空天飞机：从梦想到现实

尹怀勤

俄罗斯《观点报》网站2015年10月5日报道：俄设计师宣布研制出空天飞机发动机。这是一种新型的航空航天动力装置，它显露了军民两用的空天飞机即将问世的曙光，因而引起了人们的关注。

早就定名的空天飞机

早在20世纪50年代，我国著名科学家钱学森就提出了研制空天飞机的设想。顾名思义，空天飞机是一种身兼航空与航天两种职能的飞行器。它既采用飞机使用的吸空气式发动机，可在大气层中飞行，又采用航天器使用的火箭发动机，能在太空中环绕地球运行。它的突出特点是，可从普通机场跑道起飞，不断加速，使飞行速度达到高超声速，不仅能冲出大气层进入太空遨游，而且能在完成军民两用航天任务后再入大气层，在普通机场水平着陆。

发展空天飞机的主要目的就是在既可达到多用途设想的同时，又能大大降低前往太空和返回地球的运输费用。空天飞机返回地面经简单维修、重新加注推进剂后就能再次升空，复飞间隔时间短，可以重复使用几十至几百次，还不用专门的航天发射设施，这是目前世界上一次性使用的宇宙飞船和已经退役的可多次部分重复使用的航天飞机都无法做到的。

动力：冲压发动机

多数空天飞机，在大气层中飞行时主要使用冲压发动机作为动力装置。

和飞机上应用的涡轮喷气式发动机工作原理一样，冲压发动也是靠吸收空气中的氧气，燃烧本身携带的燃烧剂生成燃气，高速向后喷出产生反作用推力而工作的；不同之处是没有压气机和燃气涡轮，进入燃烧室的空气是利用高速飞行时冲压作用来增压的。理论研究表明，其最高速度可达23倍声速。

冲压发动机通常由进气道、燃烧室、尾喷管三大部分组成。航空器飞行时迎面气流在通过进气道的过程中将动能转变为压力能，经压缩后的空气进入燃烧室与燃烧剂混合进行等压燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排出，产生推力。这种发动机在飞行速度大于3倍声速的条件下使用，有较高的经济性。其缺点是只有飞行器达到一定飞行速度后才能启动工作，不宜作为普通飞机的动力装置。其喷出气流的速度比进口的空气速度大得多，因而就造成反作用推力，使得飞行器向前运行。气流喷出速度愈大，推力也就愈大，速度能够远远超出其他吸空气式发动机，所以空天飞机多选用它为航空飞行阶段提供主要推力。

2002年7月30日，澳大利亚试验了一种应用于高超声速飞机的冲压发动机，获得基本成功。2004年3月27日，美国航宇局进行了采用冲压发动机的X-43A无人驾驶飞行器的飞行试验，也曾达到7倍声速的飞行速度。澳美试验的冲压发动机都是用液氢作为燃烧剂的。2010年5月26日，美国波音公司制造的冲压发动机驱动的高超声速X-51A“乘波者”飞行器首飞成功，这是由惠普公司研制的。鉴于大推力涡轮喷气发动机和火箭发动机技术早已大量投入实际使用，随着高超声速冲压发动机的研制成功，空天飞机也就会随之出现。

脉动喷气发动机

——空天飞机的推进器

俄罗斯战略火箭兵彼得大帝军事学院发言人于2015年10月5日表示，该院谢尔普霍夫分院已经研制出用于军民两用空天飞机的发动机。他解释说：“研制航空火箭混合发动机的任务已经完成。发动机包括在飞机和火箭两种状态下工作的动力装置。”

这就说明，俄罗斯研制出的用于空天飞机的发动机，是由直流式脉冲燃烧室、摄像机、火箭发动机构成的。直流式脉冲燃烧室又称为脉冲发动机或脉动喷气发动机。这也是一种构造较为简单、可以发出很大推力、适用于高空高速飞行的空气喷气发动机。这种动力装置是俄罗斯航空航天科研人员的一种创新。

脉冲发动机的前部装有单向活门，之后是含有燃油喷嘴和火花塞的燃烧室，最后是特殊设计的长尾喷管。工作时，首先把压缩空气打入单向活门，促使气流进入燃烧室，然后油嘴喷油，火花塞点火燃烧，随即高压火焰燃气从长尾喷管喷出，产生反作用推力；在燃气喷出后，由于燃气流的惯性作用，虽然燃烧室内的压强同外面大气的压强相等，仍会继续向外喷射，故而在燃烧室内造成空气稀薄的现象，使压强显著降低到小于大气压时，前面的空气再次打开单向活门流入燃烧室，喷油点火燃烧，开始第二个循环过程。这样周而复始，发动机便可继续工作了。

脉冲发动机与冲压发动机的主要区别在于它的喷气是间歇性的，并且在低速时也可以使用，而冲压发动机的喷气是连续性的，只能在高速时使用。应该说脉冲发动机比较容易启动，而冲压发动机只有达到超音速后才能启用。但是脉冲发动机对燃烧剂的质量、燃烧室和机体的强度都提出了更高的要求。一般国家尚不具备研发的技术实力。

这种空天飞机能从普通机场起飞，在空中巡逻并执行太空作战任务，比如拦截弹头、摧毁太空目标。在完成任务后，再返回大气层。在组合动力装置上安放摄像机，除拍摄观察发动机工作状况、空天飞机飞行前程外，还可及时发现对方有关的太空动态。显而易见，俄研制空天飞机的主要意图也是用于军事上的。

空天飞机是一项重大的科技创新，在它问世之后，能够达到完全重复使用和大幅度降低航天运输费用的目的，被称为21世纪最有前途的革命性航空航天成果之一。

（责任编辑：司明婧 责任校对：曹伟）