空天飛機是什么？

人類自古以來就夢想飛翔。當科技發展到一定階段的時候，這種夢想就一步一步的變為現實。現在人類已經可以制造出飛機和太空船，這些運載工具可以把人類送上天空。然而，飛機和太空船的設計從來都是各成體系的，因為飛機在大氣層內飛行，而太空船在太空中飛行。前者屬于航空，后者屬于航天。盡管差別很大，但這兩大技術存在著千絲萬縷的關系，因為無論什么航天器進出太空，都必須穿越大氣層，不得不與空氣打交道，后者顯然屬于航空技術的范疇。這種緊密聯系導致人們產生這樣一種想法，有沒有一種飛行器，它既能在大氣層內飛行，又能在大氣層外航行，它既能水平起飛，又能水平降落呢?這種新型飛行器就是航空航天飛機，簡稱空天飛機。

推動空天飛機研究的直接動力是它的經濟實惠性。由于空天飛機可以重復往返于地球和太空之間，所以，相對于傳統的一次性運載火箭，它可以節省大量的資金。而它和航天飛機相比，由于空天飛機可以水平起飛，所以它的安全性更高。所以，為了尋求一種既經濟，又安全的天地往返運載系統，世界各個發達國家紛紛推進自己的空天飛機研究。

空天飛機的設計思路有：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；整個飛行器全部重復使用，除消耗推進劑外不拋棄任何部件；水平起飛，水平降落，簡化升空和返回所需的場地設施和操作程序，以減少維修費用。

空天飛機的這些性能對科學技術提出了很高的挑戰。首先就是發動機。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0一直加速到約25倍音速，這樣的大跨度和飛行環境變化，目前所有的單一類型發動機都不可能勝任。所以，為空天飛機研制全新的發動機就成為關鍵難題。

我們知道，普通飛機使用的是噴氣式發動機，這種發動機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，且實用速度較小。而火箭呢，其發動機動力強勁，但攜帶的氧化劑較笨重，比沖小。目前設想的空天飛機的動力一般為采用這兩種的組合動力方式。但這種組合會使空天飛機的結構變得過于復雜，從而影響了其性能的可靠。

再者，空天飛機的外形也成了大難題。當一個飛行器以6倍音速以上的速度在大氣層中飛行時，空氣阻力將急劇上升，所以其外形必須高度流線化。我們最常見的民用飛機那種翼吊式發動機已不能使用，這就需要將發動機與機身合并，構成高度流線化的整體外形。這叫做“發動機與機身一體化”。在一體化設計中，最復雜的是，要使進氣道與排氣噴管的幾何形狀，能隨飛行速度的變化而變化，以便調節進氣量，使發動機在低速時能產生額定推力，而在高速時又可降低耗油量，還要保證進氣道有足夠的剛度和耐高溫性能，以使它在返回大氣層的過程中，能經受住高速氣流和氣動力熱的作用，這樣才不致發生明顯變形，才可多次重復使用。

還有，空天飛機的制造材料也是個大難題。空天飛機需要多次出入大氣層，每次都會與空氣劇烈摩擦而產生大量氣動加熱，特別是以高超音速返回大氣層時，氣動加熱會使其表面達到極高的溫度。機頭處溫度約為1800攝氏度，機翼和尾翼前緣溫度約為1460攝氏度，機身下表面約為980攝氏度，上表面約為760攝氏度。因此，必須有一個重量輕、性能好、能重復使用的防熱系統。

空天飛機在起飛上升階段要經受發動機的沖擊力、振動、空氣動力等的作用，在返回階段要經受顫振、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外形，又要能長期重復使用，維護方便，所以其技術難度是相當大的。

我們以大家熟知的美國航天飛機為例，由于受氣動加熱的時間短，航天飛機表面覆蓋氧化硅防熱瓦即可達到滿意的防熱效果。但是，這對空天飛機來說，則遠遠不夠。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。否則會影響重復使用。

為了滿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。

以上所提的這幾個難題，只是空天飛機眾多技術難題的幾個關鍵問題，這幾個問題決非短時間內能突破。總體說來，空天飛機技術難度大，所需要的投資多，研制周期長，勢必需要大量的科研人才，科學家之間的國際合作也是必不可少的。

[責任編輯]李金