“技术难度极大”的空天飞机究竟难在哪里?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-07

空天飞机可以水平起降,虽优点多多,但研制道路仍然漫长。

  一直以来,为降低航天发射成本,使天地往返更加便捷,世界各国都卯足了劲儿发展可重复使用的运载器,大家熟知的航天飞机及近年来火热的“猎鹰9号”火箭便是其中的杰出代表。

图1 - “猎鹰9号”发射升空(图片来源:www.spacex.com)

“猎鹰9号”发射升空(图片来源:www.spacex.com)

  最近,有媒体报道,我国也正研制类似的运载器,并计划于2020年前后首飞。消息一出,一众小伙伴相当兴奋。不过,报道还称该运载器仍为垂直发射,要实现可重复使用运载器的终极目标——“空天飞机”则“技术难度极大”,至少还需15年。

  不少人疑惑,航天飞机倒是经常听说,可空天飞机是个什么鬼?它又究竟难在哪里呢?

图2 - 美国“X-30”空天飞机概念图(图片来源:launiusr.wordpress.com)

美国“X-30”空天飞机概念图(图片来源:launiusr.wordpress.com)

与航天飞机啥区别?

  提到航天飞机,相信小伙伴们都不陌生。自1981年4月12日美国将第一架航天飞机“哥伦比亚号”送入太空,至2011年7月21日“亚特兰蒂斯号”航天飞机完成谢幕之旅,近30年里,航天飞机作为人类制造的最复杂的运载工具,在轨道救援、卫星回收与维修、特殊载荷部署等方面创造了无数历史。

图3 - “亚特兰蒂斯号”航天飞机徐徐降落,它宣告了美国航天飞机时代的结束(图片来源:en.wikipedia.org)

“亚特兰蒂斯号”航天飞机徐徐降落,它宣告了美国航天飞机时代的结束(图片来源:en.wikipedia.org)

  广义而言,航天飞机通常包括一个轨道器、一个外挂燃料箱及两个固体助推器,不过,我们平时所说的航天飞机仅指轨道器,也就是那个能够载人、可在地球轨道上飞行却又形如飞机的部件。虽说航天飞机的模样像飞机,但其发射方式却和普通的载人航天器毫无二致,均采用火箭发动机进行垂直发射,只有当其从太空返回地面时飞机外形才发挥作用,此时它可以如飞机一般滑翔降落在跑道上。

图4 - 航天飞机的组成包括轨道器、外挂燃料箱、助推器(图片来源:bagera3005.deviantart.com)

航天飞机的组成包括轨道器、外挂燃料箱、助推器(图片来源:bagera3005.deviantart.com)

图5 - 航天飞机采用火箭发动机进行垂直发射(图片来源:www.nasa.gov)

航天飞机采用火箭发动机进行垂直发射(图片来源:www.nasa.gov)

  简单地说,航天飞机像火箭一样发射,却像飞机一样降落,因此,想让航天飞机上天,必须有火箭发动机且必须自备燃料和氧化剂。那么,能否研制出一种起飞方式也和飞机一样的运载器呢?如此一来,便可在起飞阶段利用大气层内的氧气,减少氧化剂携带量,从而降低飞行成本。于是,空天飞机的概念应运而生了。

  空天飞机的全名叫航空航天飞机,可见,它比航天飞机多了“航空”二字,这正是二者最大的差异所在。与航天飞机必须在发射场发射并全程采用火箭发动机不同,空天飞机在普通机场即可起飞,而且为了充分利用大气层内的氧气,它在大气层内飞行时首先采用吸气式发动机进行机动飞行,当速度超过2400千米/时后换用冲压发动机,到达大气层边缘时再用火箭发动机加速入轨。

图6 - 英国正在研制的“云霄塔”空天飞机概念图(图片来源:spacenews.com)

 

英国正在研制的“云霄塔”空天飞机概念图(图片来源:spacenews.com)

  除起飞方式不同外,空天飞机和航天飞机还存在诸多差异。比如,航天飞机只能部分重复使用,而空天飞机除消耗推进剂外,却可全部重复使用,因而发射费用只有前者的十分之一。空天飞机的作战用途更为广泛,起降时受气象、地理等因素影响较小,既可巡航太空,又可乔装成侦察机、歼击机、轰炸机等各类战机,这些都是航天飞机难以望其项背的。

科技树为啥难点亮?

  尽管空天飞机优点多多,但迄今为止,它仍只存在于设想与试验阶段,世界上还没有一架实用的空天飞机。即使是媒体口中风头正盛的“X-37B”,严格来说也只是一款迷你版的航天飞机,并非真正的空天飞机。

图7 - 美国“X-37B”轨道测试飞行器(图片来源:www.airspacemag.com)

美国“X-37B”轨道测试飞行器(图片来源:www.airspacemag.com)

图8 - “X-37B”基本结构及数据,其由运载火箭发射,严格而言是迷你版的航天飞机(图片来源:搜狐网)

“X-37B”基本结构及数据,其由运载火箭发射,严格而言是迷你版的航天飞机(图片来源:搜狐网)

  其实,近几十年来,人类在空天飞机的研制上没少花功夫。美国曾于上世纪80年代推行过“国家空天飞机计划”,当时虽研制出“X-30”等试验机型,但苦于无法攻克关键的发动机技术,最终无奈下马。英、德等国也曾有各自的空天飞机计划,后来也纷纷折戟。空天飞机的科技树为何如此难以点亮呢?

图9 - 各国空天飞机概念图(图片来源:黄志澄新浪博客)

各国空天飞机概念图(图片来源:黄志澄新浪博客)

  空天飞机面临的技术瓶颈非常多,其中首要的就是动力问题。空天飞机要实现跨大气层飞行,速度必须从零加速至25马赫(即25倍音速),因而必须具备强大的心脏——发动机。然而,常规的吸气式发动机只能在马赫数小于3.5的条件下工作,冲压发动机在马赫数超过6之后效率也会急剧下降,想要实现更大马赫数的飞行,必须研制新型发动机。一个解决方法是采用超音速燃烧冲压发动机,其可在超音速气流中燃烧,燃烧效率及推力都比常规冲压发动机高。不过,美国科学家对此研究了数十年,依然无法弄清楚马赫数大于10后气流流动的基本物理过程。此外,由于空天飞机采用了吸气式发动机、冲压发动机及火箭发动机,如何将它们组合在一起也是一件十分棘手的技术难题。

图10 - 英国“云霄塔”空天飞机所采用的发动机(图片来源:spacenews.com)

英国“云霄塔”空天飞机所采用的发动机(图片来源:spacenews.com)

  在气动设计方面,空天飞机同样面临着巨大挑战。我们平素看到的飞机常将发动机吊在机翼下,但空天飞机为减小阻力以适应高速飞行,必须采用高度流线化的外形,因此发动机需与机身合并。合并后的一大难题就是如何保证发动机的进气道与喷管能随飞行速度变化而变化,既能使低速飞行时有足够的推力,又要降低高速飞行时的油耗。不过,即使你能设计出来,还面临另一大难题:难以实验验证。风洞实验是验证气动设计的重要手段,不幸的是,人们目前尚无能力制造横跨25马赫的风洞。

  除了以上提到的两点,空天飞机要解决的关键问题还很多。例如,每当进出大气层时,空天飞机都会与大气剧烈摩擦,机头温度高达2700℃以上,即使是航天飞机上用的防热材料也无法长时间承受这种折磨。空天飞机在起降过程中会受到多重复杂载荷的作用,其稳定与控制问题相当复杂,解决起来亦极为困难。对于人类来说,空天飞机的研制道路依旧十分漫长。

 

参考文献:

[1] 付毅飞. 我国可重复使用航天运载器预计2020年首飞[N]. 科技日报,2017-10-31(03).

[2] 一林. 空天飞机路漫漫[J]. 航空知识,1995(10):14-16.

[3] 刘家騑,李晓敏,郭桂萍. 航天技术概论[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2014.

[4] Augenstein B W, Harris E D. The National Aerospace Plane (NASP): Development Issues for the Follow-on Vehicle [R]. A Project Air Force Report R-3878/1-AF, 1993.

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