空天飛機(jī)是既能航空又能航天的新型飛行器。它像普通飛機(jī)一樣起飛，以高超音速在大氣層內(nèi)飛行，在30～100公里高空的飛行速度為12～25倍音速，并直接加速進(jìn)入地球軌道，成為航天飛行器，返回大氣層后，像飛機(jī)一樣在機(jī)場(chǎng)著陸。在此之前，航空和航天是兩個(gè)不同的技術(shù)領(lǐng)域，由飛機(jī)和航天飛行器分別在大氣層內(nèi)、外活動(dòng)，航空運(yùn)輸系統(tǒng)是重復(fù)使用的，航天運(yùn)載系統(tǒng)一般是不能重復(fù)使用的。而空天飛機(jī)能夠達(dá)到完全重復(fù)使用和大幅度降低航天運(yùn)輸費(fèi)用的目的。

空天飛機(jī)能自由往返于天地之間，凡是航天飛機(jī)能干的事，它幾乎都能勝任。它可以把大的衛(wèi)星送入地球軌道，一次投放多顆衛(wèi)星更是它的拿手活兒；它能對(duì)在軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星進(jìn)行維修或回收，當(dāng)然也可以對(duì)敵國的衛(wèi)星實(shí)施破壞，甚至收為己有；它能向空間站運(yùn)送或接回宇航員和各種物資；更重要的是它還能執(zhí)行各種諸如攔截、偵察和轟炸等軍事任務(wù)，成為頗具威力的空天兵器。

空天飛機(jī)飛行速度很快，便于實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的快速客運(yùn)，地球上任何兩個(gè)城市間的飛行時(shí)間都用不了2個(gè)小時(shí)。美國設(shè)計(jì)的一種空天飛機(jī)，乘客305人，可在32公里高度和1.2萬公里航程內(nèi)巡航，其巡航速度高達(dá)5馬赫數(shù)。盡管航天飛機(jī)比起一次使用的運(yùn)載火箭前進(jìn)了一大步，但仍有諸如故障頻繁，費(fèi)用昂貴等許多不足。而空天飛機(jī)與航天飛機(jī)不同，它的地面設(shè)施簡(jiǎn)單，維護(hù)使用方便，cao作費(fèi)用低，在普通的大型機(jī)場(chǎng)上就能水平起飛和降落，具有一般航線班機(jī)的飛行頻率。這種飛機(jī)的外型與大型客機(jī)相似，更多地具有飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。它以液氫為燃料，在大氣層飛行時(shí)，充分利用大氣中的氧氣。加之它可以上百次的重復(fù)使用，真正實(shí)現(xiàn)了高效能和低費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)估算，用它發(fā)射近地衛(wèi)星費(fèi)用只有航天飛機(jī)的1/5，而發(fā)射地球同步衛(wèi)星費(fèi)用則可減少一半。這使空天飛機(jī)在即將到來的空間商務(wù)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

60年代初空天飛機(jī)(17張)，就有人對(duì)空天飛機(jī)作過一些探索性試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)它被稱為“跨大氣層飛行器”。由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件相差太遠(yuǎn)，且應(yīng)用需求不明確，因而中途夭折；80年代中期，在美國的“阿爾法”號(hào)永久性空間站計(jì)劃的刺激下，一些國家對(duì)發(fā)展載人航天事業(yè)的熱情普遍高漲，積極參加“阿爾法”號(hào)空間站的建造。據(jù)估計(jì)，空間站建成后，為了開發(fā)和利用太空資源。向空間站運(yùn)送人員、物資和器材等任務(wù)每年將達(dá)到數(shù)千次之多。這些任務(wù)如果用一次性運(yùn)載火箭、載人飛船或航天飛機(jī)來完成，那么一年的運(yùn)輸費(fèi)用將達(dá)到上百億美元。為了尋求一種經(jīng)濟(jì)的天地往返運(yùn)或系統(tǒng)，美、英、德、法、日等國紛紛推出了可重復(fù)使用的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)方案。

1986年，美國提出研制代號(hào)為x－30的完全重復(fù)使用的單級(jí)水平起陣的“國家航空航天飛機(jī)”，其特點(diǎn)是采用組合式超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。英國提出了一種名叫“霍托爾”（或譯“霍托克”，意為“水平起落航空航天飛機(jī)”）的單級(jí)水平起降空天飛機(jī)，其特點(diǎn)是采用一種全新的空氣液化循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。90年代，他們又提出了一個(gè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，開發(fā)費(fèi)用低的新方案。德國則提出兩級(jí)水平起降空天飛機(jī)“桑格爾”，第一級(jí)實(shí)際上相當(dāng)于一架超音速運(yùn)輸機(jī)，第二級(jí)是以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的有翼飛行器。兩級(jí)都能分別水平著陸。法國和日本也提出過自己的空天飛機(jī)設(shè)想。

80年代末，這股空天飛機(jī)熱達(dá)到高潮。也激起了中國航空航天專家的很大興趣。

美國空軍的x－37b空天飛機(jī)原型機(jī)“軌道試驗(yàn)飛行器1號(hào)”將于2010年4月上演處女航。[1]

美國東部時(shí)間22日19時(shí)52分（北京時(shí)間23日7時(shí)52分），人類首架空天飛機(jī)x－37b搭乘“阿特拉斯－5”型運(yùn)載火箭發(fā)射升空。按計(jì)劃，x－37b最多可在太空持續(xù)飛行270天

發(fā)展空天飛機(jī)的主要目的是想降低空天之間的運(yùn)輸費(fèi)用。其途徑歸納起來主要有三條：一是充分利用大氣層中的氧，以減少飛行器攜帶的氧化劑，從而減輕起飛重量；二是整個(gè)飛行器全部重復(fù)使用，除消耗推進(jìn)劑外不拋棄任何部件；三是水平起飛，水平降落，簡(jiǎn)化起飛（發(fā)射）和降落（返回）所需的場(chǎng)地設(shè)施和cao作程序，減少維修費(fèi)用。

但是，經(jīng)過幾年的研究分析，科學(xué)家們發(fā)規(guī)，過去的估計(jì)過于樂觀。實(shí)際上。上述三條途徑知易而行難。需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難度決非短時(shí)間內(nèi)能突破，這些關(guān)鍵技術(shù)有：

1、新構(gòu)思的吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)

因?yàn)?，空天飛機(jī)的飛行范圍為從大氣層內(nèi)到大氣層外，速度從0到m=25，如此大的跨度和工作環(huán)境變化是目前現(xiàn)有的所有單一類型的發(fā)動(dòng)機(jī)都不可能勝任的，從而也就使為空天飛機(jī)研制全新的發(fā)動(dòng)機(jī)成為整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵。

眾所周知，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)需要在大氣層中吸入空氣，無需攜帶氧化劑，但無法在大氣層外工作，且實(shí)用速度較小；而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自帶氧化劑，可以工作在大氣層內(nèi)外，使用速度范圍較廣，但攜帶的氧化劑較笨重，比沖小。目前設(shè)想的空天飛機(jī)的動(dòng)力一般為采用超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪噴氣沖壓噴氣火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的組合動(dòng)力方式。但超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研制上存在相當(dāng)多的技術(shù)問題，而多種發(fā)動(dòng)機(jī)的組合方式又使結(jié)構(gòu)變得過于復(fù)雜和不可靠。

2、計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)分析

航天飛機(jī)返回再入大氣層的空氣動(dòng)力學(xué)問題，曾經(jīng)耗費(fèi)了科學(xué)家們多年的心血，作了約10萬小時(shí)的風(fēng)洞試驗(yàn)。空天飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)問題比航天飛機(jī)復(fù)雜得多。因?yàn)轱w機(jī)速度變化大，馬赫數(shù)從0變化到25；飛行高度變化大，從地面到幾百公里高的外層空間；返回再入大氣層時(shí)下行時(shí)間長(zhǎng)，航天飛機(jī)只有十幾分鐘，空天飛機(jī)則為l～2小時(shí)。

解決空氣動(dòng)力學(xué)問題的基本手段是風(fēng)洞。目前，就連美國也不具備馬赫數(shù)可以跨越這樣大范圍的試驗(yàn)風(fēng)洞。即使有了風(fēng)洞還需要作上百萬小時(shí)的試驗(yàn)，那意味著就是晝夜不停地試驗(yàn)，也需要花費(fèi)100多年的時(shí)間。于是，只能求助于計(jì)算機(jī)，用計(jì)算方法來解決，而對(duì)那維爾斯托克斯方程的求解目前尚存在許多理論上和計(jì)算速度上的問題。

3、發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身一體化設(shè)計(jì)

空天飛機(jī)里安裝了空氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)三類發(fā)動(dòng)機(jī)。空氣渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以使空天飛機(jī)水平起飛。當(dāng)時(shí)速超過2400公里時(shí)，就使用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，它使空天飛機(jī)在離地面60公里的大氣層內(nèi)以每小時(shí)近3萬公里的速度飛行。如果再用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)加速，空天飛機(jī)就沖出大氣層，像航天飛機(jī)一樣，直接進(jìn)入太空

當(dāng)空天飛機(jī)以6倍于音速以上的速度在大氣層中飛行時(shí)，空氣阻力將急劇上升，所以其外形必須高度流線化。亞音速飛機(jī)常采用的翼吊式發(fā)動(dòng)機(jī)已不能使用.需要將發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身合并，以構(gòu)成高度流線化的整體外形。即讓前機(jī)身容納發(fā)動(dòng)機(jī)吸人空氣的進(jìn)氣道，讓后機(jī)身容納發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的噴管。這就叫做“發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身一體化”。

在一體化設(shè)計(jì)中，最復(fù)雜的是要使進(jìn)氣道與排氣噴管的幾何形狀，能隨飛行速度的變化而變化，以便調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)能產(chǎn)生額定推力，而在高速時(shí)又可降低耗油量，還要保證進(jìn)氣道有足夠的剛度和耐高溫性能，以使它在返回再入大氣層的過程中，能經(jīng)受住高速氣流和氣動(dòng)力熱的作用，這樣才不致發(fā)生明顯變形，才可多次重復(fù)使用。

4、防熱結(jié)構(gòu)與材料

空天飛機(jī)需要多次出人大氣層，每次都會(huì)由于與空氣的劇烈摩擦而產(chǎn)生大量氣動(dòng)加熱，特別是以高超音速返回再入大氣層時(shí)，氣動(dòng)加熱會(huì)使其表面達(dá)到極高的溫度。機(jī)頭處溫度約為1800c，機(jī)翼和尾翼前緣溫度約為1460c，機(jī)身下表面約為980c，上表面約為760c。因此，必須有一個(gè)重量輕、性能好、能重復(fù)使用的防熱系統(tǒng)。

空天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料要求很高。在飛行時(shí)，它頭部和機(jī)翼前緣的表面溫度可達(dá)2760c。這樣，像航天飛機(jī)上的防熱瓦塊式外衣，就不再適用了。科學(xué)家們研制了一種新型復(fù)合材料來代替，并且在一些特殊部位采用新型冷卻裝置，避免了高溫的傷害。

空天飛機(jī)在起飛上升階段要經(jīng)受發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊力、振動(dòng)、空氣動(dòng)力等的作用，在返回再入階段要經(jīng)受顫振、科振、起落架擺振等的作用。在這種情況下，防熱系統(tǒng)既要保持良好的氣動(dòng)外形，又要能長(zhǎng)期重復(fù)使用，維護(hù)方便，所以其技術(shù)難度是相當(dāng)大的。

目前的航天飛機(jī)，由于受氣動(dòng)加熱的時(shí)間短，表面覆蓋氧化硅防熱瓦即可達(dá)到滿意的防熱效果，但對(duì)空天飛機(jī)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如果單靠增加防熱層厚度來解決問題，則將使重量大大增加，而且防熱層還不能被燒壞，否則會(huì)影響重復(fù)使用。一個(gè)較簡(jiǎn)單的解決辦法是在機(jī)頭、機(jī)翼前緣等局部高溫區(qū)，使用傳熱效率特別高的吸熱管來吸熱，以便把熱量轉(zhuǎn)移到溫度較低的部位。更好的辦法是采用主動(dòng)式冷卻防熱系統(tǒng)，也就是把機(jī)體結(jié)構(gòu)與防熱系統(tǒng)一體化，即把機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成夾層式或管道式，讓推進(jìn)劑在夾層內(nèi)或管道內(nèi)流動(dòng)，使它吸走空氣對(duì)結(jié)構(gòu)外表面摩擦所生成的熱量。

為了滿足空天飛機(jī)的防熱要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工藝制造純度很高、質(zhì)量很輕的耐高溫合金。美國已研制出高速固化鈦硼合金，它在高溫下的強(qiáng)度可達(dá)到目前使用的鈦合金在室溫下的強(qiáng)度，這種合金適宜用來制造機(jī)身內(nèi)層結(jié)構(gòu)骨架。

機(jī)頭與機(jī)翼等溫度最高的部位，要求采用碳復(fù)合材料，這種復(fù)合材料表面有碳化硅涂層，重量輕，耐高溫性能好。此外，還需要研究金屬基復(fù)合材料，例如碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦復(fù)合材料等。這種材料應(yīng)該兼有碳化硅的耐高溫性能，又具有鈦合金的高強(qiáng)度特性。

空天飛機(jī)技術(shù)難度大，所需投資多，研制周期長(zhǎng)，所以將來進(jìn)入全尺寸樣機(jī)研制，勢(shì)必也會(huì)象空間站那樣采取國際合作的方式。

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