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導(dǎo)讀：空天飛機(jī)，即兼具航空與航天的新型飛行器，可根據(jù)不同的需求，在大氣層和衛(wèi)星軌道上靈活機(jī)動(dòng)。它比普通戰(zhàn)斗機(jī)飛得更高、更快，而比彈道更加靈活且能重復(fù)使用，能在戰(zhàn)爭一爆發(fā)就“即時(shí)打擊”，將是未來戰(zhàn)爭中可與航空母艦媲美的強(qiáng)力殺傷性武器，軍事方面的顯著優(yōu)勢使其必將成為各大航天強(qiáng)國爭奪制天權(quán)與空間優(yōu)勢的戰(zhàn)略武器平臺(tái)。

目前世界各國空天飛機(jī)主要處于研究與驗(yàn)證階段，主要在研項(xiàng)目包括美國的X-37空天飛機(jī)，英國的Skylon空天飛機(jī)，印度的RLV-TD空天飛機(jī)和中國“騰云”工程的空天飛機(jī)。其他國家沒有完整的空天飛機(jī)研制計(jì)劃。

1.美國X-37試驗(yàn)機(jī)

X-37試驗(yàn)機(jī)為一種可重復(fù)使用空天飛機(jī)，又稱軌道試驗(yàn)飛行器（Orbital Test Vehicle），該空天飛機(jī)研制計(jì)劃的總計(jì)劃Future-X于1996年由NASA提出，1999年X-37試驗(yàn)機(jī)項(xiàng)目由美國波音公司（The Boeing Company）接手，進(jìn)行X-37試驗(yàn)機(jī)的研究制造。

X-37空天飛機(jī)結(jié)構(gòu)

X-37在起飛時(shí)需要以火箭搭載或大型飛機(jī)投放升空，其耐熱能力能抵受穿越大氣層時(shí)所產(chǎn)生的熱力，并且在太空上連續(xù)飛行一年以上。在回程時(shí)，X-37能夠像一般飛機(jī)一樣使用飛行跑道降落，還能在結(jié)束任務(wù)時(shí)自動(dòng)返回地面，被視為是未來“太空戰(zhàn)斗機(jī)”的雛形。X-37的最高速度能達(dá)到音速的25倍以上，常規(guī)軍用雷達(dá)技術(shù)無法捕捉。

X-37B空天飛機(jī)

目前X-37試驗(yàn)機(jī)共發(fā)展出3個(gè)規(guī)劃型號(hào)，分別為X-37A、X-37B和X-37C。X-37A為試驗(yàn)初期的型號(hào)，以高純度過氧化氫和JP-8煤油作為推進(jìn)劑，用于使用高空飛機(jī)從高空投放后測試自主著陸能力。X-37A在2005至2006年間共進(jìn)行過4次無動(dòng)力投放試驗(yàn)，至少有一次成功著陸。X-37C是2011年美國波音公司計(jì)劃在X-37B的基礎(chǔ)上增大180%體積的載人型號(hào)，使用波音CST-100乘員艙可以容納多達(dá)六名宇航員和更多的貨物。

X-37B空天飛機(jī)近照

2006年，美國空軍宣布以X-37A為基礎(chǔ)發(fā)展X-37B。目前，美國空軍共擁有兩架X-37B試驗(yàn)機(jī)，第一個(gè)原型用于大氣測試，而第二個(gè)原型用于支持無障礙發(fā)射。

X-37B主要參數(shù)及性能

項(xiàng)目

參數(shù)

項(xiàng)目

參數(shù)

是否載人

否

電力

砷化鎵太陽能板、

鋰離子電池

機(jī)長

8.92米

有效載荷艙

2.1米×1.2米

機(jī)高

2.90米

有效載荷

227~272公斤

翼展

4.55米

軌道速度

28044千米/小時(shí)

最大起飛重量

4990千克

軌道

低地球軌道

推進(jìn)劑

甲基肼、四氧化二氫

資料來源：調(diào)研整理

X-37B采用了新一代防熱材料，滿足重返大氣層的需要。X-37B主體結(jié)構(gòu)使用輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，機(jī)翼前緣采用了新一代耐高溫材料——強(qiáng)化單體纖維抗氧化陶瓷（TUFROC）瓦，能夠承受再入大氣層時(shí)1650攝氏度以上的高溫，其性能超過航天飛機(jī)前緣使用的碳/碳材料。X-37B還采用了強(qiáng)化單體纖維隔熱（TUFI）瓦、先進(jìn)的共形可重復(fù)使用防熱（CRI）氈等新型防熱材料。

X-37B太空運(yùn)行構(gòu)想圖

自2010年起，X-37B試驗(yàn)機(jī)共進(jìn)行了5次軌道飛行任務(wù)，其中4次已經(jīng)完成，1次仍在進(jìn)行。第6次軌道飛行任務(wù)計(jì)劃于2019年11月進(jìn)行。

圖表：X-37B進(jìn)行的軌道任務(wù)

飛行批次

軌道器

運(yùn)載火箭

發(fā)射時(shí)間

返回時(shí)間

持續(xù)時(shí)間

任務(wù)分類

OTV-1

第一架

Atlas  V 501

2010.4.22

2010.12.3

224天

USA-212

OTV-2

第二架

Atlas V 501

2011.3.5

2012.6.16

468天

USA-226

OTV-3

第一架

Atlas  V 501

2012.12.11

2014.10.17

674天

USA-240

OTV-4

第二架

Atlas V 501

2015.5.20

2014.5.7

717天

USA-261

OTV-5

未知

Falcon  9

2017.9.7

尚未返回

＞500天

USA-277

資料來源：調(diào)研整理

計(jì)劃中測試的技術(shù)主要包括先進(jìn)的制導(dǎo)，導(dǎo)航和控制，熱保護(hù)系統(tǒng)，航空電子設(shè)備，高溫結(jié)構(gòu)和密封，保形可重復(fù)使用的絕緣材料，輕型機(jī)電飛行系統(tǒng)，先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)，先進(jìn)的材料和自主軌道飛行，再入和著陸。

OTV-4測試的技術(shù)包括收集從在空間環(huán)境中操作的霍爾推進(jìn)器對及軌道器施加的推力，以及NASA的METIS（材料和太空技術(shù)創(chuàng)新）實(shí)驗(yàn)，將近100種不同的材料樣品暴露在太空環(huán)境中超過200天。

地面上觀測到的X-37B OTV-5運(yùn)行圖

關(guān)于OTV-5所測試的技術(shù)，官方公布的少量信息中包括結(jié)構(gòu)嵌入式散熱器（ASETS-11），它由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）研制，用于在太空環(huán)境中長期測試實(shí)驗(yàn)電子設(shè)備和振蕩熱管。根據(jù)AFRL透露，三個(gè)主要科學(xué)目標(biāo)是測量初始在軌熱性能、測量長期熱性能以及評估任何壽命退化。

2.英國“云霄塔”Skylon空天飛機(jī)

英國最早的空天飛機(jī)項(xiàng)目為1985年英國宇航公司和羅爾斯-羅伊斯公司共同提出的“霍托爾”方案。而后“云霄塔”項(xiàng)目繼承了其項(xiàng)目的研究技術(shù)和成果，并于1989年由當(dāng)時(shí)新成立的英國噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)公司（REL）承擔(dān)了項(xiàng)目的研究。

Skylon空天飛機(jī)

“云霄塔”空天飛機(jī)在技術(shù)應(yīng)用上有多種創(chuàng)新，包括：標(biāo)志性的單級(jí)入軌；采用吸氣/火箭混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)方案，使用兩臺(tái)SABRE 4雙模式發(fā)動(dòng)機(jī)；獨(dú)特的半殼式結(jié)構(gòu)的機(jī)身設(shè)計(jì)；創(chuàng)新的冷卻技術(shù)；新型的噴管工藝。

它設(shè)計(jì)采用碳化硅增強(qiáng)鈦空間框架，這是種輕巧堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，可以支撐鋁質(zhì)燃料箱的重量，外層附著陶瓷皮。多層鈦箔隔熱層夾在外殼和框架之間，保護(hù)Skylon內(nèi)部免受高超音速飛行的熱量和重新入軌的極高熱量。

圖表：“云霄塔”空天飛機(jī)的主要參數(shù)

參數(shù)

指標(biāo)

參數(shù)

指標(biāo)

尺寸

機(jī)長/m

83.133

最高速度

吸氣/馬赫

5.43

機(jī)身直徑/m

6.3

火箭/馬赫

27.8

翼展/m

26.818

質(zhì)量

凈質(zhì)量/t

53.4

高度/m

13.5

推進(jìn)劑質(zhì)量/t

277

發(fā)動(dòng)機(jī)

吸氣狀態(tài)最大推力/kN

2×1350

最大理論起飛質(zhì)量/t

345

吸氣模式比沖/（m/s）

35000

運(yùn)載能力

赤道上空300km  /t

15

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力/kN

2×1800

“國際空間站”/t

9

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖/（m/s）

4500

極軌/t

4.8

資料來源：調(diào)研整理

云霄塔飛機(jī)目前面臨著極大的技術(shù)難題，主要包括：熱交換預(yù)冷系統(tǒng)；燃燒室的冷卻；尾噴口受熱脹冷縮的困難；零部件的可靠性，需要重復(fù)使用。攻克這些難題需要投入大量的精力。最樂觀的估計(jì)要到2025年才能實(shí)現(xiàn)首飛。

Skylon空天飛機(jī)飛行概念圖

SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)是Skylon空天飛機(jī)的核心。SABRE是一種高超音速混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，具有吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)兩種工作模式。當(dāng)速度低于5馬赫時(shí)，它可以像傳統(tǒng)噴氣式飛機(jī)一樣工作；當(dāng)達(dá)到高超音速時(shí)，它轉(zhuǎn)換成燃燒氫氣和液氧的純火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)25馬赫的速度。

SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)

SABRE的技術(shù)關(guān)鍵是革命性的預(yù)冷器，該預(yù)冷器的研究進(jìn)行了20年。在接近5馬赫的速度下，即使是最好的金屬合金也會(huì)軟化和融化；而在高超音速下，進(jìn)入Sabre引擎的空氣的力量是5級(jí)颶風(fēng)的25倍，熱量就像從切割炬中噴射出來的一樣，因此進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣需要大幅冷卻。預(yù)冷器通過一系列超輕型熱交換器，可以使1000℃的高溫氣體在1/100秒內(nèi)冷卻到-150℃，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)在接近高超音速時(shí)免受熔化。

SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)成

3.印度RLV-TD空天飛機(jī)

早在2001年印度空間研究組織（ISRO）已經(jīng)提出了研制可重復(fù)使用的航天飛機(jī)計(jì)劃，不過當(dāng)時(shí)印度航天的重點(diǎn)還是普通的運(yùn)載火箭和應(yīng)用衛(wèi)星，無法在航天飛機(jī)上投入太大精力，只能進(jìn)行一系列技術(shù)研究和驗(yàn)證。

2006年，ISRO在地面風(fēng)洞中對可回收航天飛機(jī)的氣動(dòng)進(jìn)行了一系列風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算模擬，最終選定了類似美國X-37B空天飛機(jī)的外形。無論從氣動(dòng)布局還是回收方式來看，RLV-TD都與美國的X-37B空天飛機(jī)極為相似。

RLV-TD空天飛機(jī)

RLV-TD采用飛機(jī)式長6.5米，采用常規(guī)氣動(dòng)布局，包括三角翼、大角度V形尾翼，外形上更像一架縮小的航天飛機(jī)。它通過火箭運(yùn)載、垂直點(diǎn)火發(fā)射，火箭進(jìn)入外層空間后，RLV-TD與運(yùn)載器分離，釋放軌道器，軌道器依靠渦輪沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，飛行時(shí)先吸進(jìn)大氣層中的空氣，然后將氧氣分離出來并將其液化儲(chǔ)存，供大氣層外的后續(xù)飛行使用；在降落時(shí)，RLV-TD可像常規(guī)飛機(jī)一樣在跑道上滑跑降落。

RLV-TD空天飛機(jī)進(jìn)行發(fā)射前準(zhǔn)備

RLV-TD最早計(jì)劃2009年進(jìn)行首次飛行試驗(yàn)，不過由于技術(shù)問題不得不推遲。作為一個(gè)優(yōu)先級(jí)較低的技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，2010年印度GSLV火箭國產(chǎn)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)故障而發(fā)射失敗后，大量人力物力又被抽調(diào)優(yōu)先保證低溫氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的成功，更嚴(yán)重影響了RLV-TD的研制進(jìn)度。RLV-TD研制中還增加了一項(xiàng)重要的“鐵鳥”試驗(yàn)，用于模擬驗(yàn)證機(jī)的實(shí)際飛行狀態(tài)，檢驗(yàn)印度自行研制的導(dǎo)航制導(dǎo)和飛行控制設(shè)備的可行性和可靠性。

驗(yàn)證機(jī)結(jié)構(gòu)上還增加了名為“熱結(jié)構(gòu)”的新型設(shè)計(jì)方案，這些新技術(shù)的試驗(yàn)都耗時(shí)耗力，也造成了RLV-TD驗(yàn)證機(jī)首飛的進(jìn)一步推遲，ISRO不得不將原定的2013年發(fā)射推遲到2015年。而2015年，RLV-TD驗(yàn)證機(jī)的發(fā)射計(jì)劃又被更受看重的天文衛(wèi)星AstroSat和印度區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)IRNSS的發(fā)射打亂，只能推遲到2016年進(jìn)行試驗(yàn)。

RLV-TD空天飛機(jī)進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)

2016年5月23日上午，印度航天研究組織ISRO在印度安得拉邦斯里哈里科塔展開了印度首架自行研制的空天飛機(jī)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)——RLV-TD（可重復(fù)使用運(yùn)載驗(yàn)證器）的首次飛行試驗(yàn)。其主要任務(wù)為：驗(yàn)證未來可重復(fù)使用的航天飛機(jī)的相關(guān)技術(shù)，主要是熱防護(hù)和飛行控制技術(shù)。試驗(yàn)過程中，運(yùn)載火箭共工作了91秒時(shí)間，隨后與RLV-TD分離，此時(shí)高度約為48公里。RLV-TD分離后，依靠慣性繼續(xù)上升到65公里的高度，RLV-TD飛行器無動(dòng)力自由滑翔13秒后然后向下高速滑行，期間RLV-TD的最高速度為5.5馬赫，整個(gè)飛行過程持續(xù)約770秒，著陸時(shí)未進(jìn)行自主回收滑跑降落試驗(yàn)。

4.中國空天飛機(jī)項(xiàng)目

近年來，航天科工開展了“飛云、快云、行云、虹云、騰云”的航天工程，與“高速飛行列車”工程一起，形成“五云一車”的商業(yè)航天新格局。

其中，最為關(guān)鍵“騰云工程”屬于空天往返飛行項(xiàng)目，將突破以組合動(dòng)力、機(jī)體/推進(jìn)一體化技術(shù)為代表的核心技術(shù)，建成空天飛行器技術(shù)綜合研究體系。其中以研制空天往返飛行器為主。計(jì)劃在2020年前完成聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證飛行試驗(yàn)，2025年完成關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，2030年前實(shí)現(xiàn)空天飛機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證試飛。

“騰云”工程空天飛機(jī)模型

在2017年的全球航天探索大會(huì)上，中國航天科工集團(tuán)展示“騰云工程”，其主要目標(biāo)是：在2030年之前，設(shè)計(jì)并制造完成中國首架可水平起飛、水平著陸并且可以多次重復(fù)使用的空天往返飛行器。

總結(jié)：空天飛機(jī)雖然現(xiàn)在更多的還只是初步構(gòu)想與試驗(yàn)階段，可其在未來的軍事潛能讓人無法停下對它的探索?？仗祜w機(jī)的技術(shù)難度比航天飛機(jī)更大，一些國家或許在空天飛機(jī)技術(shù)上更為領(lǐng)先，但仍未達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。目前高超音速與空天飛行技術(shù)正處于發(fā)展的十字路口，各國都在努力地鉆研。????