组合动力天地往返运输系统发展展望

◎西北工业大学 何国强

一、概述

我们仰望星空，会想知道太空到底是怎样的。从空域图可以看出，12公里以下有对流层，30公里以下有平流层，上面是空间层，然后是亚轨道，再向上就是一些卫星及空间站等。人类科技发展的过程其实是人民对生活空间不断拓展的过程。人们从陆地到海洋，然后走向月球，又到火星，是人类科技重大的里程碑。

目前，我们如何穿越这样的空间层？这里给大家介绍一种新型的飞行器——天地往返运输系统。它是可重复使用飞行器，通过一次发射就可以把载荷送到相应的轨道上去，主要用于航天运输、空间服务以及载荷下行。传统观念上，人们用火箭垂直起飞，把载荷打上去，但是这些航天运载系统是一起使用的，成本相当高，很难实现航班化的概念。而天地往返运输系统是人类进出空间、探索宇宙的“天梯”，是世界航天大国标志性重大装备和基础能力。重复使用技术是天地往返运输系统大幅降低成本、显著提升应用灵活性、实现快速响应发射的重要途径，成为天地往返运输系统领域创新发展的主导方向之一。现在，可重复使用飞行器有多种分类方式，最常用的是按照入轨级数分为单级入轨飞行器和多级入轨飞行器系统，其动力型式主要有火箭动力和组合动力两类。

按高度划分的空域及相应的飞行器示意图

西北工业大学何国强

美国可重复使用飞行器研究发展图

组合动力天地往返运输系统采用吸气式组合动力、升力式构型，能够在稠密大气层、临近空间、轨道空间自由往返飞行，是降低航天运输成本、提高安全可靠性、快速进出空间的理想工具，是未来主流的发展方向，是世界航天大国的标志性装备和基础能力。

二、国内外发展情况

在可重复使用飞行器发展方面，美国作为世界新军事革命的“引领者”，高度重视、持续投入，谋求全方位绝对优势和技术全面领先，其发展过程呈现出“国家安全战略主导、航天发展战略牵引、发展主体多元、发展重点聚焦”等特征。从50年代开始到现在，虽然经历了几起几落，但现在还是如火如荼的一种发展状态。20世纪80-90年代，美国人雄心壮志，开始了以单级入轨为目标的NASP计划，掀起了可重复使用飞行器研究热潮，为重新进行天地往返打下了很好的基础。2002年美国又制订了军民两用的国家航天倡议（NAI），主要发展高超音速、先进进出空间技术。应该说NAI计划把我们天地往返空间作了规划，呈现出由简单任务到多任务、由小到大，逐渐实现天地往返目标，同时也实现高超速飞行。

在飞行器组合过程中，组合动力技术成为关键。目前组合动力技术最关心的不是一级，而是两级入轨的一种方案。除了美国以外，日本、欧洲等其它国家也纷纷对组合动力技术进行了研究。日本JAXA从20世纪90年代起，开展了以重复使用飞行器为目标的火箭基组合推进系统研究。法国于1992年开展PREPHA计划，2003年开展LEA计划。欧洲航天局于2005年制定了先进推进概念和技术研究计划（LAPCAT），主要开展超声速推进的关键技术和飞行器概念设计。

组合动力是传统动力装置的有机组合。传统的比较典型的动力装置包括涡轮动力、火箭动力和冲压动力三种。其中，采用涡轮动力的装置，如航空发动机；采用火箭动力的，如传统的火箭；采用冲压动力的，如一体火箭、固体火箭，平时在大气层里面巡航的。

两组合动力装置主要有火箭冲压组合动力、涡轮冲压组合动力和预冷组合动力。首先，介绍一下火箭冲压组合动力。它既可以爬升又可以巡航，有很好的推动力，性能很好。大家都知道，航空发动机现在的推重比基本上是10以下，10的也在做。而火箭冲压组合动力的可以达到20，所以它的性能非常优秀，并且可以重复使用，将是未来单机入轨运载器和临近空间高速飞行平台的主要动力。第二种是涡轮冲压组合动力。它是一个非常好的飞机动力装置，可以采用两级入轨的第一级，美国人也在做这种装置。涡轮冲压组合动力还可以采用常温推动剂、便于携带，比冲高，非常适合巡航。但是它存在“推力鸿沟”，在高声速下推力不足，无法入轨。我国西工大、北航等相关单位都在积极地进行研究。第三种是预冷组合发动机。它采用新型的热力循环、深度空气预冷技术和流体动力巧妙设计，把推重比做得非常高。由于它利用深度预冷的火箭技术，推重比很高，所以可以作为单级入轨重复使用运载器的动力，也可以作为临近空间平台的动力装置。

三组合动力装置则是火箭冲压和涡轮的组合。这种动力装置把原先两两组合过程中的一些缺点避免掉，可以用于未来的高速飞机和两级入轨的飞行器动力。目前世界上很多国家都在研究这种类型的发动机，比如，美国的A5、GTX、ISTAR发动机，国内西北工业大学等机构也在研究这种动力装置。

三、发展意义与发展建议

组合动力天地往返运输系统是一种快速、经济、常态化、进出空间的主要途径，是支撑空间对抗、能力提升的重要手段，也是我们新式作战能力的关键装备。

研究组合动力天地往返运输系统具有重要的意义：

（1）组合动力天地往返运输系统是航天强国的重要标志，将显著推动我国由航天大国向航天强国转变。通过载人航天、探月等多个国家重大工程实施，显著提升了我国一次性航天运输能力；当前形势下，加快推进组合循环动力重复使用运输系统研究，将大幅提升我国自由进出空间、利用空间和控制空间能力。

（2）组合动力天地往返运输系统是科学技术新的战略制高点，将助力我国成为高科技领域的引领者，可以使能量在全空间综合优化，促进航空、航天领域融合发展；将带动攻克设计理念、先进组合动力、宽域气动设计等关键技术，促进我国航空、宇航、动力、材料、制造以及空间环境等科学技术群体性创新；对我国高端装备制造、新型动力、空天运输系统、空间信息以及太空经济等领域产生辐射带动作用。

（3）组合动力天地往返运输系统将促进我国新质作战能力的形成。组合动力天地往返运输系统可在轨道、亚轨道、临近空间和稠密大气层内自由穿梭，促进形成从临近空间到外太空的高技术武器装备群；作为全空域的运载和武器平台，在制地、制天、制空作战上均有独特优势，催生新质作战能力，颠覆传统战争规则，带来战争模式的巨变，形成新的战略威慑力。

对我国发展组合动力天地往返运输系统的建议如下：

首先，制定国家顶层的发展规划，体现“动力先行”特点。国家发展规划是快速推进科学技术的倍增器，如美国国家空天倡议（NAI）、欧洲先进推进概念和技术研究计划（LAPCAT）、日本2025航天规划等；可重复使用天地往返运输技术发展，组合动力技术是关键。

其次，组合动力飞行器的发展路线，建议遵循从小到大、从两级入轨到单级入轨的发展步骤，按照关键技术攻关、系统集成验证、工程研制的思路进行发展。

最后，集智攻关，共同发展。依托高校和科研院所，建立国家层面的协同创新研究团队，探索国家创新新模式，推进组合动力天地往返运输技术发展；充分发挥高校基础研究和科研院所工程研制优势，分步骤推进各项关键技术研究；依托陕西空天动力技术优势，建议在陕西组建组合动力国家级平台推动天地往返运输技术发展。

四、结束语

探索浩瀚宇宙，建设航天强国是我们这代人的重要使命。在航天发展过程中，组合动力天地往返运输系统是未来航班化进出空间的理想运输工具和空间高机动平台。同时，组合动力天地往返运输系统的深化研究，是牵引我国航天技术重大发展、超前布局新型航天运输能力的关键举措。我也相信这样的运输系统将有广泛的科学带动性，具有显著的社会效益和经济效益。