「技術難度極大」的空天飛機究竟難在哪裡？

一直以來，為降低航天發射成本，使天地往返更加便捷，世界各國都卯足了勁兒發展可重複使用的運載器，大家熟知的太空梭及近年來火熱的「獵鷹9號」火箭便是其中的傑出代表。

最近，有媒體報道，我國也正研製類似的運載器，並計劃於2020年前後首飛。消息一出，一眾小夥伴相當興奮。不過，報道還稱該運載器仍為垂直發射，要實現可重複使用運載器的終極目標——「空天飛機」則「技術難度極大」，至少還需15年。

不少人疑惑，太空梭倒是經常聽說，可空天飛機是個什麼鬼？它又究竟難在哪裡呢？

與太空梭啥區別？

提到太空梭，相信小夥伴們都不陌生。自1981年4月12日美國將第一架太空梭「哥倫比亞號」送入太空，至2011年7月21日「亞特蘭蒂斯號」太空梭完成謝幕之旅，近30年里，太空梭作為人類製造的最複雜的運載工具，在軌道救援、衛星回收與維修、特殊載荷部署等方面創造了無數歷史。

廣義而言，太空梭通常包括一個軌道器、一個外掛燃料箱及兩個固體助推器，不過，我們平時所說的太空梭僅指軌道器，也就是那個能夠載人、可在地球軌道上飛行卻又形如飛機的部件。雖說太空梭的模樣像飛機，但其發射方式卻和普通的載人航天器毫無二致，均採用火箭發動機進行垂直發射，只有當其從太空返回地面時飛機外形才發揮作用，此時它可以如飛機一般滑翔降落在跑道上。

太空梭的組成包括軌道器、外掛燃料箱、助推器（圖片來源：bagera3005.deviantart.com）

簡單地說，太空梭像火箭一樣發射，卻像飛機一樣降落，因此，想讓太空梭上天，必須有火箭發動機且必須自備燃料和氧化劑。那麼，能否研製出一種起飛方式也和飛機一樣的運載器呢？如此一來，便可在起飛階段利用大氣層內的氧氣，減少氧化劑攜帶量，從而降低飛行成本。於是，空天飛機的概念應運而生了。

空天飛機的全名叫航空太空梭，可見，它比太空梭多了「航空」二字，這正是二者最大的差異所在。與太空梭必須在發射場發射並全程採用火箭發動機不同，空天飛機在普通機場即可起飛，而且為了充分利用大氣層內的氧氣，它在大氣層內飛行時首先採用吸氣式發動機進行機動飛行，當速度超過2400千米/時後換用衝壓發動機，到達大氣層邊緣時再用火箭發動機加速入軌。

英國正在研製的「雲霄塔」空天飛機概念圖（圖片來源：spacenews.com）

除起飛方式不同外，空天飛機和太空梭還存在諸多差異。比如，太空梭只能部分重複使用，而空天飛機除消耗推進劑外，卻可全部重複使用，因而發射費用只有前者的十分之一。空天飛機的作戰用途更為廣泛，起降時受氣象、地理等因素影響較小，既可巡航太空，又可喬裝成偵察機、殲擊機、轟炸機等各類戰機，這些都是太空梭難以望其項背的。

科技樹為啥難點亮？

儘管空天飛機優點多多，但迄今為止，它仍只存在於設想與試驗階段，世界上還沒有一架實用的空天飛機。即使是媒體口中風頭正盛的「X-37B」，嚴格來說也只是一款迷你版的太空梭，並非真正的空天飛機。

「X-37B」基本結構及數據，其由運載火箭發射，嚴格而言是迷你版的太空梭（圖片來源：搜狐網）

其實，近幾十年來，人類在空天飛機的研製上沒少花功夫。美國曾於上世紀80年代推行過「國家空天飛機計劃」，當時雖研製出「X-30」等試驗機型，但苦於無法攻克關鍵的發動機技術，最終無奈下馬。英、德等國也曾有各自的空天飛機計劃，後來也紛紛折戟。空天飛機的科技樹為何如此難以點亮呢？

各國空天飛機概念圖（圖片來源：黃志澄新浪博客）

空天飛機面臨的技術瓶頸非常多，其中首要的就是動力問題。空天飛機要實現跨大氣層飛行，速度必須從零加速至25馬赫（即25倍音速），因而必須具備強大的心臟——發動機。然而，常規的吸氣式發動機只能在馬赫數小於3.5的條件下工作，衝壓發動機在馬赫數超過6之後效率也會急劇下降，想要實現更大馬赫數的飛行，必須研製新型發動機。一個解決方法是採用超音速燃燒衝壓發動機，其可在超音速氣流中燃燒，燃燒效率及推力都比常規衝壓發動機高。不過，美國科學家對此研究了數十年，依然無法弄清楚馬赫數大於10後氣流流動的基本物理過程。此外，由於空天飛機採用了吸氣式發動機、衝壓發動機及火箭發動機，如何將它們組合在一起也是一件十分棘手的技術難題。

英國「雲霄塔」空天飛機所採用的發動機（圖片來源：spacenews.com）

在氣動設計方面，空天飛機同樣面臨著巨大挑戰。我們平素看到的飛機常將發動機吊在機翼下，但空天飛機為減小阻力以適應高速飛行，必須採用高度流線化的外形，因此發動機需與機身合併。合併後的一大難題就是如何保證發動機的進氣道與噴管能隨飛行速度變化而變化，既能使低速飛行時有足夠的推力，又要降低高速飛行時的油耗。不過，即使你能設計出來，還面臨另一大難題：難以實驗驗證。風洞實驗是驗證氣動設計的重要手段，不幸的是，人們目前尚無能力製造橫跨25馬赫的風洞。

除了以上提到的兩點，空天飛機要解決的關鍵問題還很多。例如，每當進出大氣層時，空天飛機都會與大氣劇烈摩擦，機頭溫度高達2700℃以上，即使是太空梭上用的防熱材料也無法長時間承受這種折磨。空天飛機在起降過程中會受到多重複雜載荷的作用，其穩定與控制問題相當複雜，解決起來亦極為困難。對於人類來說，空天飛機的研製道路依舊十分漫長。

參考文獻：

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