧为燃料。此方案需要一种大型超音速平台作为第一级，对中国航天而言短期内无法实现这一设想，直观地讲，至少需要XB-70这一级别的飞行器作为助推级，轨道级还需要超燃冲压发动机进行亚轨道飞行，最后才启动火箭动力进入近地轨道。该方案采用了比较前卫的设计，应该说是建造空天飞机的基本技术门槛，比如大型超音速飞行器、超燃发动机技术、大推力涡轮喷气发动机、可重复使用液体火箭发动机、高效的热防护和健康管理系统等。
亚音速载机平台在前苏联时代就有先例，使用了安-225作为重型载机，起飞重量达到600吨以上，可搭载更重的轨道级，级间分离高度大约在1万米左右，轨道级使用火箭发动机达到入轨速度。611所提出的两级入轨方案最有可能使用亚音速载机平台，轨道级使用有翼布局，依靠火箭发动机的强大动力提升有效载荷量级，如果仅仅是进入亚轨道，那么载机平台并不需要太大，这一点可以参考X-34方案，轨道级的气动布局可采用广泛使用的翼身组合体构形，如果是轨道级需要进行载人任务，并且进入100至200公里以上的近地轨道，就需要使用更大的亚音速平台，比如伊尔-76，在我国大飞机项目还未成熟之前，伊尔-76运输机是个理想的亚音速载机平台，可背驼质量更大的轨道级。并不排除轨道级使用了超燃冲压发动机技术，如果在轨道级上安装超燃动力，整体结构质量会更轻，航程更远。NASP计划虽然没有将X-30变成现实，但是极大推动了高超音速技术的发展，比如兰利研究中心就进行了3000多次试验，掌握了马赫数低于八的超燃发动机技术。
图8基于安-225的亚音速平台需要轨道级搭载更强劲的火箭动力
3.2搭载吸气式超燃发动机的轨道级可能无法在短期内实现
空天飞机作为一类新的天地往返飞行器，其典型的特征是使用吸气式发动机和火箭发动机构成组合动力，大气层内使用吸气式发动机，进入轨道前使用火箭发动机进行加速，611所的两级入轨方案中明确指出了使用吸气式发动机，此类发动机分为活塞式、燃气涡轮和冲压喷气，目前还有一些诸如脉冲爆震发动机、冲压转子发动机、高超音速发动机等新的动力模式，其中高超音速发动机是未来空天飞机需要突破的技术，其中包括超燃冲压和脉冲爆震发动机。超燃冲压发动机结构简单、重量轻、比冲高，可利用大气中的氧进行飞行，亚轨道之下的高超音速飞行需要超燃动力，推重比高，可达20以上，不论是涡轮喷气还是火箭动力都难以维持高马赫数的大气层内飞行。配备超燃冲压发动机的轨道级需要突破多项技术瓶颈，比如发动机与机体一体化设计、超音速燃烧技术、毫秒级的燃料喷射点火技术、耐高温的碳碳符合材料等。如果吸气式轨道级能作为我国天地往返运输体系，那么级间分离的速度可以控制在4马赫左右，甚至只要3马赫即可。从目前的我国航天在超燃技术上的研究看，搭载吸气式超燃发动机的轨道级可能无法在短期内实现。
图9超燃冲压发动机可简化轨道级结构和重量，该动力是未来两级入轨平台的关键技术
4.发展空天飞机需要面临多个技术瓶颈
发展两级入轨的空天飞机除了动力系统需要跨越式发展外，在航天器隔热系统、材料、测控通信、最优轨迹、综合电子信息系统以及综合健康管理领域等方面都要有所突破，NASP空天飞机使用了ACC防热隔板，在无主动冷却情况下可耐受1400摄氏度的高温，X-30在2.6万米高度以八马赫数飞行时，头锥温度可达到1793摄氏度，机身尾部的温度最低，大约为760摄氏度左右，机翼前缘温度为1455摄氏度。通常情况下，空天飞机再入时头锥帽处的最高温度可以达到1600摄氏度至1800摄氏度，机翼前缘也可以达到1600摄氏度，需要选择耐高温、低维护性的隔热材料，有研究称铌铝化合物可耐受1800摄氏度的高温。
空天飞机再入时必须要面对黑障的干扰，机体四周会形成一定厚度的电离气体层，会对通讯产生影响，在这方面我国应该有足够的技术储备来应对这一问题，比如空天飞机在高速亚轨道飞行高速数传技术、共形相控阵天线技术等。针对水平起降的两级入轨平台，上升轨迹优化是一个重要前期研究内容，可以降低组合体的起飞质量，压缩空天飞机各子系统的指标，满足诸如过载约束、气动加热约束等过程约束条件，使起飞质量降到最低，对吸气式组合动力的轨道级总体性能要求有所放宽。空天飞机的最低指标之一就是具有可重复性，因此需要综合健康管理技术来了解航天器各子系统的状态，分析可能存在的故障并进行诊断，以兰利研究中心为例，其发展的健康管理架构被认为是空天飞行器健康管理的一部分，其中包括声波、电磁、光纤等传感器技术，我国空天飞机研制计划中的健康管理技术还处于理论研究阶段。
图10测试2至8马赫数条件下的进气道方案
[结语]：两级入轨的空天飞机方案将面临许多困难，即便选择可行性较高的亚音速载机平台，也需要在材料和发动机等领域有所突破，当然，超燃冲压发动机技术将是未来空天飞机方案普遍采用的技术，正如空天飞机是航空航天领域的结合产物，其所使用的先进材料和制造技术必然代表了世界先进水平。我国空天飞机计划开始后，将带动各学科的发展，即便短期内无法实现，也可积累相当的研发经验。
