中国空天飞行器，未来航天的国之利器！

中国空天飞行器，未来航天的国之利器！

10月21日，据国内最新发布的相关新闻报道，中国航天领域再传喜讯！中国航天空气动力技术研究院（又称中国航天科技集团公司第十一研究院）所属的空气动力理论与应用研究所已圆满完成两级入轨高升力体空天飞行器的的高速风洞模型自由分离试验，两级上下并联的高升力体飞行器风洞模型成功实现分离。该两级入轨高升力体并联飞行器风洞模型，是为我国将来使用的天地往返可重复使用航天飞行器而研制的。此次试验成功，为未来国产某型两级入轨空天飞行器的研制成功提供了重要的技术保障。

    两级入轨高升力体空天飞行器的的高速风洞模型自由分离试验

时间前推至18年年底，中国航天动力技术研究院对外宣布，中国成功完成了氢氧推进试验，实现了5毫秒以内，氢气在速度3000米每秒的空气当中实现了自主燃烧。这是中国空天飞机的研发传来的另一个好消息。此次氢氧燃烧推进试验的成功，为中国空天飞机新型超燃冲压发动机的研制奠定了坚实的技术基础。承担此次试验的是全世界口径最大的自由活塞驱动高能脉冲型风洞！

    航天动力技术研究院成功完成的氢氧燃烧推进试验

空天飞行器：国之利器

早在20世纪中期，我国伟大的航天事业奠基人钱学森院士就提出了重复使用天地往返运输系统的概念。倡议一定要发展可以重复使用的、能够迅速穿越大气层、自由地往返于地球表面与太空之间的多用途航天器。为我国航天事业指明了发展的方向。

    重复使用天地往返运输系统

我国研制的两级入轨空天飞行器方案属于并联方式，即运载器和轨道器是并联在一起。采用陆基水平起飞方式，当达到预订高度时，助推器与轨道器分离，助推器无动力滑翔返回，助推器经过返回段、能量管理段、着陆段后，最终完成水平着陆；而轨道器继续上升，进入地球低轨道，绕轨道运行并执行发射航天器或载人任务，至少可将数吨的有效载荷发射入轨，同时也可用于实现轨道或次轨道作战任务。完成任务后，轨道器机动滑翔返回，同样经过再入段、能量管理段、着陆段后，水平着陆。

    两级入轨空天飞行器方案

空天飞行器：艰巨使命

目前我国使用的长征系列，开拓者系列，以及国外的大多数发射航天器的运载火箭都只能一次性使用，使用成本居高不下，发射周期较长，安全可控系数低，很难满足未来我国航天发展诉求，比如2016年创下22次的航天发射记录、2018年将进行36次发射、2019年将近40次发射任务；相比美国19年在轨卫星接近600颗，而我国只有美国的四分之一左右；我国经济和科技的发展，卫星需求量压力巨大，发射任务相当繁重，而安全性、经济性是衡量航天领域科技水平及竞争力的重要尺度。

    神舟一号到八号及天宫一号 长征火箭

另外2020年我国将启动自己的空间站计划，随之而来的是大量的人员往返和物资运输；而重复使用航天飞行器运输系统可以很好的承担这一重任，将实现我国航天运输由一次性使用向重复使用的重大跨越，大幅提升我国进出空间的能力，为更有效和平利用宇宙空间提供更强大的技术支撑。

    未来空间站计划

空天飞行器：价值巨大

可重复使用的空天飞行器拥有传统火箭发射工具不可比拟的技术优势：

1、极低的发射成本：由于空天飞行器的全部可以重复使用，极大地减少搭载的航天器发射费用，维护简单。

2、极快的发射频率：空天飞行器由于无需重新研制和生产，只需维护和设备装载，可以在短时间内再度起飞，在预订周期的高效快速地往返空天和地面。

    空天飞行器设计图

3、极高的安全系数：由于空天飞行器可以在大气层内自由飞行，发生紧急状况可以如同飞机一样安全降落，避免机毁人亡，同时可以保全价值昂贵的航天器材。

4、极大的任务冗余度：可重复使用的空天飞行器作为运载工具，既可载物，也可以乘员，作为天地往返的工具，它还可以做较长时间的在轨停留和空间机动。

5、极强的战略威慑能力：空天飞行器主体本身就具备高超音速巡航的能力，如同轰炸机一般可以在超高空执行战备任务；而轨道飞行器就如同美国X-37B一般，可以在轨执行必要的战略任务。

    空天飞行器设计图

空天飞行器：道路艰难

针对空天飞行器研发方案，专家表示这一技术方案的先进性远远领先于美国目前天地运输系统以及轨道飞行器，但其技术复杂程度也是空前的。

由于两级入轨空天飞行器一、二级都是高升力体、大升力面构型，且6-10倍马赫数分离时二者之间流场非常复杂，激波与边界层干扰严重，将会产生复杂的气动力热效应，从而影响两个飞行器运动姿态。因此两级如何快速安全分离，既是空气动力学研究的需要突破的难题，也是可重复使用两级空天飞行器研制必须跨越的障碍。中国航天科技集团此次试验较完美的模拟了两级入轨空天飞行器安全分离边界，其试验结果达到了两级入轨重复使用运载器一、二级的分离点高度25~30千米，分离点速度6-10马赫的数据预期；为未来我国可重复使用空天飞行器的发展又突破重要技术障碍。

    模拟两级入轨空天飞行器安全分离边界

空天飞行器发动机是最大的难点，该两级入轨空天飞行器将采用涡轮、火箭、冲压多种先进动力进行有机融合的组合动力方案，能在宽广的飞行包线内为飞行器提供所需动力，起飞段使用涡轮发动机、冲刺加速用冲压发动机、进入外太空后则使用火箭发动机，将如此复杂的动力进行有效整合并各自发挥作用，研发的难度可想而知，据《联合报》报近日道称，中国首度成功进行了航天飞行器模型试验，发射了小型多用途可重复使用空天飞机，并用“历史性跨越”来形容试验的重要性。由此判断，目前国内已完成组合循环发动机原理考核试验，以机体/推进一体化为代表的关键技术具备一定的成熟度水平。

    神龙轨道飞行器 原始设计图

空天飞行器：国际动态

早年美国航天飞机就是重复使用空天飞行器的有利探索，但每次发射航天器使用成本比一次性运载火箭还要高，原因在于运载器是火箭而不是空天飞机，航天飞机实际上只是轨道飞行器，但它毕竟实现了天地往返运输系统的部分重复使用，堪称空天飞行器发展史的第一个重要的里程碑。但“挑战者”号的机毁人亡使可重复使用空天飞行器的发展进入了低谷，“火箭”是人类航天运载工具的局面没有根本改变。

    美国航天飞机

据国外媒体报道，美国国防高级研究计划局启动一个致力于打造能在短时间、低能耗情况下执行近地轨道发射任务的太空飞船的招标项目，波音公司的XS-1设计方案在招标中胜出，公司将与后者合作研发新型极音速太空飞船，又被称为“幻影飞梭”太空飞机，预期能够以500万美元或更低的价格将不超过3000磅的货物运送至太空轨道。XS-1既非传统的飞机，也非传统的运载火箭，而是两者的结合，目标是把发射成本降至目前的1/10。

    波音“幻影飞梭”太空飞机想像图

目前为止最为成功的空天飞行器项目就是X－37B“轨道试验飞行器”，近日完成在轨时长纪录返回地面，美国在“轨道试验飞行器”研发已经进入实用阶段，但X－37B仍然依赖火箭发射升空，而美国作为一级承载的空天飞机的项目进展还只是计划阶段，近期美国国家空天飞机计划（NASP）就提出采用超燃冲压发动机的水平起降飞行器X-30；凭借美国在发动机领域的技术积累虽然研发难度要小一些，但想要完成和X－37B的搭配，从而构成体系上的空天飞机还需要重新规划，因为空天飞机不是二者简单的相加，要考量大量的技术要素。

    依赖火箭发射升空的X－37B

俄罗斯和美国是目前世界上仅有的2个曾经拥有航天飞机飞行的国家。早在2013年，俄罗斯就开展代号为“多用途空天系统”的空天飞行器的研制工作，设想可以将20～60t的有效载荷送入轨道，并已经完成了飞行器载波空间飞行的可行性研究的第一阶段，
但这一计划类似于美国美国X -37B无人可重复使用轨道飞行器，不排除运用火箭发射的可能性，目前由于资金问题处于停滞状态，

    俄罗斯完成空天飞机设计 可运60吨载荷入轨

德国早在20世纪80年代就开始了代号为“桑格”的空天飞行器研发工作。飞行器采用两级概念，第一阶段采用冲压式喷气发动机，使飞行器水平起飞并爬升到30km的高度，达到马赫数7的速度；第二阶段采用液氧/液氢火箭发动机将飞行器加速到轨道速度和高度。这一方案和我国空天飞机设计方案异曲同工，由于研发经费的原因，该项目于1995年停止。

    已经停止发展的德国“桑格”空天飞行器

英国在1982年由罗尔斯-罗伊斯公司和英国航空航天公司进行合作开始了自己的空天飞行器“霍托尔”，该计划也是一个无人的、完全可重复使用的单级入轨有翼飞行器，可将约7～8t的有效载荷运送到300km的轨道高度。由于缺乏资金，该项目于1989年停止。英国航天局的支持下，英国正在建造“云霄塔”（Skylon）空天飞机，“云霄塔”项目的创始人有一部分来自早年的“霍托尔”项目，“云霄塔”以混合动力引擎作为动力，当空气中氧气足够时，使用空气中的氧气，反之则使用携带的液氧。目前进展现在正在转向进行实际大比例部件的验证。

    英国“云霄塔”空天飞行器想象图

综上所述，目前相对成熟的项目主要有美国的X-37B空天飞机和英国的“云霄塔”空天飞机。

总结：

我国航天飞行器发展分“三步走”，逐步形成了适合我国具体国情的重复使用航天飞行器的发展方案。具体步骤为火箭构型重复使用、升力式火箭动力重复使用、组合动力重复使用等三个阶段，经过40年努力均取得了重要技术进展，目前国外还没有类似的空天飞行器在研发进度上有所赶超。当然中国空天飞机需要突破很多技术瓶颈，但我国航天人又一次敢为人先，未来空天飞行器的研发成功，将极大的改变世界航天运载领域的格局。与此同时，由于空天飞行器具有巨大的商业价值和军事价值，世界各航空航天强国必定会更加重视空天飞行器的发展，进一步加大研制投入和加快研制节奏。

愿我们的航天人再接再厉、勇攀高峰，将祖国航天事业推向世界高峰，再创奇迹！