空天飞机让天地往返不再难

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  长期以来，人们一直期盼能有一种交通工具可以在大气层内外自由穿梭，既可以像飞机一样在大气层内飞行，又可以像宇宙飞船一样在太空遨游。如今俄罗斯、日本、德国都在研制空天飞机，美国正在打造体形更大的X-37C空天飞机。人们的这种设想正逐渐走向现实。一架从纽约飞往北京的民航客机在起飞5分钟后，随着火箭发动机点火冲出大气层进入太空，经过太空巡航后再次进入大气层并平稳降落在首都机场，整个飞行时间只有30分钟。这不是天方夜谭，也不是科幻小说，随着科学技术发展，跨洲际旅行将因为这种空天飞机而变得像从家到单位一样容易。长期以来，航空与航天是两个不同的领域，大气层内由飞机、飞艇、热气球等统治，而大气层外，则是宇宙飞船、航天飞机、卫星、空间站的世界。人们一直期盼能有一种交通工具可以在大气层内外自由穿梭，既可以像飞机一样在大气层内飞行，又可以像宇宙飞船一样在太空遨游，同时不需要助推火箭和复杂的发射场以及回收措施，就可以依靠自身动力从任何一个普通机场起飞并安全降落。随着2010年美国空天飞机X-37B的试飞成功，这种设想正逐渐走向现实，如今俄罗斯、日本、德国都在研制空天飞机，美国正在打造体形更大的X-37C空天飞机。那么，什么是空天飞机？它与普通飞机有何不同？未来是否能给航空运输业带来划时代的革命呢？北京理工大学教授张景瑞告诉《中国科学报》记者，空天飞机的飞行高度比普通飞机高，但比卫星轨道要低，顾名思义，“空天”两字是航空与航天的简称。空天飞机是将普通飞机与航天飞机有机结合在一起的一种既能航空又能航天的新型飞行器。它既能像普通飞机一样起飞，在几十万米高空以高超音速在大气层内飞行，又可加速冲出大气层，立即进入地球轨道做航天飞行，返回大气层后像飞机一样在机场着陆。军事专家、《航空知识》副主编王亚男在接受《中国科学报》记者正常采访时指出，空天飞机方案主要有两种：一种是拟用作跨洲际飞行的高超音速运输机，能以5～6倍音速在3万米的高度做巡航飞行；另一种为“跨大气层飞行器”，可做轨道飞行（飞入地球低轨道的速度为25倍音速），也可在次轨道做气动力机动，然后再回升到轨道上以轨道速度航行。目前，投入试飞阶段的空天飞机当属美国的X-37B。它于2010年4月从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地，被“阿特拉斯5号”火箭发射升空。在太空遨游了7个月后，自主重返大气层，于当年12月3日在加州范登堡空军基地着陆。尽管在起飞阶段还需要火箭运送，但是已经具备了在大气层内外飞行的能力。而今年5月美国X-51A的试飞则让飞行器达到了5.1马赫的高超音速。这在某种程度上预示着科学家们已经对航空与航天技术的无缝对接有所掌握，对超高音速飞行的动力和材料问题也找到了解决的方向，“空天一体化”正逐渐梦想成真。由于空天飞机要在大气层内与太空中交替可重复使用，因此对动力和材料要求很高。中国工程院院士、航空动力专家刘大响在接受《中国科学报》记者正常采访时指出，与普通的喷气式飞机不同，空天飞机在动力上使用的是组合发动机，即喷气式发动机与冲压发动机相配合。一般先由喷气式发动机将空天飞机助推到1.8马赫，这时冲压发动机才能启动，靠冲压发动机实现超音速巡航。王亚男和记者说，发动机是空天飞机的关键。它的发动机一定要保证从零加速到25马赫的过程中稳定高效地工作。而在大气层外要用火箭发动机推进，在大气层内要用喷气发动机推进，同时，还要保证大气层内的高超音速飞行的动力，在空天飞机冲出大气层或重返大气层时，还要保证两种动力的无缝转换衔接。所以单一类型的发动机是没办法完成这样的任务的。目前X-51A使用的是超燃冲压发动机，使燃料在超声速气流中进行燃烧，使用液氢燃料时，其理论飞行速度可达到6~25马赫。由于空天飞机要多次出入大气层，每次都会因为与空气的剧烈摩擦而在空天飞机表面产生高温。目前除了采用碳化硅等耐高温的复合材料涂层外，另一个办法是采用主动式冷却防热系统，让机体结构与防热系统一体化，即把机体结构设计成夹层式或管道式，让冷却剂在夹层内或管道内流动，使它吸走空气对结构外表面摩擦所生成的热量。同时，为减少重返大气层和在大气层内高超音速飞行时的阻力，空天飞机的动力系统还要和机身一体化，并保证发动机进气道与排气道可以随速度不同而随时调整形状，既发挥最大动力效能又节省燃料。《西游记》中孙悟空一个筋斗云就飞了十万八千里，未来空天飞机能否让“登天”不再是难事，同时让洲际间运输在一小时内完成呢？王亚男指出，虽然目前X-37B还依靠火箭助推到大气层外，X-51A还离不开B-52轰炸机搭载到高空，但空天飞机的发展趋势是像普通飞机一样自主起飞。由于空天飞机可以从机场起飞降落，不需要复杂的发射场和大功率的火箭和一到两个月的发射前准备，并可实现真正的重复使用，未来，空天飞机可当作固定的货运客运航班向空间站运送人员和给养，也能作为卫星发射、维修平台，使航天工程变得轻松而常规化。同时，空天飞机的研制使超高音速飞行成为可能，距离不再是障碍，全球交通将被缩短在1小时以内。大型空天飞机可承担起跨洲际人员和货物的运输任务，将给航空业带来划时代的变革。但张景瑞认为，空天飞机的民用前景还不好说，因为涉及到飞行成本。当年航天飞机研制之初，人们的目的也是用它来实现天地往返，但是，在实际使用中发现天地往返的成本过高了，很难作为普及型的交通工具。而当年风光一时的协和号超音速客机也因为事故而停止了后续的研制。所以，目前来看，空天飞机还只是一种航空航天的新发明，离成为大众化的宇航或洲际运输工具还有非常长的路要走。当然，除了民用之外，人们无法忽视空天飞机的军事用途。王亚男指出，空天飞机除了民用外，还有四种军事用途：首先，由于空天飞机可以在太空部署，未来一旦将太空定位为战场，它就可对敌方的卫星、宇宙飞船甚至太空站下手。只要装备简单的机械手，空天飞机就可以破坏或擒获敌方的卫星。其次，空天飞机由于飞行高度高，灵活机动，还可当作监视和预警平台，代替侦察卫星，监控敌方军事行动，为己方军事行动提供信息和预警。第三，空天飞机可以自由往返于太空和大气层，所以如果在空天飞机上安装激光武器和导弹，它就可以每时每刻攻击地面的目标。此外，由于空天飞机飞行速度高达25马赫，所以可承担全世界的快速打击任务和军事物资的投送任务。就像汽车、飞机的发明，让人们的活动半径前所未有的扩大，也改变了空间与时间的概念；未来，空天飞机也许将给人类带来一个不一样的世界。