空天飛機是既能航空又能航天的新型飛行器。它像普通飛機一樣起飛，以高超音速在大氣層內飛行，在30～100公里高空的飛行速度為12～25倍音速，并直接加速進(jìn)入地球軌道，成為航天飛行器，返回大氣層后，像飛機一樣在機場(chǎng)著(zhù)陸。在此之前，航空和航天是兩個(gè)不同的技術(shù)領(lǐng)域，由飛機和航天飛行器分別在大氣層內、外活動(dòng)，航空運輸系統是重復使用的，航天運載系統一般是不能重復使用的。而空天飛機能夠達到完全重復使用和大幅度降低航天運輸費用的目的。

空天飛機能自由往返于天地之間，凡是航天飛機能干的事，它幾乎都能勝任。它可以把大的衛星送入地球軌道，一次投放多顆衛星更是它的拿手活兒；它能對在軌道上運行的衛星進(jìn)行維修或回收，當然也可以對敵國的衛星實(shí)施破壞，甚至收為己有；它能向空間站運送或接回宇航員和各種物資；更重要的是它還能執行各種諸如攔截、偵察和轟炸等軍事任務(wù)，成為頗具威力的空天兵器。

空天飛機飛行速度很快，便于實(shí)現全球范圍內的快速客運，地球上任何兩個(gè)城市間的飛行時(shí)間都用不了2個(gè)小時(shí)。美國設計的一種空天飛機，乘客305人，可在32公里高度和1.2萬(wàn)公里航程內巡航，其巡航速度高達5馬赫數。盡管航天飛機比起一次使用的運載火箭前進(jìn)了一大步，但仍有諸如故障頻繁，費用昂貴等許多不足。而空天飛機與航天飛機不同，它的地面設施簡(jiǎn)單，維護使用方便，cao作費用低，在普通的大型機場(chǎng)上就能水平起飛和降落，具有一般航線(xiàn)班機的飛行頻率。這種飛機的外型與大型客機相似，更多地具有飛機的優(yōu)點(diǎn)。它以液氫為燃料，在大氣層飛行時(shí)，充分利用大氣中的氧氣。加之它可以上百次的重復使用，真正實(shí)現了高效能和低費用的優(yōu)點(diǎn)。據估算，用它發(fā)射近地衛星費用只有航天飛機的1/5，而發(fā)射地球同步衛星費用則可減少一半。這使空天飛機在即將到來(lái)的空間商務(wù)競爭中立于不敗之地。

60年代初空天飛機(17張)，就有人對空天飛機作過(guò)一些探索性試驗，當時(shí)它被稱(chēng)為“跨大氣層飛行器”。由于當時(shí)的技術(shù)、經(jīng)濟條件相差太遠，且應用需求不明確，因而中途夭折；80年代中期，在美國的“阿爾法”號永久性空間站計劃的刺激下，一些國家對發(fā)展載人航天事業(yè)的熱情普遍高漲，積極參加“阿爾法”號空間站的建造。據估計，空間站建成后，為了開(kāi)發(fā)和利用太空資源。向空間站運送人員、物資和器材等任務(wù)每年將達到數千次之多。這些任務(wù)如果用一次性運載火箭、載人飛船或航天飛機來(lái)完成，那么一年的運輸費用將達到上百億美元。為了尋求一種經(jīng)濟的天地往返運或系統，美、英、德、法、日等國紛紛推出了可重復使用的天地往返運輸系統方案。

1986年，美國提出研制代號為x－30的完全重復使用的單級水平起陣的“國家航空航天飛機”，其特點(diǎn)是采用組合式超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機。英國提出了一種名叫“霍托爾”（或譯“霍托克”，意為“水平起落航空航天飛機”）的單級水平起降空天飛機，其特點(diǎn)是采用一種全新的空氣液化循環(huán)發(fā)動(dòng)機。90年代，他們又提出了一個(gè)技術(shù)風(fēng)險小，開(kāi)發(fā)費用低的新方案。德國則提出兩級水平起降空天飛機“桑格爾”，第一級實(shí)際上相當于一架超音速運輸機，第二級是以火箭發(fā)動(dòng)機為動(dòng)力的有翼飛行器。兩級都能分別水平著(zhù)陸。法國和日本也提出過(guò)自己的空天飛機設想。

80年代末，這股空天飛機熱達到高潮。也激起了中國航空航天專(zhuān)家的很大興趣。

美國空軍的x－37b空天飛機原型機“軌道試驗飛行器1號”將于2010年4月上演處女航。[1]

美國東部時(shí)間22日19時(shí)52分（北京時(shí)間23日7時(shí)52分），人類(lèi)首架空天飛機x－37b搭乘“阿特拉斯－5”型運載火箭發(fā)射升空。按計劃，x－37b最多可在太空持續飛行270天

發(fā)展空天飛機的主要目的是想降低空天之間的運輸費用。其途徑歸納起來(lái)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，從而減輕起飛重量；二是整個(gè)飛行器全部重復使用，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)地設施和cao作程序，減少維修費用。

但是，經(jīng)過(guò)幾年的研究分析，科學(xué)家們發(fā)規，過(guò)去的估計過(guò)于樂(lè )觀(guān)。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)間內能突破，這些關(guān)鍵技術(shù)有：

1、新構思的吸氣式發(fā)動(dòng)機

因為，空天飛機的飛行范圍為從大氣層內到大氣層外，速度從0到m=25，如此大的跨度和工作環(huán)境變化是目前現有的所有單一類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機都不可能勝任的，從而也就使為空天飛機研制全新的發(fā)動(dòng)機成為整個(gè)項目的關(guān)鍵。

眾所周知，噴氣式發(fā)動(dòng)機需要在大氣層中吸入空氣，無(wú)需攜帶氧化劑，但無(wú)法在大氣層外工作，且實(shí)用速度較??；而火箭發(fā)動(dòng)機自帶氧化劑，可以工作在大氣層內外，使用速度范圍較廣，但攜帶的氧化劑較笨重，比沖小。目前設想的空天飛機的動(dòng)力一般為采用超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機火箭發(fā)動(dòng)機或渦輪噴氣沖壓噴氣火箭發(fā)動(dòng)機的組合動(dòng)力方式。但超燃沖壓發(fā)動(dòng)機的研制上存在相當多的技術(shù)問(wèn)題，而多種發(fā)動(dòng)機的組合方式又使結構變得過(guò)于復雜和不可靠。

2、計算空氣動(dòng)力學(xué)分析

航天飛機返回再入大氣層的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，曾經(jīng)耗費了科學(xué)家們多年的心血，作了約10萬(wàn)小時(shí)的風(fēng)洞試驗?？仗祜w機的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題比航天飛機復雜得多。因為飛機速度變化大，馬赫數從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(cháng)，航天飛機只有十幾分鐘，空天飛機則為l～2小時(shí)。

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

3、發(fā)動(dòng)機和機身一體化設計

空天飛機里安裝了空氣渦輪發(fā)動(dòng)機、沖壓發(fā)動(dòng)機和火箭發(fā)動(dòng)機三類(lèi)發(fā)動(dòng)機?？諝鉁u輪噴氣發(fā)動(dòng)機可以使空天飛機水平起飛。當時(shí)速超過(guò)2400公里時(shí)，就使用沖壓發(fā)動(dòng)機，它使空天飛機在離地面60公里的大氣層內以每小時(shí)近3萬(wàn)公里的速度飛行。如果再用火箭發(fā)動(dòng)機加速，空天飛機就沖出大氣層，像航天飛機一樣，直接進(jìn)入太空

當空天飛機以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(xiàn)化。亞音速飛機常采用的翼吊式發(fā)動(dòng)機已不能使用.需要將發(fā)動(dòng)機與機身合并，以構成高度流線(xiàn)化的整體外形。即讓前機身容納發(fā)動(dòng)機吸人空氣的進(jìn)氣道，讓后機身容納發(fā)動(dòng)機排氣的噴管。這就叫做“發(fā)動(dòng)機與機身一體化”。

在一體化設計中，最復雜的是要使進(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，以便調節進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機在低速時(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(guò)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，才可多次重復使用。

4、防熱結構與材料

空天飛機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 )使其表面達到極高的溫度。機頭處溫度約為1800c，機翼和尾翼前緣溫度約為1460c，機身下表面約為980c，上表面約為760c。因此，必須有一個(gè)重量輕、性能好、能重復使用的防熱系統。

空天飛機的結構材料要求很高。在飛行時(shí)，它頭部和機翼前緣的表面溫度可達2760c。這樣，像航天飛機上的防熱瓦塊式外衣，就不再適用了?？茖W(xué)家們研制了一種新型復合材料來(lái)代替，并且在一些特殊部位采用新型冷卻裝置，避免了高溫的傷害。

空天飛機在起飛上升階段要經(jīng)受發(fā)動(dòng)機的沖擊力、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，防熱系統既要保持良好的氣動(dòng)外形，又要能長(cháng)期重復使用，維護方便，所以其技術(shù)難度是相當大的。

目前的航天飛機，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到滿(mǎn)意的防熱效果，但對空天飛機則遠遠不夠。如果單靠增加防熱層厚度來(lái)解決問(wèn)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 )影響重復使用。一個(gè)較簡(jiǎn)單的解決辦法是在機頭、機翼前緣等局部高溫區，使用傳熱效率特別高的吸熱管來(lái)吸熱，以便把熱量轉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，也就是把機體結構與防熱系統一體化，即把機體結構設計成夾層式或管道式，讓推進(jìn)劑在夾層內或管道內流動(dòng)，使它吸走空氣對結構外表面摩擦所生成的熱量。

為了滿(mǎn)足空天飛機的防熱要求，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。美國已研制出高速固化鈦硼合金，它在高溫下的強度可達到目前使用的鈦合金在室溫下的強度，這種合金適宜用來(lái)制造機身內層結構骨架。

機頭與機翼等溫度最高的部位，要求采用碳復合材料，這種復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合材料，例如碳化硅纖維增強的鈦復合材料等。這種材料應該兼有碳化硅的耐高溫性能，又具有鈦合金的高強度特性。

空天飛機技術(shù)難度大，所需投資多，研制周期長(cháng)，所以將來(lái)進(jìn)入全尺寸樣機研制，勢必也會(huì )象空間站那樣采取國際合作的方式。

空天飛機在線(xiàn)