空天飛機很任性 美歐空天飛機是怎麼流產的

“雲霄塔”空天飛機（圖片來源：北京日報）

德國兩級空天飛機“桑格爾”示意圖（圖片來源：北京日報）

　英國“霍托爾”在軌飛行示意圖（圖片來源：北京日報）

　　近來，網絡上有很多關於中國空天飛機的討論。那麼，中國是否有研制空天飛機的計劃？世界各國研制空天飛機都做了哪些努力？技術上的困難又在什麼地方？

　　什麼是空天飛機？

　　早在美國航天飛機投入使用不久的20世紀80年代，航天專家就開始構思空天飛機的方案了。空天飛機全稱叫航空航天飛機，是航空飛機和航天飛機的“混血兒”，因為它同時裝有航空發動機和火箭發動機，所以在大氣層內飛行時可像普通飛機一樣在跑道上起飛，用航空發動機提供動力，按航空飛機方式飛行和操縱﹔在大氣層外飛行時則由火箭發動機提供動力，按航天器方式飛行和操縱。

　　這樣做的好處是，它在大氣層內飛行時可用空氣中的氧做氧化劑，因而能大大減少整個飛機的氧化劑裝載量，使飛機的質量和體積大大減少，由此降低成本。此外，由於它可像普通飛機一樣完全重復使用，且能水平起飛，水平降落，這樣就省去垂直發射所需的復雜設備。

　　有很多媒體將美國發射的X-37B稱為空天飛機，這是不准確的。因為X-37B的發射方式和航天飛機一樣，依靠火箭發動機進行垂直發射，所以它是一種小型航天飛機，而不能算空天飛機。

　　由於這一設想看起來很美，想航空就航空，想航天就航天，所以曾在20世紀80年代紅極一時，有不少國家提出了多種空天飛機的方案，其中最有名的當屬英國“霍托爾”、美國“東方快車”單級空天飛機方案和德國 “桑格爾”雙級空天飛機方案。不過，因為空天飛機的技術十分復雜，以致於在研制過程中這些空天飛機工程又都紛紛下馬了。這是為什麼呢？

　　“霍托爾”遭流產

　　英國“霍托爾”空天飛機外形和普通飛機基本一樣，可完全重復使用。它採用4台吸氣式噴氣發動機和液氫-液氧火箭發動機的組合動力裝置。起飛時吸氣式噴氣發動機首先啟動，速度達到馬赫數5、高度為26千米時停止工作，這時火箭發動機啟動，直至進入200千米高的近地軌道。

　　“霍托爾”空天飛機的概念是1982年10月英國宇航公司提出的。“霍托爾”從倫敦飛到悉尼隻需45分鐘，所以能為未來的高超音速民航機提供必要的技術儲備。“霍托爾”的起飛方式不同於美國航天飛機，也不同於普通飛機。它採用火箭發射車輔助，採用這種起飛方式可降低起飛重量達70噸。

　　發動機是“霍托爾”最關鍵技術，原定採用羅·羅公司設計的RB545吸氣式氫氧發動機，它是高度先進的單一機體式發動機，總重2.5噸，兼有噴氣發動機和火箭發動機的功能和優點，有兩種工作狀態：空氣噴氣發動機工作狀態和液氫-液氧發動機工作狀態。但經過幾年的詳細研究，英國宇航公司和羅·羅公司都感到，無論從經費上還是從技術上，都無力獨立承擔“霍托爾”的研制開發工作。加之國際形勢的變化和世界航天發展方向的改變，最終於1988年決定放棄“霍托爾”計劃。

　　不過在1991年10月的第42屆國際宇航聯合會會議上，英國宇航公司又報告了英國與蘇聯合作研究的新“霍托爾”空天飛機方案的設想。新 “霍托爾”方案採用雙級發射方式，即用蘇聯安-225大型運輸機作為第1級把“霍托爾”馱運到高空，然后分離，“霍托爾”靠自身安裝的俄羅斯氫氧火箭發動機進入太空。其結構形式簡單得多，也可行得多，技術風險小。但該方案后來也杳無音信。

　　“東方快車”夭折

　　美國“東方快車”空天飛機的方案與英國的類似，最大特點是以超音速燃燒沖壓發動機為主發動機，是航空、航天兩用運輸系統。

　　1986年2月4日，裡根總統向美國國會發表國情咨文，此時正是挑戰者號航天飛機悲慘事故發生的一周之后。裡根總統強調，他繼續支持美國的載人航天計劃，包括航天飛機計劃和已經提出的永久性載人空間站計劃。同時，他還批准了國家空天飛機計劃 （俗稱新的東方快車計劃）。裡根說：“我們計劃研究新的‘東方快車’，它能從杜勒斯機場起飛，加速到25倍音速后進入地球軌道，或在2小時內飛抵東京。”裡根的講話標志著美國官方的空天飛機計劃正式開始。

　　這種飛行器原定有三大用途：高性能軍用飛機﹔高速民航飛機﹔空間運輸系統。東方快車計劃的第一期目標是研制兩架X-30試驗型飛機，它能夠在跑道上水平起飛，加速到入軌速度，然后返回大氣層並水平著陸。

　　雖然美國國會和政府原計劃在1990年底做出決定是否研制X-30全尺寸試驗機，但由於技術、經費和政治等方面的原因，決策時間一推再推，直到1993年夏，美國決定放棄X-30試驗機計劃，並將東方快車計劃調整。后來，東方快車計劃也不了了之。

　　“桑格爾”兩級方案不了了之

　　德國空天飛機的方案叫“桑格爾”，它採用兩級入軌方式。其第1級是一架大型超音速航空飛機。第2級是軌道器，類似於美國航天飛機軌道器，但要自帶液氫-液氧。

　　1985年，西德為謀求在歐洲空間運載技術方面的領先地位，經過近一年的研究論証，提出了一種比英國“霍托爾”冒險性小的空天飛機方案，以作為歐洲當時研制的“赫爾墨斯”航天飛機（后來中途下馬了）的后繼型。為了紀念航天飛機的先驅者歐根·桑格爾，西德把這一方案定名為“桑格爾”空天飛機。1986年6月，西德向歐洲航天局提交了該方案，希望作為與英國“霍托爾”方案競爭的另一個可供選擇的方案。

　　“桑格爾”空天飛機的飛行過程是：馱運飛機把軌道器推進到30千米高，速度達到馬赫6后，兩者分離。馱運飛機返回地面著陸。軌道器在自身的液氫-液氧發動機推進下，繼續爬升，直到進入402千米的近地軌道。在完成軌道飛行任務后，“桑格爾”軌道器像美國航天飛機軌道器那樣再入大氣層並水平著陸。按設想，“桑格爾”航天飛機返場休整時間隻需幾天。

　　德國曾計劃在2006年進行“桑格爾”全尺寸機首次飛行。但后來由於歐洲載人航天戰略和統一后的德國對宇航投資的態度發生了很大變化，“桑格爾”也中止研制了。

　　能否東山再起

　　然而，空天飛機並沒有因此消失。比如，英國就一直不甘心放棄“霍托爾”，曾參與“霍托爾”研制的3名工程師於1989年成立了英國噴氣發動機公司，低調實施名為“雲霄塔”的空天飛機計劃。“雲霄塔”是根據“霍托爾”水平起降概念設計而成，繼承並應用了“霍托爾”項目已取得的成果，但是在整體結構、機體以及發動機等方面進行了大量的技術創新，並於1995年完成了初步方案設計工作。

　　近年，“雲霄塔”的研制實現了重大突破，成功測試了“雲霄塔”空天飛機的發動機。“雲霄塔”在大氣層內飛行時，其上的發動機能將氫與空氣混合燃燒﹔出了大氣層以后，可將氫與液氧混合燃燒。所以，“雲霄塔”被認為是實現人類太空旅行夢想的航天器。

　　不過，從目前來看，由於空天飛機技術太復雜，因此在當代科技水平的條件下，“雲霄塔”是否能研制出來還很難說。

　　此外，美國私人公司為英國維珍銀河公司研制的太空船1號/白騎士1號兩級亞軌道空天飛機取得了成功，目前正研制用於亞軌道旅游的太空船1號/白騎士1號亞軌道空天飛機。

　　延伸閱讀

　　我國提出了自己的空天飛機計劃

　　今年，中國航天科工集團提出了“騰雲工程”計劃，計劃在2030年完成空天飛機技術驗証試飛。按照設想，空天飛機可從地面機場水平起飛，在大氣層中加速爬升﹔到達30-40千米高度時一二級分離，一級水平著陸返回﹔二級繼續爬升進入近地軌道，完成運輸任務后再入大氣層返回，具有廉價、安全、便捷、機動等優勢。

　　無獨有偶，中國航天科技集團公司今年也宣布開始研制組合動力飛行器。根據設計，它在起飛時會使用普通飛機所配備的渦輪發動機，當飛行器達到一定速度后，再使用適應高速飛行的沖壓發動機進行沖刺，最后在大氣稀薄的地方點燃火箭發動機，實現入軌。通過多種發動機“各司其職”，在距離地面幾十千米的大氣層以內，組合動力飛行器利用氧氣就可以完成飛行，進入太空之后，再使用不依賴空氣的火箭發動機，這樣就大大降低了進入太空的成本，未來它將主要應用於距離地球幾十千米到幾百千米的太空飛行。其實，它也是空天飛機。