空天飛機(jī)

    航空與航天兩大技術(shù)存在不可分離的聯(lián)系和很強(qiáng)的互補(bǔ)性。因?yàn)闊o論什么航天器進(jìn)出太空，都必須穿越大氣層與空氣打交道，后者顯然屬于航空技術(shù)范疇。航空與航天緊密聯(lián)系的必然結(jié)果，就導(dǎo)致了人們對(duì)一種既能在大氣層內(nèi)飛行，又能在大氣層外航行、水平起飛、水平降落的新型飛行器的構(gòu)想，這就是“航空航天飛機(jī)”，簡(jiǎn)稱“空天飛機(jī)”。

　　60年代初，就有人對(duì)空天飛機(jī)作過一些探索性試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)它被稱為“跨大氣層飛行器”。由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件相差太遠(yuǎn)，且應(yīng)用需求不明確，因而中途夭折；80年代中期，在美國(guó)的“阿爾法”號(hào)永久性空間站計(jì)劃的刺激下，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。據(jù)估計(jì)，空間站建成后，為了開發(fā)和利用太空資源。向空間站運(yùn)送人員、物資和器材等任務(wù)每年將達(dá)到數(shù)千次之多。這些任務(wù)如果用一次性運(yùn)載火箭、載人飛船或航天飛機(jī)來完成，那么一年的運(yùn)輸費(fèi)用將達(dá)到上百億美元。為了尋求一種經(jīng)濟(jì)的天地往返運(yùn)或系統(tǒng)，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。

　　1986年，美國(guó)提出研制代號(hào)為X-30的完全重復(fù)使用的單級(jí)水平起陣的“國(guó)家航空航天飛機(jī)”，其特點(diǎn)是采用組合式超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。英國(guó)提出了一種名叫“霍托爾”單級(jí)水平起降空天飛機(jī)，其特點(diǎn)是采用一種全新的空氣液化循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。90年代，他們又提出了一個(gè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，開發(fā)費(fèi)用低的新方案。德國(guó)則提出兩級(jí)水平起降空天飛機(jī)“桑格爾”，第一級(jí)實(shí)際上相當(dāng)于一架超音速運(yùn)輸機(jī)，第二級(jí)是以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的有翼飛行器。兩級(jí)都能分別水平著陸。法國(guó)和日本也提出過自己的空天飛機(jī)設(shè)想。

　　80年代末，這股空天飛機(jī)熱達(dá)到高潮。也激起了中國(guó)航空航天專家的很大興趣。

　　發(fā)展空天飛機(jī)的主要目的是想降低空天之間的運(yùn)輸費(fèi)用。其途徑歸納起來主要有三條：一是充分利用大氣層中的氧，以減少飛行器攜帶的氧化劑，從面減輕起飛重量；二是整個(gè)飛行器全部重復(fù)使用，除消耗推進(jìn)劑外不拋棄任何部件；三是水平起飛，水平降落，簡(jiǎn)化起飛（發(fā)射）和降落（返回）所需的場(chǎng)地設(shè)施和操作程序，減少維修費(fèi)用。

　　但是，經(jīng)過幾年的研究分析，科學(xué)家們發(fā)規(guī)，過去的估計(jì)過于樂觀。實(shí)際上。上述三條途徑知易而行難。需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難度決非短時(shí)間內(nèi)能突破，這些關(guān)鍵技術(shù)有：

1．新構(gòu)思的吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)

　　因?yàn)�，空天飛機(jī)的飛行范圍為從大氣層內(nèi)到大氣層外，速度從0到M=25，如此大的跨度和工作環(huán)境變化是目前現(xiàn)有的所有單一類型的發(fā)動(dòng)機(jī)都不可能勝任的，從而也就使為空天飛機(jī)研制全新的發(fā)動(dòng)機(jī)成為整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵。

　　眾所周知，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)需要在大氣層中吸入空氣，無需攜帶氧化劑，但無法在大氣層外工作，且實(shí)用速度較��；而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自帶氧化劑，可以工作在大氣層內(nèi)外，使用速度范圍較廣，但攜帶的氧化劑較笨重，比沖小。目前設(shè)想的空天飛機(jī)的動(dòng)力一般為采用超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)+火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪噴氣+沖壓噴氣+火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的組合動(dòng)力方式。但超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研制上存在相當(dāng)多的技術(shù)問題，而多種發(fā)動(dòng)機(jī)的組合方式又使結(jié)構(gòu)變得過于復(fù)雜和不可靠。

2．計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)分析

　　航天飛機(jī)返回再入大氣層的空氣動(dòng)力學(xué)問題，曾經(jīng)耗費(fèi)了科學(xué)家們多年的心血，作了約10萬(wàn)小時(shí)的風(fēng)洞試驗(yàn)。空天飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)問題比航天飛機(jī)復(fù)雜得多。因?yàn)轱w機(jī)速度變化大，馬赫數(shù)從0變化到25；飛行高度變化大，從地面到幾百公里高的外層空間；返回再入大氣層時(shí)下行時(shí)間長(zhǎng)，航天飛機(jī)只有十幾分鐘，空天飛機(jī)則為l～2小時(shí)。

　　解決空氣動(dòng)力學(xué)問題的基本手段是風(fēng)洞。目前，就連美國(guó)也不具備馬赫數(shù)可以跨越這樣大范圍的試驗(yàn)風(fēng)洞。即使有了風(fēng)洞還需要作上百萬(wàn)小時(shí)的試驗(yàn)，那意味著就是晝夜不停地試驗(yàn)，也需要花費(fèi)100多年的時(shí)間。于是，只能求助于計(jì)算機(jī)，用計(jì)算方法來解決，而對(duì)那維爾斯托克斯方程的求解目前尚存在，許多理論上和計(jì)算速度上的問題。

3．發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身一體化設(shè)計(jì)

　　當(dāng)空天飛機(jī)以6倍于音速以上的速度在大氣層中飛行時(shí)，空氣阻力將急劇上升，所以其外形必須高度流線化。亞音速飛機(jī)常采用的翼吊式發(fā)動(dòng)機(jī)已不能使用．需要將發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身合并，以構(gòu)成高度流線化的整體外形。即讓前機(jī)身容納發(fā)動(dòng)機(jī)吸人空氣的進(jìn)氣道，讓后機(jī)身容納發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的噴管。這就叫做“發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身一體化”。

　　在一體化設(shè)計(jì)中，最復(fù)雜的是要使進(jìn)氣道與排氣噴管的幾何形狀，能隨飛行速度的變化而變化，以便調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)能產(chǎn)生額定推力，而在高速時(shí)又可降低耗油量，還要保證進(jìn)氣道有足夠的剛度和耐高溫性能，以使它在返回再入大氣層的過程中，能經(jīng)受住高速氣流和氣動(dòng)力熱的作用，這樣才不致發(fā)生明顯變形，才可多次重復(fù)使用。

4．防熱結(jié)構(gòu)與材料

　　空天飛機(jī)需要多次出人大氣層，每次都會(huì)由于與空氣的劇烈摩擦而產(chǎn)生大量氣動(dòng)加熱，特別是以高超音速返回再入大氣層時(shí)，氣動(dòng)加熱會(huì)使其表面達(dá)到極高的溫度。機(jī)頭處溫度約為1800攝氏度，機(jī)翼和尾翼前緣溫度約為1460攝氏度，機(jī)身下表面約為980攝氏度，上表面約為760攝氏度。因此，必須有一個(gè)重量輕、性能好、能重復(fù)使用的防熱系統(tǒng)。

　　空天飛機(jī)在起飛上升階段要經(jīng)受發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊力、振動(dòng)、空氣動(dòng)力等的作用，在返回再入階段要經(jīng)受顫振、科振、起落架擺振等的作用。在這種情況下，防熱系統(tǒng)既要保持良好的氣動(dòng)外形，又要能長(zhǎng)期重復(fù)使用，維護(hù)方便，所以其技術(shù)難度是相當(dāng)大的。

　　目前的航天飛機(jī)，由于受氣動(dòng)加熱的時(shí)間短，表面覆蓋氧化硅防熱瓦即可達(dá)到滿意的防熱效果，但對(duì)空天飛機(jī)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如果單靠增加防熱層厚度來解決問題，則將使重量大大增加，而且防熱層還不能被燒壞，否則會(huì)影響重復(fù)使用。一個(gè)較簡(jiǎn)單的解決辦法是在機(jī)頭、機(jī)翼前緣等局部高溫區(qū)，使用傳熱效率特別高的吸熱管來吸熱，以便把熱量轉(zhuǎn)移到溫度較低的部位。更好的辦法是采用主動(dòng)式冷卻防熱系統(tǒng)，也就是把機(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，讓推進(jìn)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。

　　為了滿足空天飛機(jī)的防熱要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工藝制造純度很高、質(zhì)量很輕的耐高溫合金。美國(guó)已研制出高速固化鈦硼合金，它在高溫下的強(qiáng)度可達(dá)到目前使用的鈦合金在室溫下的強(qiáng)度，這種合金適宜用來制造機(jī)身內(nèi)層結(jié)構(gòu)骨架。

　　機(jī)頭與機(jī)翼等溫度最高的部位，要求采用碳復(fù)合材料，這種復(fù)合材料表面有碳化硅涂層，重量輕，耐高溫性能好。此外，還需要研究金屬基復(fù)合材料，例如碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦復(fù)合材料等。這種材料應(yīng)該兼有碳化硅的耐高溫性能，又具有鈦合金的高強(qiáng)度特性。

　　空天飛機(jī)技術(shù)難度大，所需投資多，研制周期長(zhǎng)，所以將來進(jìn)入全尺寸樣機(jī)研制，勢(shì)必也會(huì)象空間站那樣采取國(guó)際合作的方式。

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