空天飛機：從夢想到現(xiàn)實

尹懷勤

俄羅斯《觀點報》網(wǎng)站2015年10月5日報道：俄設(shè)計師宣布研制出空天飛機發(fā)動機。這是一種新型的航空航天動力裝置，它顯露了軍民兩用的空天飛機即將問世的曙光，因而引起了人們的關(guān)注。

早就定名的空天飛機

早在20世紀(jì)50年代，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森就提出了研制空天飛機的設(shè)想。顧名思義，空天飛機是一種身兼航空與航天兩種職能的飛行器。它既采用飛機使用的吸空氣式發(fā)動機，可在大氣層中飛行，又采用航天器使用的火箭發(fā)動機，能在太空中環(huán)繞地球運行。它的突出特點是，可從普通機場跑道起飛，不斷加速，使飛行速度達到高超聲速，不僅能沖出大氣層進入太空遨游，而且能在完成軍民兩用航天任務(wù)后再入大氣層，在普通機場水平著陸。

發(fā)展空天飛機的主要目的就是在既可達到多用途設(shè)想的同時，又能大大降低前往太空和返回地球的運輸費用。空天飛機返回地面經(jīng)簡單維修、重新加注推進劑后就能再次升空，復(fù)飛間隔時間短，可以重復(fù)使用幾十至幾百次，還不用專門的航天發(fā)射設(shè)施，這是目前世界上一次性使用的宇宙飛船和已經(jīng)退役的可多次部分重復(fù)使用的航天飛機都無法做到的。

動力：沖壓發(fā)動機

多數(shù)空天飛機，在大氣層中飛行時主要使用沖壓發(fā)動機作為動力裝置。

和飛機上應(yīng)用的渦輪噴氣式發(fā)動機工作原理一樣，沖壓發(fā)動也是靠吸收空氣中的氧氣，燃燒本身攜帶的燃燒劑生成燃氣，高速向后噴出產(chǎn)生反作用推力而工作的；不同之處是沒有壓氣機和燃氣渦輪，進入燃燒室的空氣是利用高速飛行時沖壓作用來增壓的。理論研究表明，其最高速度可達23倍聲速。

沖壓發(fā)動機通常由進氣道、燃燒室、尾噴管三大部分組成。航空器飛行時迎面氣流在通過進氣道的過程中將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，?jīng)壓縮后的空氣進入燃燒室與燃燒劑混合進行等壓燃燒，生成的高溫燃氣在噴管中膨脹加速后排出，產(chǎn)生推力。這種發(fā)動機在飛行速度大于3倍聲速的條件下使用，有較高的經(jīng)濟性。其缺點是只有飛行器達到一定飛行速度后才能啟動工作，不宜作為普通飛機的動力裝置。其噴出氣流的速度比進口的空氣速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飛行器向前運行。氣流噴出速度愈大，推力也就愈大，速度能夠遠遠超出其他吸空氣式發(fā)動機，所以空天飛機多選用它為航空飛行階段提供主要推力。

2002年7月30日，澳大利亞試驗了一種應(yīng)用于高超聲速飛機的沖壓發(fā)動機，獲得基本成功。2004年3月27日，美國航宇局進行了采用沖壓發(fā)動機的X-43A無人駕駛飛行器的飛行試驗，也曾達到7倍聲速的飛行速度。澳美試驗的沖壓發(fā)動機都是用液氫作為燃燒劑的。2010年5月26日，美國波音公司制造的沖壓發(fā)動機驅(qū)動的高超聲速X-51A“乘波者”飛行器首飛成功，這是由惠普公司研制的。鑒于大推力渦輪噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機技術(shù)早已大量投入實際使用，隨著高超聲速沖壓發(fā)動機的研制成功，空天飛機也就會隨之出現(xiàn)。

脈動噴氣發(fā)動機

——空天飛機的推進器

俄羅斯戰(zhàn)略火箭兵彼得大帝軍事學(xué)院發(fā)言人于2015年10月5日表示，該院謝爾普霍夫分院已經(jīng)研制出用于軍民兩用空天飛機的發(fā)動機。他解釋說：“研制航空火箭混合發(fā)動機的任務(wù)已經(jīng)完成。發(fā)動機包括在飛機和火箭兩種狀態(tài)下工作的動力裝置?！?/p>

這就說明，俄羅斯研制出的用于空天飛機的發(fā)動機，是由直流式脈沖燃燒室、攝像機、火箭發(fā)動機構(gòu)成的。直流式脈沖燃燒室又稱為脈沖發(fā)動機或脈動噴氣發(fā)動機。這也是一種構(gòu)造較為簡單、可以發(fā)出很大推力、適用于高空高速飛行的空氣噴氣發(fā)動機。這種動力裝置是俄羅斯航空航天科研人員的一種創(chuàng)新。

脈沖發(fā)動機的前部裝有單向活門，之后是含有燃油噴嘴和火花塞的燃燒室，最后是特殊設(shè)計的長尾噴管。工作時，首先把壓縮空氣打入單向活門，促使氣流進入燃燒室，然后油嘴噴油，火花塞點火燃燒，隨即高壓火焰燃氣從長尾噴管噴出，產(chǎn)生反作用推力；在燃氣噴出后，由于燃氣流的慣性作用，雖然燃燒室內(nèi)的壓強同外面大氣的壓強相等，仍會繼續(xù)向外噴射，故而在燃燒室內(nèi)造成空氣稀薄的現(xiàn)象，使壓強顯著降低到小于大氣壓時，前面的空氣再次打開單向活門流入燃燒室，噴油點火燃燒，開始第二個循環(huán)過程。這樣周而復(fù)始，發(fā)動機便可繼續(xù)工作了。

脈沖發(fā)動機與沖壓發(fā)動機的主要區(qū)別在于它的噴氣是間歇性的，并且在低速時也可以使用，而沖壓發(fā)動機的噴氣是連續(xù)性的，只能在高速時使用。應(yīng)該說脈沖發(fā)動機比較容易啟動，而沖壓發(fā)動機只有達到超音速后才能啟用。但是脈沖發(fā)動機對燃燒劑的質(zhì)量、燃燒室和機體的強度都提出了更高的要求。一般國家尚不具備研發(fā)的技術(shù)實力。

這種空天飛機能從普通機場起飛，在空中巡邏并執(zhí)行太空作戰(zhàn)任務(wù)，比如攔截彈頭、摧毀太空目標(biāo)。在完成任務(wù)后，再返回大氣層。在組合動力裝置上安放攝像機，除拍攝觀察發(fā)動機工作狀況、空天飛機飛行前程外，還可及時發(fā)現(xiàn)對方有關(guān)的太空動態(tài)。顯而易見，俄研制空天飛機的主要意圖也是用于軍事上的。

空天飛機是一項重大的科技創(chuàng)新，在它問世之后，能夠達到完全重復(fù)使用和大幅度降低航天運輸費用的目的，被稱為21世紀(jì)最有前途的革命性航空航天成果之一。

（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對：曹偉）