世界空天飛機發展概況

導讀：空天飛機，即兼具航空與航天的新型飛行器，可根據不同的需求，在大氣層和衛星軌道上靈活機動。它比普通戰鬥機飛得更高、更快，而比彈道更加靈活且能重複使用，能在戰爭一爆發就「即時打擊」，將是未來戰爭中可與航空母艦媲美的強力殺傷性武器，軍事方面的顯著優勢使其必將成為各大航天強國爭奪制天權與空間優勢的戰略武器平台。

目前世界各國空天飛機主要處於研究與驗證階段，主要在研項目包括美國的X-37空天飛機，英國的Skylon空天飛機，印度的RLV-TD空天飛機和中國「騰雲」工程的空天飛機。其他國家沒有完整的空天飛機研製計劃。

1.美國X-37試驗機

X-37試驗機為一種可重複使用空天飛機，又稱軌道試驗飛行器（Orbital Test Vehicle），該空天飛機研製計劃的總計劃Future-X於1996年由NASA提出，1999年X-37試驗機項目由美國波音公司（The Boeing Company）接手，進行X-37試驗機的研究製造。

X-37空天飛機結構

X-37在起飛時需要以火箭搭載或大型飛機投放升空，其耐熱能力能抵受穿越大氣層時所產生的熱力，並且在太空上連續飛行一年以上。在回程時，X-37能夠像一般飛機一樣使用飛行跑道降落，還能在結束任務時自動返回地面，被視為是未來「太空戰鬥機」的雛形。X-37的最高速度能達到音速的25倍以上，常規軍用雷達技術無法捕捉。

X-37B空天飛機

目前X-37試驗機共發展出3個規劃型號，分別為X-37A、X-37B和X-37C。X-37A為試驗初期的型號，以高純度過氧化氫和JP-8煤油作為推進劑，用於使用高空飛機從高空投放後測試自主著陸能力。X-37A在2005至2006年間共進行過4次無動力投放試驗，至少有一次成功著陸。X-37C是2011年美國波音公司計劃在X-37B的基礎上增大180%體積的載人型號，使用波音CST-100乘員艙可以容納多達六名宇航員和更多的貨物。

X-37B空天飛機近照

2006年，美國空軍宣布以X-37A為基礎發展X-37B。目前，美國空軍共擁有兩架X-37B試驗機，第一個原型用於大氣測試，而第二個原型用於支持無障礙發射。

X-37B主要參數及性能

資料來源：調研整理

X-37B採用了新一代防熱材料，滿足重返大氣層的需要。X-37B主體結構使用輕質複合材料結構，機翼前緣採用了新一代耐高溫材料——強化單體纖維抗氧化陶瓷（TUFROC）瓦，能夠承受再入大氣層時1650攝氏度以上的高溫，其性能超過太空梭前緣使用的碳/碳材料。X-37B還採用了強化單體纖維隔熱（TUFI）瓦、先進的共形可重複使用防熱（CRI）氈等新型防熱材料。

X-37B太空運行構想圖

自2010年起，X-37B試驗機共進行了5次軌道飛行任務，其中4次已經完成，1次仍在進行。第6次軌道飛行任務計劃於2019年11月進行。

圖表：X-37B進行的軌道任務

資料來源：調研整理

計劃中測試的技術主要包括先進的制導，導航和控制，熱保護系統，航空電子設備，高溫結構和密封，保形可重複使用的絕緣材料，輕型機電飛行系統，先進的推進系統，先進的材料和自主軌道飛行，再入和著陸。

OTV-4測試的技術包括收集從在空間環境中操作的霍爾推進器對及軌道器施加的推力，以及NASA的METIS（材料和太空技術創新）實驗，將近100種不同的材料樣品暴露在太空環境中超過200天。

地面上觀測到的X-37B OTV-5運行圖

關於OTV-5所測試的技術，官方公布的少量信息中包括結構嵌入式散熱器（ASETS-11），它由美國空軍研究實驗室（AFRL）研製，用於在太空環境中長期測試實驗電子設備和振蕩熱管。根據AFRL透露，三個主要科學目標是測量初始在軌熱性能、測量長期熱性能以及評估任何壽命退化。

2.英國「雲霄塔」Skylon空天飛機

英國最早的空天飛機項目為1985年英國宇航公司和羅爾斯-羅伊斯公司共同提出的「霍托爾」方案。而後「雲霄塔」項目繼承了其項目的研究技術和成果，並於1989年由當時新成立的英國噴氣發動機公司（REL）承擔了項目的研究。

Skylon空天飛機

「雲霄塔」空天飛機在技術應用上有多種創新，包括：標誌性的單級入軌；採用吸氣/火箭混合動力發動機方案，使用兩台SABRE 4雙模式發動機；獨特的半殼式結構的機身設計；創新的冷卻技術；新型的噴管工藝。

它設計採用碳化硅增強鈦空間框架，這是種輕巧堅固的結構，可以支撐鋁質燃料箱的重量，外層附著陶瓷皮。多層鈦箔隔熱層夾在外殼和框架之間，保護Skylon內部免受高超音速飛行的熱量和重新入軌的極高熱量。

圖表：「雲霄塔」空天飛機的主要參數

資料來源：調研整理

雲霄塔飛機目前面臨著極大的技術難題，主要包括：熱交換預冷系統；燃燒室的冷卻；尾噴口受熱脹冷縮的困難；零部件的可靠性，需要重複使用。攻克這些難題需要投入大量的精力。最樂觀的估計要到2025年才能實現首飛。

Skylon空天飛機飛行概念圖

SABRE發動機是Skylon空天飛機的核心。SABRE是一種高超音速混合動力發動機，具有吸氣式發動機和火箭發動機兩種工作模式。當速度低於5馬赫時，它可以像傳統噴氣式飛機一樣工作；當達到高超音速時，它轉換成燃燒氫氣和液氧的純火箭發動機，可實現高達25馬赫的速度。

SABRE發動機

SABRE的技術關鍵是革命性的預冷器，該預冷器的研究進行了20年。在接近5馬赫的速度下，即使是最好的金屬合金也會軟化和融化；而在高超音速下，進入Sabre引擎的空氣的力量是5級颶風的25倍，熱量就像從切割炬中噴射出來的一樣，因此進入發動機的空氣需要大幅冷卻。預冷器通過一系列超輕型熱交換器，可以使1000℃的高溫氣體在1/100秒內冷卻到-150℃，保護髮動機在接近高超音速時免受熔化。

SABRE發動機的構成

3.印度RLV-TD空天飛機

早在2001年印度空間研究組織（ISRO）已經提出了研製可重複使用的太空梭計劃，不過當時印度航天的重點還是普通的運載火箭和應用衛星，無法在太空梭上投入太大精力，只能進行一系列技術研究和驗證。

2006年，ISRO在地面風洞中對可回收太空梭的氣動進行了一系列風洞試驗和計算模擬，最終選定了類似美國X-37B空天飛機的外形。無論從氣動布局還是回收方式來看，RLV-TD都與美國的X-37B空天飛機極為相似。

RLV-TD空天飛機

RLV-TD採用飛機式長6.5米，採用常規氣動布局，包括三角翼、大角度V形尾翼，外形上更像一架縮小的太空梭。它通過火箭運載、垂直點火發射，火箭進入外層空間後，RLV-TD與運載器分離，釋放軌道器，軌道器依靠渦輪衝壓噴氣發動機提供動力，飛行時先吸進大氣層中的空氣，然後將氧氣分離出來並將其液化儲存，供大氣層外的後續飛行使用；在降落時，RLV-TD可像常規飛機一樣在跑道上滑跑降落。

RLV-TD空天飛機進行發射前準備

RLV-TD最早計劃2009年進行首次飛行試驗，不過由於技術問題不得不推遲。作為一個優先順序較低的技術驗證項目，2010年印度GSLV火箭國產氫氧發動機故障而發射失敗後，大量人力物力又被抽調優先保證低溫氫氧發動機的成功，更嚴重影響了RLV-TD的研製進度。RLV-TD研製中還增加了一項重要的「鐵鳥」試驗，用於模擬驗證機的實際飛行狀態，檢驗印度自行研製的導航制導和飛行控制設備的可行性和可靠性。

RLV-TD空天飛機進行發射試驗

2016年5月23日上午，印度航天研究組織ISRO在印度安得拉邦斯里哈里科塔展開了印度首架自行研製的空天飛機技術驗證機——RLV-TD（可重複使用運載驗證器）的首次飛行試驗。其主要任務為：驗證未來可重複使用的太空梭的相關技術，主要是熱防護和飛行控制技術。試驗過程中，運載火箭共工作了91秒時間，隨後與RLV-TD分離，此時高度約為48公里。RLV-TD分離後，依靠慣性繼續上升到65公里的高度，RLV-TD飛行器無動力自由滑翔13秒後然後向下高速滑行，期間RLV-TD的最高速度為5.5馬赫，整個飛行過程持續約770秒，著陸時未進行自主回收滑跑降落試驗。

4.中國空天飛機項目

近年來，航天科工開展了「飛雲、快雲、行雲、虹雲、騰雲」的航天工程，與「高速飛行列車」工程一起，形成「五雲一車」的商業航天新格局。

其中，最為關鍵「騰雲工程」屬於空天往返飛行項目，將突破以組合動力、機體/推進一體化技術為代表的核心技術，建成空天飛行器技術綜合研究體系。其中以研製空天往返飛行器為主。計劃在2020年前完成聯合發動機的技術驗證飛行試驗，2025年完成關鍵技術的攻關，2030年前實現空天飛機的技術驗證試飛。

「騰雲」工程空天飛機模型

在2017年的全球航天探索大會上，中國航天科工集團展示「騰雲工程」，其主要目標是：在2030年之前，設計並製造完成中國首架可水平起飛、水平著陸並且可以多次重複使用的空天往返飛行器。

小結

空天飛機雖然現在更多的還只是初步構想與試驗階段，可其在未來的軍事潛能讓人無法停下對它的探索。空天飛機的技術難度比太空梭更大，一些國家或許在空天飛機技術上更為領先，但仍未達到預期的設計要求。目前高超音速與空天飛行技術正處於發展的十字路口，各國都在努力地鑽研。

主要參考資料

1、英國_雲霄塔_空天飛機的最新進展_康開華

2、英國_雲霄塔_空天飛機揭秘_單文傑

3、英國空天飛機雲霄塔的總體方案設計及任務需求分析_鄧帆

4、淺析空天飛機在未來的軍事作用_趙愷之

5、美國有望在2018年進行試驗型空天飛機的首飛_鄭權

6、美國的X_37B太空梭秘密飛行做了什麼_李洪興

7、空天飛機_全球即時打擊武器_楊先碧

8、SKYLON飛行器與SABRE發動機研究_牛文

9、Reaction Engines Ltd. The Big-gest Breakthrough in Propulsion Since the Jet Engine．

10、Roger Longstaff, Alan Bond. The SKYLON Project. AIAA

11、Mark Hempsell, Roger Longstaff. SKYLON Users Manual. Reaction Engines Limited

文章來源：高端裝備發展研究中心

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