空天飞行技术创新与发展展望

王长青

(中国航天科工飞航技术研究院，北京 100074)

0 引 言

当前，人类正向以高频次航天发射和大规模空间应用为主要特征的太空时代迈进，对成本低廉、安全可靠的航天运输系统提出了迫切需求，发展新一代天地往返运输系统，是人类大规模发展和建设太空的根本前提[1-5]。目前，全世界几乎所有的空间载荷发射都由一次性火箭运载系统承担，费用高昂[6-7]。21世纪以来，世界各国都将太空作为国家重大战略领域，不断探索空天领域未知的基础科学，提升技术创新能力，推动空天飞行领域技术持续发展。本文对主要国家在空天飞行技术领域发展历程进行回顾，结合国外发展经验，提出空天飞行面临的基础科学问题及发展方向，并展望未来探索浩瀚宇宙、自由进出空间的新太空时代。

1 空天飞行技术发展现状

空天飞行器是指能够自由往返于稠密大气、临近空间和轨道空间的可重复使用飞行器，突破了传统的航天器和航空器的局限，实现了在大气层和空间自由穿梭飞行，具备廉价、便捷、安全、机动等优势[8-10]。

实现空天飞行有多种技术途径，从入轨级数来说，有多级入轨、单级入轨；从动力形式来说，有火箭动力、组合动力等；从起降方式来说，有垂直起飞/垂直降落、垂直起飞/水平降落、水平起飞/水平降落等；从重复使用程度来说，有部分重复使用、完全重复使用等[11]。

美欧等国自20世纪50年代末以来，以自由快速的空天往返为背景，通过政府主导开展了一系列空天飞行领域技术研究和飞行试验，有力推动了相关技术的发展，取得了阶段性突破。国外空天发展历程大致可分为三个阶段：

图1 空天飞行技术发展情况

1.1 1960～1980年：技术先行

为探索空天未知领域，美国在20世纪50年代末就启动了空天飞行技术研究工作，开展了大量高超声速飞行器和超燃冲压发动机技术的先期探索。至20世纪70年代末，持续完成了从X-1至X-15等一系列高速飞行试验计划，先后验证了亚/跨/超/高超声速飞行过程的结构、材料、气动、控制等关键技术。

图2 X-15飞行器

1.2 1980～2000年：竞相发展、辉煌一时

20世纪80年代起，空天飞行成为各航天大国的研究热点，以天地往返和重复使用航天运输为发展目标，竞相开展了一系列空天飞行器项目方案研究和演示验证试验(美国NASP、德国SANGER、英国HOTOL等)，稳步推进以高超声速技术和吸气式组合动力为核心的空天飞行技术，积累了大量设计方案和试验数据，引领推动空天飞行领域发展进入了新的阶段，成为人类航天史上的一个辉煌时期。

1)美国

美国在1986年制定国家空天飞机(NASP)计划，意图发展一种单级入轨的航天运载器，能够彻底且革命性的改变航天运输的状况，并通过X-30飞行器开展演示验证试验。

NASP计划包含10余项从未进行过飞行试验的关键技术，由于技术、政治和经济等多方面原因，1995年NASP计划下马。但NASP仍然为美国高超声速技术发展奠定了技术基础，超燃冲压发动机技术迈上了新的台阶，发展了发动机设计方法和CFD模拟技术，建立起大量的试验设备，加强了地面试验模拟能力，通过大规模的大尺寸模型发动机试验，获得了大量试验数据，培养了大批专门人才。

图3 美国NASP计划下X-30

2)德国

为了绕过单级入轨的难点，德国提出一种两级入轨的“桑格尔”空天飞行器方案。一子级是一架高超声速运输机，采用涡轮冲压发动机，使用寿命为100次；二子级是轨道飞行器，采用火箭发动机，可用于载人或载物，载货型为一次性使用，载人型使用寿命为50次。由于研究经费巨大，研制难度过大，该项目最终下马。[12]

图4 德国SANGER

3)英国

HOTOL空天飞行器采用水平起降、单级入轨方式，从地面3500 m长的跑道上水平起飞，以吸气式发动机推进到Ma5，然后转为火箭发动机推进。HOTOL计划的目标是把发射有效载荷的费用至少降低80%。原计划2000年投入使用，但实现单级入轨的技术难度很大，1992年，由于资金短缺，英国航宇公司决定停止向HOTOL空天飞行器计划提供支持，计划搁浅。

图5 英国HOTOL

1.3 21世纪至今：再掀高潮、全面布局

20世纪80年代各国提出的空天飞行器最后均因技术难度过高和经费难度过大等各种原因而最终下马，空天飞行研究陷入低谷。进入21世纪，随着高超声速技术和组合动力技术的发展，空天飞行再次成为国际热点，各国开始在天地往返空天飞行器领域展开了全面布局。

图6 空天飞行器发展情况

1)美国

2001年美国提出国家航空航天倡议(NAI)，统筹协调发展高超声速技术、进入空间和空间技术三大方向，其核心目标为吸气式空天飞行器。在NAI倡议指导下，美国完成了空天飞行领域从技术层面到应用层面的全方位布局，逐渐形成了多技术途径同步发展的空天飞行器新格局。

图7 NAI倡议

2014年，美国空军研究实验室确认了英国“佩刀”发动机概念的可行性，签署了合作协议，并于2016年在AIAA会议上公布了基于“佩刀”发动机的两级入轨空天飞行器，指出一旦佩刀发动机的实际性能达到预期，空天飞行器将于2030年左右具备可实现性[13]。

图8 基于“佩刀”发动机的空天飞行器

2)德国

2005年，德国提出一种亚轨道、带翼可完全重复使用两级高超声速飞行器SpaceLiner，用于洲际商业高速运输和重复使用空天飞行。飞行器采用背驮式构型，一子级为可重复使用升力体助推器，二子级为升力体上面级或轨道器(入轨)[14]。德国宇航局提出在2019年左右，完成初步需求评估，2035年前开展原型样机首次飞行试验，预计2040年实现运营。

图9 SpaceLiner两级飞行器

3)英国

2014年，英国公布了基于佩刀组合发动机的SKYLON云霄塔单级入轨空天飞行器的新方案和近期研究进展[15-16]。2019年3月，佩刀发动机通过欧空局的初步设计评审；4月完成了大尺寸预冷却器样机HTX的高温地面试验，成功验证了Ma3.3条件下在0.05 s内将超过426 ℃的高温气流冷却至约100 ℃。佩刀发动机预冷器技术已取得重大突破，有力支撑英国提出的SKYLON和美国AFRL提出的两级入轨空天飞行器研制。

图10 SKYLON飞行器

1.4 小结

美欧等国家经过几十年的持续研究，奠定了坚实的技术基础，近年随着相关技术的逐步成熟，各国分别基于各自的技术优势形成了多途径并举的空天飞行器发展路线，并取得了重大技术突破。空天飞行器成为新一代航天运输系统的焦点，在世界范围内重新掀起了设计与研制的热潮。

2 空天飞行技术的基础科学问题

空天飞行器飞行空域大(稠密大气、临近空间和轨道空间)、速域宽(Ma0～25)、飞行剖面复杂(零速起飞、高超声速飞行、加速入轨、再入返回、自主起降)，因此面临着众多基础科学问题。当前，人类对空天飞行领域的认知还只是“冰山一角”，要做到真正认识，需要回归问题本源，加强基础科学研究，研究空天飞行动力、气动、结构/材料、制导控制和试验等重大前沿性科学问题，形成完善的空天飞行基础理论与关键技术研究体系[17]。

图11 空天飞行技术的基础科学问题

2.1 动力与能源

空天飞行器需要自由往返于稠密大气、临近空间和轨道空间，传统单一动力无法满足全速域、大空域、自由高效飞行的需求，因此组合动力是必然发展趋势。空天组合动力形式所涉及的多种热力循环模态转换与匹配、非平衡流动的超声速燃烧及其组织等基础科学问题与传统航空涡轮发动机和航天火箭发动机不同，是传统动力的空白领域[18-22]。

图12 组合动力种类

图13 组合动力不同工作模态

1)多种热力循环模态转换与匹配问题

空天飞行所使用的组合动力在从低速到高速(或相反)过程中需要经历以不同类型热力循环系统为主工作的多个模态，包括涡轮模态、亚燃冲压模态、超燃冲压模态以及火箭模态等，要求模态转换过程中不失稳、不超温，工作连续、平稳，这就需要重点研究组合发动机多种热力循环模态转换与匹配问题。

2)非平衡燃烧化学动力学与多相湍流相互作用问题

超声速燃烧、高空低动压燃烧、燃烧室点火熄火过程等涉及典型的非平衡燃烧化学动力学控制过程。飞行高度高、大气稀薄时，进入发动机燃烧室的空气密度很低，火箭燃气和低密度的空气发生掺混和燃烧的过程可能出现新的流动现象，进而影响燃烧室的工作状态和过程。该过程与发动机气、液两相流相互作用，机理过程复杂。同时，还涉及耐高温材料、能量综合管理、新能源与新燃料等一系列基础性问题。

图14 超声速燃烧示意

3)内外流耦合问题

发动机利用飞行器前体进行外压缩，同时尾喷管利用飞行器后体膨胀，发动机与飞行器耦合紧密，且进气道起动/不起动对飞行器影响极大。对空天飞行器而言，宽域飞行包线下内流和外流的流动特征不断改变，内外流之间的耦合关系也随之不断调整，耦合作用机理复杂[23-24]。

2.2 空气动力学、热力学与等离子体动力学

空天飞行器不仅面临航空空间的空气动力学、太空空间的轨道力学问题，还经历临近空间连续流、滑移流、过渡流、自由分子流等空气组分变化，同时存在着力、热、声、电磁等环境共同作用，高速飞行时面临着高温真实气体效应、稀薄气体效应、边界层转捩等复杂流动现象。因此，需将跨空域飞行过程面临的气动基础科学问题解耦，加强机理性认知，同时积极探索边界层和等离子体等流动控制方法，提高空天飞行器宽速域升阻比、降低热流密度，改善大空域空天飞行操稳特性[25-27]。

图15 空天飞行器内外流耦合现象

1)高温真实气体效应问题

空天飞行器以高超声速飞行时，当外流场大于Ma8时，将出现高温真实气体效应，近壁流场中出现离解、电离和化学非平衡效应、表面催化等现象，导致产生气动力/热性能与不考虑高温真实气体效应的情况产生差异、高温化学非平衡流动出现而影响气动力/热性能的准确预测、地面试验难以模拟高温真实气体效应等问题。

图16 高超声速空气动力学

2)边界层转捩问题

高马赫数飞行时，空天飞行器表面将存在大范围层流边界层区，并在其后形成层流向湍流变化的转捩区。边界层转捩与湍流问题属于世界性难题，边界层内扰动传播与发展模态多样，转捩的诱发因素复杂，转捩区域预测难度大。对于气动热环境的预测、热防护设计、进气道性能影响显著。

图17 边界层转捩

3)稀薄气体效应问题

空天飞行器在临近空间飞行时将经历过渡流区和自由分子流区，气态分子出现飞行器表面滑移、电子能级跃迁等复杂效应，传统基于连续介质假设和理想气体模型的N-S方程数值模拟手段已不适用，需开展基于Boltzmann方程、DSMC等新方法流场分析与模拟技术，超高速低密度风洞试验技术等基础模拟验证手段研究。

图18 稀薄气体效应

2.3 结构与材料学基础性问题

要实现自由往返空天飞行，需要全新的材料结构体系作为支撑，主要面临三个方面的问题：①跨域飞行环境复杂，飞行器结构/材料承受力、热、声、振、粒子、电磁等多种复杂的耦合环境；②不同环境因素对结构/材料的影响机理复杂，目前没有完备的表征手段；③由此带来结构/材料领域新的挑战，要求重量更轻、防热能力更优、可重复使用性能更好等。因此，未来空天飞行器面临着新的结构/材料体系的严峻挑战。

1)高超声速飞行结构基础问题

空天飞行面临着恶劣的力、热、化学环境，存在氧化性强的离解气体。因此对飞行器结构提出了以下要求：外形扁平、尺度规模大，工作时间长、可达小时级、结构轻量化要求高，可重复使用性能需求复杂。

图19 航天飞机结构表面热环境

2)高超声速飞行材料基础问题

现有基础材料已不能完全满足空天飞行器使用要求，存在着前缘材料的耐温、抗氧化、抗冲刷、抗热震和可重复使用问题，隔热材料的耐温、高效隔热、轻质和可重复使用问题，主承载结构材料的大刚度、高强度、轻质和可重复使用问题等。因此需要针对材料应用要求，开展新材料的研制，或者对现有材料进行改进，从材料机理、材料设计、制备工艺方法、地面试验、飞行试验等方面解决不同材料的核心性能问题。

图20 防隔热一体化材料

3)可重复使用大型轻质结构及制造技术问题

大型、复杂结构的刚度对空天飞行器气动性能、飞行控制具有重要影响。例如航天飞机轨道器的一阶频率不到2 Hz，在20 Hz范围内的模态多达50个左右，气动弹性问题突出。而高温、大温度梯度、扁平外形、轻量化要求，都为提高空天飞行器结构刚度带来了极大的难度。因此，需要结合热管理技术的研究，从新材料应用、设计技术、制造技术等各个方面，解决大型冷结构、大型热结构的热变形匹配、刚度设计与结构轻量化等问题，实现结构重量低、抗变形能力强、重复使用可靠的目标。

4)结构功能一体化问题

在严酷的力、热、声疲劳及高温蠕变等载荷、复杂静/动力学条件下，高指标要求的载荷与热防护系统在现有技术水平下有较大风险，需从可重复使用材料、轻质高效热防护、结构轻量化及集成应用实现结构功能一体化，统筹协调材料性能与热防护代价、承载防隔热性能匹配与飞行器减重、结构可靠性与轻量化等耦合问题。

5)结构检测与健康管理问题

空天飞行器往返于地球表面和太空之间执行各类空间任务，在多次往返使用过程中，可能产生结构变形、材料退化等问题。结构健康监测通过集成传感器获取和分析数据以确定结构健康状况的过程实现原位监测和实时在线诊断，系统进行完整性评估，确定剩余寿命。及时掌握空天飞行器在轨道和地面上的健康状况对于维持其可靠性和安全性有重大意义[28-33]。

2.4 制导控制基础科学问题

空天飞行器面临复杂的环境特性、任务特性以及飞行器本身多要素耦合等特点，对制导控制技术提出了四大方面的新挑战：

复杂的动力学特性、复杂的轨迹约束、高要求的稳定控制以及高难度的探测识别。

图21 空天飞行器制导控制面临的挑战

1)动力学特性复杂问题

①力、热、声、振多场耦合外部环境特性以及由高速飞行带来的复杂流动机理，使得空天飞行器动力学建模存在较大的不确定性；②机体、推进一体化-内外流场耦合严重，气动特性与推进特性互相影响与制约；③飞行器结构在严酷力热载荷作用下产生弹性形变与弹性振动，对飞行动力学产生显著影响[34]。

图22 机体弹性影响示意图

2)轨迹约束复杂问题

①飞行器爬升段涉及气动姿态角、燃油当量比和火箭流量等多设计变量，对攻角、侧滑角的上下边界和动态变化过程限制约束多，不同控制输入间、控制输入与飞行状态间的交叉耦合动力学耦合强；②飞行器再入飞行段面临力热载荷要求带来的动压、过载和热流等约束，同时还应充分考虑返场需求带来的终端速度、高度及航程约束，飞行走廊狭窄、复杂气动环境带来较大不确定性等问题；③临近空间大气稀薄，导致单纯依靠气动力实现轨迹机动难度较高，同时临近空间环境导致飞行器舵效无法满足姿态回路快速指令响应的需求。

图23 空天飞行器再入走廊示意

图24 气动、动力、轨迹强耦合制导

3)稳定控制要求高问题

①为满足空天飞行器跨大气层飞行，需引入直接力、气动力复合控制方式，其喷流干扰特性将显著影响直接力及气动力矩大小和方向，模型不确定性影响增大；②为了满足宽域飞行，引入增升装置或附加控制装置会显著对彼此流场产生干扰和影响，改变操纵效率；③为实现全飞行包线静稳定，放宽静稳定性设计使得刚体稳定控制性能与弹性抑制不能兼顾，弹性静不稳定控制设计。

4)探测与识别难度高问题

①高速飞行过程中气动光学效应影响了光学设备对目标的探测和识别，振动及大过载机动会严重影响高分辨率成像；②空天飞行器为适应高超声速飞行，通常采用扁平前体结构，使得雷达体积(特别是天线尺寸)受限，同时气动加热引起的热噪声问题突出，将会影响成像探测；③空天飞行器机体周围形成等离子鞘套，电磁波产生反射、折射及散射，同时吸收电磁波能量，产生射频黑障，影响通信设备正常工作。

图25 红外窗口外流场结构示意图

图26 产生黑障过程再入飞行器周围流场分布

5)动力学建模问题

一方面，稀薄气体效应、高温气体效应以及流动转捩等物理现象机理尚未完全揭示，对气动和动力特性的预测具有很大不确定性，可能导致动力学建模存在严重的误差。另一方面，空天飞行器面向动力学分析与控制建模主要采用传统基于系数冻结的小扰动线性化模型简化方法，尚无完备理论依据进行稳定性分析。同时扰动模型是基于泰勒展开的数学原理获得，忽略了高阶项小量，采用基于扰动模型设计的分段控制器在飞行过程中出现模型参数大氛围剧烈变化时，可能导致控制失稳。

6)故障诊断与容错控制技术

空天飞行器作为可重复使用飞行器，其控制精度和稳定度的要求较高。为了保障空天飞行器自主运行，在通常的“避错”和被动式容错的技术手段上，必须大力发展和应用自主式故障诊断和系统重构等容错技术，发展空间智能自主控制技术，对空天飞行器控制系统故障进行分析和对策研究，使得系统具有自主故障诊断和重组、重构的容错控制能力，以提高系统可靠性[35-39]。

2.5 试验基础科学问题

空天飞行器试验验证主要包括地面试验和飞行试验两种方式。其中，地面试验(风洞试验)主要包括动力系统试验、气动性能试验、综合环境结构性能试验等;飞行试验主要包括带飞试验、自主飞行试验等。空天飞行器飞行环境复杂、飞行包络宽，在地面难以建立完全模拟真实飞行环境的试验设施条件，而飞行试验往往成本高、周期长、不可重复使用，同样存在局限性。因此，空天飞行器面临着天地一致性、试验真实性覆盖性差等问题。

图27 地面风洞试验

1)地面试验技术问题

空天飞行器构型复杂、制导控制系统非线性且多约束、飞行过程面临严酷的力、热、电等综合载荷环境问题，对其地面仿真试验的模拟条件、测量精度和试验设计提出了很高的要求。因此需要开展地面试验机理分析，建立多领域紧耦合的高效虚拟飞行试验方法，开展模拟空天飞行特有的自然环境、力学环境、气动虚拟验证、电磁环境和综合环境的空天环境模拟技术研究，深化缩尺相似准则,总温、总压、马赫数匹配调节技术,高马赫数长时间高焓风洞驱动技术等研究，满足空天飞行器研制和试验需求。

图28 HyFly风洞试验

2)飞行试验技术问题

从20世纪60年代以来开展的空天飞行器技术验证飞行试验项目来看，飞行试验安排的时机有两个：①在基础研究和关键技术攻关中，无法通过地面试验进行验证的项目，需要进行飞行试验验证；②在关键技术攻关进展到一定程度，需要进行气动、动力、结构、控制等多项技术集成验证时，需要进行飞行试验验证。因此开展飞行试验是进行临近空间相关技术研究的重要手段，应采用成熟技术研制飞行试验平台，开展支撑演示验证的精确测量技术研究等。

图29 X-51高超声速飞行试验

3 空天飞行技术发展展望

3.1 开辟新太空时代，助力空天发展

太空是人类未来发展前沿，发展新一代航天运输系统，是人类大规模发展建设太空，开辟新太空时代的根本前提。空天飞行器“廉价、快速、灵活、机动”的技术优势，将颠覆现有进出空间的方式，开辟以高频次航天发射和大规模空间应用为主要特征的新太空时代。

空天飞行器以吸气式组合发动机为动力，在机场水平起降，充分利用大气中的氧，降低推进剂消耗，通过重复使用降低发射成本；通过“航班化”运行实现发射任务的快速、紧急发射；在稠密大气至临近空间高速机动飞行，可捕捉更多的发射、返回机会。

图30 航班化起飞

图31 高机动能力捕获更大发射窗口

空天飞行器可以自由进出太空，向空间站等空间系统补充人员、物资、燃料，提供在轨服务，把空间站内制成的产品运回地球，支撑太空建设；还可以搭载乘客进行太空旅行，方便地到达世界的任何敌方。此外，空天飞行器还可以对自然灾害进行快速响应等。

图32 空天飞行器应用

3.2 吸气式组合动力是空天飞行器的核心，三组合发动机是重要发展方向

单一类型动力无法满足水平起降、宽速域机动、高效飞行等自由往返需求，吸气式组合动力是必然发展趋势。组合动力能够根据不同速域灵活采用最优热力循环模式，使全程平均比冲性能达到最优；吸气式动力能够充分利用大气中的氧，实现高效推进；并且能够满足高频次重复使用要求，实现便捷水平起降和自由转场飞行。因此发展吸气式组合动力空天飞行器已成为历史发展的必然选择。

组合动力中，TBCC发动机综合比冲性能较优，但存在推力陷阱和难以入轨问题；RBCC发动机初始低速段比冲性能较低，燃料消耗量大。三组合发动机可兼顾低速燃油经济性和宽域高马赫数加速性，能够最大程度利用大气中的氧，实现最优比冲性能。因此，三组合发动机是未来吸气式组合动力的重要发展方向[40]。

3.3 推动航空航天融合，带动空天产业快速发展

空天飞行技术的发展将带来航空技术的新飞跃，促进航空航天技术体系深度融合，带动制造业的产业变革升级。航空航天技术的深度融合，将带动基础科学研究和高新科技群体突破，引领高效推进、自动控制、太空制造、空间探测、人工智能技术等一大批前沿技术的群体跃升。

图34 三组合发动机比冲性能

空天飞行技术的发展将为高速交通、天地往返可重复使用运输、大规模空间开发和深空探测提供“廉价、安全、便捷、机动”的航天运输新模式，在牵引卫星导航、广播通信、商业航天、空间试验等产业转型升级的基础上，推动高效能源、人工智能、太空经济等产业衍生集群，抢占新兴经济产业增长点。

图35 三组合发动机是重要发展方向

图36 空天飞行领域科学研究体系

图37 波音公司Ma 5级高超声速客机

4 结束语

空天时代已经来临，发展空天飞行技术能够支撑未来大规模开发和利用空间，将形成"廉价、便捷、安全、机动"的天地往返运输工具，开辟以高频次航天发射和大规模空间应用为主要特征的新太空时代，推动空间产业快速发展。