【中國(guó)科學(xué)報(bào)】空天飛機(jī)讓天地往返不再難
發(fā)布日期：2013-10-29 閱讀次數(shù)：
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 編輯：黨委宣傳部 趙琳
原文鏈接：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2013/10/279214.shtm
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長(zhǎng)期以來(lái),，人們一直期盼能有一種交通工具可以在大氣層內(nèi)外自由穿梭，既可以像飛機(jī)一樣在大氣層內(nèi)飛行,，又可以像宇宙飛船一樣在太空遨游,。如今俄羅斯,、日本,、德國(guó)都在研制空天飛機(jī),，美國(guó)正在打造體形更大的X-37C空天飛機(jī)。人們的這種設(shè)想正逐漸走向現(xiàn)實(shí),。
■本報(bào)記者 魏剛
一架從紐約飛往北京的民航客機(jī)在起飛5分鐘后,，隨著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火沖出大氣層進(jìn)入太空,，經(jīng)過(guò)太空巡航后再次進(jìn)入大氣層并平穩(wěn)降落在首都機(jī)場(chǎng),，整個(gè)飛行時(shí)間只有30分鐘。這不是天方夜譚，也不是科幻小說(shuō),，隨著科技發(fā)展,，跨洲際旅行將因?yàn)檫@種空天飛機(jī)而變得像從家到單位一樣容易。
長(zhǎng)期以來(lái),，航空與航天是兩個(gè)不同的領(lǐng)域,，大氣層內(nèi)由飛機(jī)、飛艇,、熱氣球等統(tǒng)治,，而大氣層外，則是宇宙飛船,、航天飛機(jī),、衛(wèi)星、空間站的世界,。人們一直期盼能有一種交通工具可以在大氣層內(nèi)外自由穿梭,，既可以像飛機(jī)一樣在大氣層內(nèi)飛行，又可以像宇宙飛船一樣在太空遨游,，同時(shí)不需要助推火箭和復(fù)雜的發(fā)射場(chǎng)以及回收措施,，就可以依靠自身動(dòng)力從任何一個(gè)普通機(jī)場(chǎng)起飛并安全降落。
隨著2010年美國(guó)空天飛機(jī)X-37B的試飛成功,，這種設(shè)想正逐漸走向現(xiàn)實(shí),，如今俄羅斯、日本,、德國(guó)都在研制空天飛機(jī),，美國(guó)正在打造體形更大的X-37C空天飛機(jī)。
那么,，什么是空天飛機(jī),？它與普通飛機(jī)有何不同？未來(lái)是否能給航空運(yùn)輸業(yè)帶來(lái)劃時(shí)代的革命呢,？
大氣層內(nèi)外的無(wú)縫銜接
北京理工大學(xué)教授張景瑞告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者,，空天飛機(jī)的飛行高度比普通飛機(jī)高，但比衛(wèi)星軌道要低,，顧名思義,，“空天”兩字是航空與航天的簡(jiǎn)稱(chēng)?？仗祜w機(jī)是將普通飛機(jī)與航天飛機(jī)有機(jī)結(jié)合在一起的一種既能航空又能航天的新型飛行器,。
它既能像普通飛機(jī)一樣起飛，在幾十萬(wàn)米高空以高超音速在大氣層內(nèi)飛行,，又可加速?zèng)_出大氣層,，直接進(jìn)入地球軌道做航天飛行,，返回大氣層后像飛機(jī)一樣在機(jī)場(chǎng)著陸。
軍事專(zhuān)家,、《航空知識(shí)》副主編王亞男在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪(fǎng)時(shí)指出,，空天飛機(jī)方案主要有兩種：一種是擬用作跨洲際飛行的高超音速運(yùn)輸機(jī)，能以5～6倍音速在3萬(wàn)米的高度做巡航飛行,；另一種為“跨大氣層飛行器”,，可做軌道飛行（飛入地球低軌道的速度為25倍音速），也可在次軌道做氣動(dòng)力機(jī)動(dòng),，然后再回升到軌道上以軌道速度航行,。
目前，投入試飛階段的空天飛機(jī)當(dāng)屬美國(guó)的X-37B,。它于2010年4月從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地,，被“阿特拉斯5號(hào)”火箭發(fā)射升空。在太空遨游了7個(gè)月后,，自主重返大氣層,，于當(dāng)年12月3日在加州范登堡空軍基地著陸。盡管在起飛階段還需要火箭運(yùn)送,，但是已經(jīng)具備了在大氣層內(nèi)外飛行的能力,。
而今年5月美國(guó)X-51A的試飛則讓飛行器達(dá)到了5.1馬赫的高超音速。這意味著科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)航空與航天技術(shù)的無(wú)縫對(duì)接有所掌握,，對(duì)超高音速飛行的動(dòng)力和材料問(wèn)題也找到了解決的方向,，“空天一體化”正逐漸夢(mèng)想成真。
組合動(dòng)力與耐高溫材料
由于空天飛機(jī)要在大氣層內(nèi)與太空中交替可重復(fù)使用,，因此對(duì)動(dòng)力和材料要求很高,。
中國(guó)工程院院士、航空動(dòng)力專(zhuān)家劉大響在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪(fǎng)時(shí)指出,，與普通的噴氣式飛機(jī)不同,，空天飛機(jī)在動(dòng)力上使用的是組合發(fā)動(dòng)機(jī)，即噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相配合,。一般先由噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)將空天飛機(jī)助推到1.8馬赫,，這時(shí)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)才能啟動(dòng)，靠沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)超音速巡航,。
王亞男告訴記者,，發(fā)動(dòng)機(jī)是空天飛機(jī)的關(guān)鍵。它的發(fā)動(dòng)機(jī)必須保證從零加速到25馬赫的過(guò)程中穩(wěn)定高效地工作,。而在大氣層外要用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn),，在大氣層內(nèi)要用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，同時(shí),，還要保證大氣層內(nèi)的高超音速飛行的動(dòng)力,，在空天飛機(jī)沖出大氣層或重返大氣層時(shí),，還要保證兩種動(dòng)力的無(wú)縫轉(zhuǎn)換銜接。所以單一類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)是無(wú)法完成這樣的任務(wù)的,。
目前X-51A使用的是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，使燃料在超聲速氣流中進(jìn)行燃燒,，使用液氫燃料時(shí),，其理論飛行速度可達(dá)到6~25馬赫。
由于空天飛機(jī)要多次出入大氣層,，每次都會(huì)因?yàn)榕c空氣的劇烈摩擦而在空天飛機(jī)表面產(chǎn)生高溫,。目前除了采用碳化硅等耐高溫的復(fù)合材料涂層外，另一個(gè)辦法就是采用主動(dòng)式冷卻防熱系統(tǒng),，讓機(jī)體結(jié)構(gòu)與防熱系統(tǒng)一體化,，即把機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成夾層式或管道式，讓冷卻劑在夾層內(nèi)或管道內(nèi)流動(dòng),，使它吸走空氣對(duì)結(jié)構(gòu)外表面摩擦所生成的熱量,。
同時(shí)，為了減少重返大氣層和在大氣層內(nèi)高超音速飛行時(shí)的阻力,，空天飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)還要和機(jī)身一體化,，并保證發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道與排氣道可以隨速度不同而隨時(shí)調(diào)整形狀，既發(fā)揮最大動(dòng)力效能又節(jié)省燃料,。
改變航空運(yùn)輸格局尚需時(shí)日
《西游記》中孫悟空一個(gè)筋斗云就飛了十萬(wàn)八千里,，未來(lái)空天飛機(jī)能否讓“登天”不再是難事，同時(shí)讓洲際間運(yùn)輸在一小時(shí)內(nèi)完成呢,？
王亞男指出,，雖然目前X-37B還依靠火箭助推到大氣層外，X-51A還離不開(kāi)B-52轟炸機(jī)搭載到高空,，但空天飛機(jī)的發(fā)展方向是像普通飛機(jī)一樣自主起飛,。由于空天飛機(jī)可以從機(jī)場(chǎng)起飛降落，不需要復(fù)雜的發(fā)射場(chǎng)和大功率的火箭和一到兩個(gè)月的發(fā)射前準(zhǔn)備,，并可實(shí)現(xiàn)真正的重復(fù)使用,，未來(lái)，空天飛機(jī)可以作為固定的貨運(yùn)客運(yùn)航班向空間站運(yùn)送人員和給養(yǎng),，也能作為衛(wèi)星發(fā)射,、維修平臺(tái)，使航天工程變得輕松而常規(guī)化,。
同時(shí),，空天飛機(jī)的研制使超高音速飛行成為可能，距離不再是障礙,，全球交通將被縮短在1小時(shí)以?xún)?nèi),。大型空天飛機(jī)可以承擔(dān)起跨洲際人員和貨物的運(yùn)輸任務(wù),，將給航空業(yè)帶來(lái)劃時(shí)代的變革。
但張景瑞認(rèn)為,，空天飛機(jī)的民用前景還不好說(shuō),，因?yàn)樯婕暗斤w行成本。當(dāng)年航天飛機(jī)研制之初,，人們的目的也是用它來(lái)實(shí)現(xiàn)天地往返,，但是，在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)天地往返的成本太高了,，很難作為普及型的交通工具,。而當(dāng)年風(fēng)光一時(shí)的協(xié)和號(hào)超音速客機(jī)也因?yàn)槭鹿识Ｖ沽撕罄m(xù)的研制。所以,，目前來(lái)看,，空天飛機(jī)還只是一種航空航天的新發(fā)明，離成為大眾化的宇航或洲際運(yùn)輸工具還有很長(zhǎng)的路要走,。
當(dāng)然,，除了民用之外，人們無(wú)法忽視空天飛機(jī)的軍事用途,。王亞男指出,，空天飛機(jī)除了民用外，還有四種軍事用途：首先,，由于空天飛機(jī)可以在太空部署,，未來(lái)一旦將太空定位為戰(zhàn)場(chǎng)，它就可對(duì)敵方的衛(wèi)星,、宇宙飛船甚至太空站下手,。只要裝備簡(jiǎn)單的機(jī)械手，空天飛機(jī)就可以破壞或擒獲敵方的衛(wèi)星,。其次,，空天飛機(jī)由于飛行高度高，靈活機(jī)動(dòng),，還可以作為監(jiān)視和預(yù)警平臺(tái),，代替?zhèn)刹煨l(wèi)星，監(jiān)控?cái)撤杰娛滦袆?dòng),，為己方軍事行動(dòng)提供信息和預(yù)警,。第三，空天飛機(jī)可以自由往返于太空和大氣層,，所以如果在空天飛機(jī)上安裝激光武器和導(dǎo)彈,，它就可以隨時(shí)攻擊地面的目標(biāo)。此外，由于空天飛機(jī)飛行速度高達(dá)25馬赫,，所以可承擔(dān)全球范圍的快速打擊任務(wù)和軍事物資的投送任務(wù),。
就像汽車(chē)、飛機(jī)的發(fā)明,，讓人們的活動(dòng)半徑前所未有的擴(kuò)大,，也改變了空間與時(shí)間的概念；未來(lái),，空天飛機(jī)也許將給人類(lèi)帶來(lái)一個(gè)不一樣的世界,。
（審核：王征）
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