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1986年3月，《中國高技術(shù)研究發(fā)展計劃綱要》獲得批示，這項計劃就是促進(jìn)中國高新科技發(fā)展的“863計劃”，在未來的15年內(nèi)取得7個領(lǐng)域重要突破，其中航天技術(shù)排在第二位，也就是“863-2”，其下確定了兩個方向：第一，大型運載火箭與天地往返運輸系統(tǒng)，即204項目;第二，載人空間站及其應(yīng)用，即205項目。1989年，863-204專家組在《大型運載火箭及天地往返運輸系統(tǒng)可行性及概念研究綜合報告》中提出了未來中國航天發(fā)展的“兩步走”戰(zhàn)略：要在2015年左右研制出兩級水平起降的空天飛機，以適應(yīng)未來空間站大系統(tǒng)發(fā)展的需要。
圖1兩級入軌平臺是未來空天飛機發(fā)展的方向之一
1.空天飛機的概念與特點
空天飛機屬于跨大氣層飛行器，從字面上不難看出此類飛行器即有“空”的部分、又涉及到“天”的概念，可以在跑道上水平起飛和降落，通過自身的有翼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在大氣層內(nèi)的機動飛行。與傳統(tǒng)大氣層內(nèi)飛行器所不同的是，空天飛機可以在30至100公里的高度以高超音速飛行，速度可達(dá)到10至25倍音速，通過火箭動力加速進(jìn)入軌道，返回地球時同樣要克服再入過程的種種困難，像普通飛機那樣水平著陸，事實上空天飛機是可重復(fù)使用的平臺，一般能達(dá)到上百次，可大幅度降低天地往返的運輸成本。
從外形上看，空天飛機有著特殊的氣動要求，其面臨的關(guān)鍵技術(shù)比單純的航空、或者航天飛行器要復(fù)雜得多，如果是兩級入軌到的空天飛機，那么還將涉及到助推級的問題，顯然一個完成的空天飛機組合體將涉及到重型運載火箭工程、大飛機工程、載人航天等領(lǐng)域。從動力上看，由于空天飛機需要進(jìn)行跨大氣層飛行，因此不僅需要先進(jìn)的吸氣式發(fā)動機技術(shù)，也需要火箭動力，當(dāng)級間分離時還需要助推級提供足夠的能量，降低軌道級的能量需求，吸氣式發(fā)動機還需要突破渦輪噴氣、(超燃)沖壓發(fā)動機等技術(shù)，空天飛機是集合航空航天各學(xué)科的產(chǎn)物。
圖2X-30是一款典型的空天飛機研制方案
空天飛機的概念定義來源于20世紀(jì)80年代，西方多個國家為了建造空間站需要可重復(fù)使用的天地往返運輸系統(tǒng)，1986年美國提出了“NationalAerospacePlane”計劃，其正確翻譯應(yīng)該是“國家空天飛機”，與航天飛機和現(xiàn)在X-37B相比，其最大的特點在起飛階段不同，空天飛機水平起飛、水平降落，航天飛機和X-37B則是垂直起飛，使用火箭動力，因此X-37B應(yīng)該稱為軌道機動運載器，并不屬于空天飛機范疇，美國空軍將X-37B定位在100公里以上的高度，是進(jìn)入近地軌道的低成本平臺?？仗祜w機應(yīng)該突出“空”，不僅可以利用有翼結(jié)構(gòu)在大氣層內(nèi)進(jìn)行機動飛行，還需要使用吸氣式發(fā)動機，最典型即是X-30驗證機。因此，空天飛機應(yīng)該具有四大特點：第一，水平起飛、水平降落能力，利用有翼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生升力完成大氣層內(nèi)飛行;第二，動力系統(tǒng)由吸氣式發(fā)動機和火箭發(fā)動機構(gòu)成，可在不同高度飛行;第三，可在亞軌道上進(jìn)行高超音速飛行，超燃沖壓技術(shù)是獲得這一速度保證;第四，可進(jìn)行多次重復(fù)使用，至少重復(fù)使用100次以上。
2.空天飛機與單級、兩級入軌飛行器發(fā)展過程及其意義
NASP計劃無疑是空天飛機興起的標(biāo)志，在此之前，進(jìn)入軌道需要不可重復(fù)使用的火箭(飛船)和航天飛機，單次發(fā)射的費用高昂，如果要在近地軌道上組裝起一個龐大的建筑，就需要能重復(fù)使用的低成本運載平臺，可以像普通飛機那樣在跑道上起飛，又可以如航天飛機那樣再入大氣層降落。1982至1985年，NASP方案進(jìn)行了可行性研究，并通過X-30空天飛機驗證高超音速技術(shù)，普惠公司已經(jīng)完成8馬赫和20馬赫數(shù)(激波風(fēng)洞)狀態(tài)下超燃沖壓動力的測試。從外形上看，X-30的一體化設(shè)計將機身和動力系統(tǒng)完美融合，通過液態(tài)氫燃料冷卻高超音速飛行時產(chǎn)生的熱量，一體化設(shè)計的成敗直接關(guān)聯(lián)到飛行器整體的氣動性能，使之能完成亞軌道14馬赫的高超音速巡航，并突破25馬赫的速度進(jìn)入軌道。NASP計劃對空天飛機研究的影響最為深遠(yuǎn)，幾乎奠定了空天飛機整個框架，基本上掌握了低于八馬赫數(shù)的超燃技術(shù)，該平臺是實現(xiàn)低成本進(jìn)入空間的有效途徑，不需要龐大的發(fā)射隊伍和準(zhǔn)備時間，普通的機場就能完成起飛。該項目于1995年解體，耗資三十多億美元。
除了NASP外，還有英國的“HOTOL”和德國的“Sanger”方案，“HOTOL”是英國在1982年提出的單級入軌空天飛機，使用吸氣式和火箭發(fā)動機組合動力，工作流程依然是使用吸氣式發(fā)動機加速到5馬赫，然后啟動火箭發(fā)動機進(jìn)一步加速?！癏OTOL”的演變方案在1989年被提出，使用安-225作為第一級載機平臺，在空中將軌道級發(fā)射。德國的“Sanger”方案則是兩級入軌平臺，使用吸氣式渦輪沖壓和火箭發(fā)動機，級間分離速度為6.8馬赫左右。
1994年起，美國空軍在未來軍備研究報告中將空天飛機作為重要的武器平臺，強調(diào)軌道打擊的重要性，并研究以火箭為動力的單級入軌航天器，通過X-33和X-34驗證機進(jìn)行測試。采用升力體結(jié)構(gòu)的X-33是NASA與洛馬聯(lián)合研制的可重復(fù)使用運載器，作為單級入軌的典型型號，X-33的目標(biāo)是將傳統(tǒng)的發(fā)射費用降低到十分之一，其在蘭利研究中心的多個風(fēng)洞進(jìn)行了大雷諾數(shù)范圍和高超音速測試，同時進(jìn)行了高超音速飛行狀態(tài)下機身熱氣動特性，整體布局采用升力體與氣動塞式噴管發(fā)動機融合，可將推力均勻釋放，使用7臺RS-2200發(fā)動機，推重比可達(dá)到80，遠(yuǎn)超航天飛機。X-33采用垂直起飛、水平著陸，可重復(fù)性體現(xiàn)在可執(zhí)行100次任務(wù)，每公斤成本控制在2000美元左右，該型飛行器只能算是單級亞軌道運載器，更不是空天飛機，其最大速度僅為25馬赫。X-34算是兩級入軌平臺軌道級的雛形，其可操作性比X-33要強，更容易實現(xiàn)，其載機為L-1101，在一定高度上將X-34釋放，然后通過自身攜帶的火箭動力進(jìn)入亞軌道，最后通過無動力再入大氣層，水平著陸。氣動使用翼身組合體外形，前截面較圓，后機身截面為方形，再入過程中使用襟翼增強縱向控制能力。
圖5X-33采用垂直起飛、水平著陸的方式
除了美國的空天飛機與單級、兩級入軌平臺外，俄羅斯的“MAKS”多用途空天系統(tǒng)是一種比較貼近實際情況的方案，該系統(tǒng)由亞音速載機平臺安-225攜帶軌道級，在一定高度上將軌道級釋放，是兩級入軌平臺的初級方案。歐洲目前最流行的方案應(yīng)該算是英國噴氣發(fā)動機公司的“云霄塔”，該項目源于早期的“HOTOL”，但是機體結(jié)構(gòu)、發(fā)動機都進(jìn)行了大量重新研究，尤其是新型的“佩刀”發(fā)動機，可以認(rèn)為“云霄塔”是一款典型的空天飛機：有翼結(jié)構(gòu)、水平起降、可重復(fù)使用以及單級入軌，不僅可進(jìn)行亞軌道飛行，還可以對接空間站，比X-33要更“靠譜”?；旌蟿恿Φ某蓴∪Q于預(yù)冷熱交換器的研制，在上升階段，使用吸氣式動力，將空氣壓縮后與液態(tài)氫混合燃燒，后者還可以作為封閉循環(huán)回路的冷卻劑，在大約26公里高度時，速度可達(dá)到5馬赫左右，直接切換到火箭動力模式進(jìn)入軌道，燃料使用液氫液氧，最大起飛重量為340噸左右，使用壽命大約為200次左右，是單級入軌空天飛機的標(biāo)桿之作，當(dāng)然其成敗與否還是要看“佩刀”發(fā)動機。
目前在空天飛機領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的無疑是美國，美國空軍從1950年代以來都一直希望獲得軍用航天平臺和高超音速飛行動力技術(shù)。比如X-15和X-24平臺，1980年代末，吸氣式單級入軌平臺的可行性研究進(jìn)入發(fā)展階段，彈道導(dǎo)彈防御體系中也被嵌入單級入軌火箭的項目，按美軍標(biāo)準(zhǔn)：軍用軌道平臺可以起降至少250次，使用年限在15至20年左右，100次起降不需大修?？仗祜w機是空間作戰(zhàn)的理想平臺，不僅可以快速補網(wǎng)執(zhí)行軌道發(fā)射任務(wù)，還可以攜帶天對地武器，對任一地面目標(biāo)執(zhí)行打擊。此外，在反衛(wèi)星、反導(dǎo)領(lǐng)域也有特殊的攻擊模式。
圖6“云霄塔”具有有翼結(jié)構(gòu)、水平起降、可重復(fù)使用以及單級入軌特點
3.611所提出的兩級入軌空天飛機方案分析
我國的空天飛機研制計劃起步并不慢，863-204專家組在《大型運載火箭及天地往返運輸系統(tǒng)可行性及概念研究綜合報告》中提出要在2015年左右研制出兩級水平起降的空天飛機，以適應(yīng)未來空間站大系統(tǒng)發(fā)展的需要。從傳統(tǒng)觀點上看，兩級水平起降平臺的第一級可以認(rèn)為是助推級，需要為軌道級提供足夠的高度和速度，如果這個條件滿足不了，就需要加大軌道級，那么在級間分離后第二級的任務(wù)無疑會加重。從目前看，空天飛機的方案可分為單級入軌和兩級入軌，其中兩級入軌根據(jù)助推級的不同又可以分為兩種，亞音速載機平臺和超音速載機平臺。單級入軌的典型方案就是英國的“云霄塔”空天飛機，“佩刀”發(fā)動機是關(guān)鍵因素，是吸氣式與火箭發(fā)動機混合典范，冷卻技術(shù)使用碳化硅材料與被動輻射導(dǎo)熱，再入時將溫度控制在700攝氏度左右，機身使用復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)。該型空天飛機涉及到的技術(shù)更多，而單級入軌則是空天飛機發(fā)展的方向。
圖7兩級入軌空天飛機一般需要第一級提供足夠的高度和速度
3.1兩種兩級入軌方案：超音速載機和亞音速載機平臺
兩級入軌空天飛機有兩個較為成熟的設(shè)計方案，即使用超音速載機和亞音速載機平臺。超音速載機平臺作為第一級，運載軌道級在普通機場上起飛，通過組合式渦輪噴氣發(fā)動機達(dá)到4倍左右的級間分離速度，然后軌道級使用基于火箭組合循環(huán)的動力模塊繼續(xù)加速，從飛行軌道上看，軌道級與第一級的分離高度為2萬米左右，分離后可以通過雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機加速到10馬赫左右，這一過程可以在亞軌道內(nèi)完成，然后啟動火箭發(fā)動機，使用甲烷和液氫液氧為燃料。此方案需要一種大型超音速平臺作為第一級，對中國航天而言短期內(nèi)無法實現(xiàn)這一設(shè)想，直觀地講，至少需要XB-70這一級別的飛行器作為助推級，軌道級還需要超燃沖壓發(fā)動機進(jìn)行亞軌道飛行，最后才啟動火箭動力進(jìn)入近地軌道。該方案采用了比較前衛(wèi)的設(shè)計，應(yīng)該說是建造空天飛機的基本技術(shù)門檻，比如大型超音速飛行器、超燃發(fā)動機技術(shù)、大推力渦輪噴氣發(fā)動機、可重復(fù)使用液體火箭發(fā)動機、高效的熱防護(hù)和健康管理系統(tǒng)等。
亞音速載機平臺在前蘇聯(lián)時代就有先例，使用了安-225作為重型載機，起飛重量達(dá)到600噸以上，可搭載更重的軌道級，級間分離高度大約在1萬米左右，軌道級使用火箭發(fā)動機達(dá)到入軌速度。611所提出的兩級入軌方案最有可能使用亞音速載機平臺，軌道級使用有翼布局，依靠火箭發(fā)動機的強大動力提升有效載荷量級，如果僅僅是進(jìn)入亞軌道，那么載機平臺并不需要太大，這一點可以參考X-34方案，軌道級的氣動布局可采用廣泛使用的翼身組合體構(gòu)形，如果是軌道級需要進(jìn)行載人任務(wù)，并且進(jìn)入100至200公里以上的近地軌道，就需要使用更大的亞音速平臺，比如伊爾-76，在我國大飛機項目還未成熟之前，伊爾-76運輸機是個理想的亞音速載機平臺，可背駝質(zhì)量更大的軌道級。并不排除軌道級使用了超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)，如果在軌道級上安裝超燃動力，整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量會更輕，航程更遠(yuǎn)。NASP計劃雖然沒有將X-30變成現(xiàn)實，但是極大推動了高超音速技術(shù)的發(fā)展，比如蘭利研究中心就進(jìn)行了3000多次試驗，掌握了馬赫數(shù)低于八的超燃發(fā)動機技術(shù)。
圖8基于安-225的亞音速平臺需要軌道級搭載更強勁的火箭動力
3.2搭載吸氣式超燃發(fā)動機的軌道級可能無法在短期內(nèi)實現(xiàn)
空天飛機作為一類新的天地往返飛行器，其典型的特征是使用吸氣式發(fā)動機和火箭發(fā)動機構(gòu)成組合動力，大氣層內(nèi)使用吸氣式發(fā)動機，進(jìn)入軌道前使用火箭發(fā)動機進(jìn)行加速，611所的兩級入軌方案中明確指出了使用吸氣式發(fā)動機，此類發(fā)動機分為活塞式、燃?xì)鉁u輪和沖壓噴氣，目前還有一些諸如脈沖爆震發(fā)動機、沖壓轉(zhuǎn)子發(fā)動機、高超音速發(fā)動機等新的動力模式，其中高超音速發(fā)動機是未來空天飛機需要突破的技術(shù)，其中包括超燃沖壓和脈沖爆震發(fā)動機。超燃沖壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、比沖高，可利用大氣中的氧進(jìn)行飛行，亞軌道之下的高超音速飛行需要超燃動力，推重比高，可達(dá)20以上，不論是渦輪噴氣還是火箭動力都難以維持高馬赫數(shù)的大氣層內(nèi)飛行。配備超燃沖壓發(fā)動機的軌道級需要突破多項技術(shù)瓶頸，比如發(fā)動機與機體一體化設(shè)計、超音速燃燒技術(shù)、毫秒級的燃料噴射點火技術(shù)、耐高溫的碳碳符合材料等。如果吸氣式軌道級能作為我國天地往返運輸體系，那么級間分離的速度可以控制在4馬赫左右，甚至只要3馬赫即可。從目前的我國航天在超燃技術(shù)上的研究看，搭載吸氣式超燃發(fā)動機的軌道級可能無法在短期內(nèi)實現(xiàn)。
圖9超燃沖壓發(fā)動機可簡化軌道級結(jié)構(gòu)和重量，該動力是未來兩級入軌平臺的關(guān)鍵技術(shù)
4.發(fā)展空天飛機需要面臨多個技術(shù)瓶頸
發(fā)展兩級入軌的空天飛機除了動力系統(tǒng)需要跨越式發(fā)展外，在航天器隔熱系統(tǒng)、材料、測控通信、最優(yōu)軌跡、綜合電子信息系統(tǒng)以及綜合健康管理領(lǐng)域等方面都要有所突破，NASP空天飛機使用了ACC防熱隔板，在無主動冷卻情況下可耐受1400攝氏度的高溫，X-30在2.6萬米高度以八馬赫數(shù)飛行時，頭錐溫度可達(dá)到1793攝氏度，機身尾部的溫度最低，大約為760攝氏度左右，機翼前緣溫度為1455攝氏度。通常情況下，空天飛機再入時頭錐帽處的最高溫度可以達(dá)到1600攝氏度至1800攝氏度，機翼前緣也可以達(dá)到1600攝氏度，需要選擇耐高溫、低維護(hù)性的隔熱材料，有研究稱鈮鋁化合物可耐受1800攝氏度的高溫。
空天飛機再入時必須要面對黑障的干擾，機體四周會形成一定厚度的電離氣體層，會對通訊產(chǎn)生影響，在這方面我國應(yīng)該有足夠的技術(shù)儲備來應(yīng)對這一問題，比如空天飛機在高速亞軌道飛行高速數(shù)傳技術(shù)、共形相控陣天線技術(shù)等。針對水平起降的兩級入軌平臺，上升軌跡優(yōu)化是一個重要前期研究內(nèi)容，可以降低組合體的起飛質(zhì)量，壓縮空天飛機各子系統(tǒng)的指標(biāo)，滿足諸如過載約束、氣動加熱約束等過程約束條件，使起飛質(zhì)量降到最低，對吸氣式組合動力的軌道級總體性能要求有所放寬?？仗祜w機的最低指標(biāo)之一就是具有可重復(fù)性，因此需要綜合健康管理技術(shù)來了解航天器各子系統(tǒng)的狀態(tài)，分析可能存在的故障并進(jìn)行診斷，以蘭利研究中心為例，其發(fā)展的健康管理架構(gòu)被認(rèn)為是空天飛行器健康管理的一部分，其中包括聲波、電磁、光纖等傳感器技術(shù)，我國空天飛機研制計劃中的健康管理技術(shù)還處于理論研究階段。
圖10測試2至8馬赫數(shù)條件下的進(jìn)氣道方案
[結(jié)語]：兩級入軌的空天飛機方案將面臨許多困難，即便選擇可行性較高的亞音速載機平臺，也需要在材料和發(fā)動機等領(lǐng)域有所突破，當(dāng)然，超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)將是未來空天飛機方案普遍采用的技術(shù)，正如空天飛機是航空航天領(lǐng)域的結(jié)合產(chǎn)物，其所使用的先進(jìn)材料和制造技術(shù)必然代表了世界先進(jìn)水平。我國空天飛機計劃開始后，將帶動各學(xué)科的發(fā)展，即便短期內(nèi)無法實現(xiàn)，也可積累相當(dāng)?shù)难邪l(fā)經(jīng)驗。
