『每日軍事武器鑑賞』－ X-30「東方特快車」國家航太機

克里斯Chris

但是，經過幾年的研究分析，科學家們發規，過去的估計過於樂觀。實際上。上述三條途徑知易而行難。需要解決的關鍵技術難度決非短時間內能突破，這些關鍵技術有：

．新構思的吸氣式發動機

　　因為，空天飛機的飛行範圍為從大氣層內到大氣層外，速度從0到M=25，如此大的跨度和工作環境變化是目前現有的所有單一類型的發動機都不可能勝任的，從而也就使為空天飛機研製全新的發動機成為整個項目的關鍵。

　　眾所周知，噴氣式發動機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，且實用速度較小；而火箭發動機自帶氧化劑，可以工作在大氣層內外，使用速度範圍較廣，但攜帶的氧化劑較笨重，比衝小。目前設想的空天飛機的動力一般為採用超音速燃燒衝壓發動機+火箭發動機或渦輪噴氣+衝壓噴氣+火箭發動機的組合動力方式。但超燃衝壓發動機的研製上存在相當多的技術問題，而多種發動機的組合方式又使結構變得過於複雜和不可靠。

2．計算空氣動力學分析

　　穿梭機返回再入大氣層的空氣動力學問題，曾經耗費了科學家們多年的心血，作了約10萬小時的風洞試驗。空天飛機的空氣動力學問題比穿梭機複雜得多。因為飛機速度變化大，馬赫數從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；返回再入大氣層時下行時間長，穿梭機只有十幾分鐘，空天飛機則為l～2小時。

　　解決空氣動力學問題的基本手段是風洞。目前，就連美國也不具備馬赫數可以跨越這樣大範圍的試驗風洞。即使有了風洞還需要作上百萬小時的試驗，那意味著就是晝夜不停地試驗，也需要花費100多年的時間。於是，只能求助於計算機，用計算方法來解決，而對那維爾斯托克斯方程的求解目前尚存在，許多理論上和計算速度上的問題。

3．發動機和機身一體化設計

　　當空天飛機以6倍於音速以上的速度在大氣層中飛行時，空氣阻力將急劇上升，所以其外形必須高度流線化。亞音速飛機常採用的翼吊式發動機已不能使用．需要將發動機與機身合併，以構成高度流線化的整體外形。即讓前機身容納發動機吸人空氣的進氣道，讓後機身容納發動機排氣的噴管。這就叫做“發動機與機身一體化”。

　　在一體化設計中，最複雜的是要使進氣道與排氣噴管的幾何形狀，能隨飛行速度的變化而變化，以便調節進氣量，使發動機在低速時能產生額定推力，而在高速時又可降低耗油量，還要保證進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，能經受住高速氣流和氣動力熱的作用，這樣才不致發生明顯變形，才可多次重復使用。

4．防熱結構與材料

　　空天飛機需要多次出人大氣層，每次都會由於與空氣的劇烈摩擦而產生大量氣動加熱，特別是以高超音速返回再入大氣層時，氣動加熱會使其表面達到極高的溫度。機頭處溫度約為1800攝氏度，機翼和尾翼前緣溫度約為1460攝氏度，機身下表面約為980攝氏度，上表面約為760攝氏度。因此，必須有一個重量輕、性能好、能重復使用的防熱系統。

　　空天飛機在起飛上升階段要經受發動機的衝擊力、振動、空氣動力等的作用，在返回再入階段要經受顫振、科振、起落架擺振等的作用。在這種情況下，防熱系統既要保持良好的氣動外形，又要能長期重復使用，維護方便，所以其技術難度是相當大的。

　　目前的穿梭機，由於受氣動加熱的時間短，表面覆蓋氧化硅防熱瓦即可達到滿意的防熱效果，但對空天飛機則遠遠不夠。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，否則會影響重復使用。一個較簡單的解決辦法是在機頭、機翼前緣等局部高溫區，使用傳熱效率特別高的吸熱管來吸熱，以便把熱量轉移到溫度較低的部位。更好的辦法是採用主動式冷卻防熱系統，也就是把機體結構與防熱系統一體化，即把機體結構設計成夾層式或管道式，讓推進劑在夾層內或管道內流動，使它吸走空氣對結構外表面摩擦所生成的熱量。

　　為了滿足空天飛機的防熱要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工藝製造純度很高、質量很輕的耐高溫合金。美國已研製出高速固化鈦硼合金，它在高溫下的強度可達到目前使用的鈦合金在室溫下的強度，這種合金適宜用來製造機身內層結構骨架。

　　機頭與機翼等溫度最高的部位，要求採用碳複合材料，這種複合材料表面有碳化矽涂層，重量輕，耐高溫性能好。此外，還需要研究金屬基複合材料，例如碳化矽纖維增強的鈦複合材料等。這種材料應該兼有碳化矽的耐高溫性能，又具有鈦合金的高強度特性。

　　空天飛機技術難度大，所需投資多，研製週期長，所以將來進入全尺寸樣機研製，勢必也會象空間站那樣採取國際合作的方式。