未来的空天飞机是怎样的?
1903年人类第一架飞机上天,人们仿照航海的提法,把飞机在空气中飞行定义为“航空”,把机场设施称为“航空港”。
1959年,人类第一颗人造地球卫星升入太空以后,开始了向宇宙进军的新历程。这时,人们又创造了“航天”一词。一般的“天”字,是指“地面以上的高空”,而航天中的“天”字,则另有含义。科学家规定:飞行器在可感知的地球大气层外的太阳系内飞行称为“航天”。航天用的各种飞行器如卫星、飞船、航天站、行星探测器等统称为“航天器”。试验和发射航天器的地面设施称为“航天港”。
飞出太阳系在宇宙的恒星际间飞行称为“航宇”。“航天”、“航宇”合称为“宇宙飞行”。
眼下,我们乘坐的飞机,只能在大气层里航行,哪怕最先进的飞机,也飞不出地球去。因为现有的飞机的翅膀,都是靠在空气中才能产生升力;飞机上的发动机还要靠空气中的氧气来助燃才能工作。另外,由于地球具有吸引力,它像一条看不见的绳索,牢牢地拴着地球上的每一个物体。要想挣脱地球的引力,绕着地球转圈子,不再落回地球,飞机的速度必须达到每秒7.9公里。如果要飞出地球到其他行星去,所需要的速度还要高。目前,飞机的最高时速是3523公里,就是每秒0.98公里,大约只有每秒7.9公里的速度的1/8。如此缓慢的速度如何也是飞不出地球去的。
飞出地球的惟一工具是火箭。
“空天飞机”是“航空航天飞机”的简称。这是一种既能航空又能航天的飞行器。
空天飞机同目前美国的航天飞机相比,在技术上有许多特点。航天飞机只能在发射台上垂直起飞,采用火箭发动机作推进系统,双级入轨,只能部分重复使用,可担负航天运载任务。空天飞机则可以水平起飞,采用航空、火箭两种发动机作推进系统,可任意选用两级或单级入轨方式,可完全重复使用,既能作航天运载器,又能作航空飞机。
空天飞机最诱人的特点是它第一次把航空发动机引进航天领域,从根本上改变航天运载器只采用火箭推进的模式,从而将导致航空航天技术的一场革命。
空天飞机的技术复杂,研制难度极大,其中最关键的是它的推进系统。目前,化学推进系统分两大类:吸气式发动机和火箭发动机。吸气式发动机只带燃料,需要吸取大气中的氧作为氧化剂,只能在大气层内工作。但由于不带氧化剂,每单位推力所消耗的推进剂量要比火箭发动机小得多,因而其比冲可高达1000~3000多秒。火箭发动机既带燃料,又带氧化剂,在大气层内外都能工作,所以迄今的所有航天运载器全部使用火箭发动机,但它的比冲不高,最多只有400多秒。显然,如果航天运载器在大气层内的飞行段能改用吸气式发动机,就能大大节省推进剂,从而减轻总重量,降低发射费用,提高运载效率。
但在目前的吸气式发动机中,涡轮喷气发动机最大只能达到3~3.5倍音速,远远不能满足航天发射的要求,为此需要研制一种新式的吸气发动机——“组合式超音速烧冲压式发动机”,但至今尚未完全成功。
推进系统的另一个难点是吸气式和火箭发动机如何最佳地配合工作。简单的方法是各发动机分别工作,但这样做结构重量大,性能较差。最好是各发动机能有机地组合在一起,形成一种多循环工作模式的混合式发动机。但研制难度极大。
空天飞机的研制还需要攻克其他许多技术难关。例如,空天飞机的机身、机翼和发动机系统应进行一体化的气动设计;空天飞机需要使用先进的耐高温材料,如高级钛合金材料,碳——一碳复合材料和高级金属基复合材料。多数空天飞机的研制计划尚处在概念研究和技术验证阶段,其发展前景要几年以后才能进一步明朗,而真正投入使用也许要到1020年以后。