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“高边疆”是近些年来一个很时髦的概念,指大气层边缘到近地轨道范围内的空间,这一空间范围因具有极高的军事利用价值而成为各国军事竞争的新方向。近日,中国航天科技集团的一项新技术使得中国的“高边疆”有了新的安全保障。按照该集团的报道,目前中国首款“组合动力飞行器”已经开始研制。从概念上看,这款飞行器采用常规起降,并可在近地轨道飞行,因此属于一种新型的空天飞机。

一个也不能少,中国空天飞机项目曝光组合飞行将成为选择图注:NASA空天飞机项目

空天飞机是一种非常特殊的飞行器。这种飞行器可以认为是飞机的一种,但同时也属于航天器,属于一种打破大气层内外界限的理想状态的飞行器。空天飞机虽然外观上与航天飞机有相似之处,但升空阶段不依赖助推火箭,而是可以与普通飞机一样依靠自身动力常规起降。在大气层内飞行时,空天飞机可以以13到24马赫左右的高超音速飞行,在爬升到100千米左右的大气层边缘时直接加速进入地球轨道并以航天器方式运行,任务执行完毕后则可像航天飞机一样依靠自身动力重返大气层并在机场着陆。相比于运载火箭和航天飞机,空天飞机最明显的优势在于全部系统都可以循环使用,因此使用空天飞机进行航天发射可以大幅降低综合成本。同时,空天飞机可以使用经过改造后的普通军民用机场起降,因此在部署和运用上灵活性更高。

空天飞机的概念始于上世纪60年代初。当时,美国空军提出了“跨大气层飞行器”概念,这成为目前空天飞机的雏形,但由于当时技术和经济条件无法支持空天飞机的研发,同时因使用方面无法明确定位而最终只停留在计划之中。相比之下,前苏联在同一时期发展步伐更大一些。以研发战斗机而闻名于世的米高扬·格列维奇设计局,在这一时期设计了代号“螺旋”的空天飞机计划,1965年起获得批准正式开始研发。“螺旋”计划的特点是采用发射载机、助推火箭和轨道飞行器分体设计,但除了代号米格-105的轨道飞行器模型进行过试飞外,“螺旋”计划事实上没有完成发展。

进入上世纪80年代中期之后,空天飞机又有了新的发展。在美国提出建立“阿尔法”号国际空间站的计划之后,一些国家开始考虑发展可在地球和空间站之间反复使用的运输工具,这为空天飞机的发展注入了生机。这一时期提出的空天飞机方案包括美国的合式冲压喷气发动机动力X-30“国家航空航天飞机”方案、英国的空气液化循环发动机动力“水平起落航空航天飞机”方案、德国的超音速运运载平台火箭发动机动力轨道飞行器组合的“桑格尔”方案。此外,法国和日本也提出过空天飞机设计,不过上述国家都没有最终付诸实践。

而这一时期,发展空天飞机的热潮也影响到了中国。根据目前公开的资料,1963年“863”计划提出之后,中国载人航天工程被提上议事日程。当时,国内就发展何种形式的载人航天器有着不同意见,其中便有过对发展空天飞机可行性的探讨。从方案上看,当时中国选择的空天飞机方案类似德国的“桑格尔”,同样采用了载机平台 轨道航天器的分体式设计,这证明当时中国在发展空天飞机方面具有一定的前瞻性。但由于当时的国家综合实力难以支持如此高难度的飞行器的研发,最终中国载人航天工程选择了较为保守的载人飞船方案,也即目前的“神舟”系列飞船和“长征”2F运载火箭的组合。

一个也不能少,中国空天飞机项目曝光组合飞行将成为选择

图注:“863”计划中提出的各个载人航天器方案,其中最为激进的便是空天飞机。限于当时中国综合国力水平,最终选择了比较保守的载人飞船

然而,中国事实上始终没有放弃发展空天飞机的努力。2007年,国内网络上开始流传名为“神龙”的空天飞机模型的照片,照片上显示该模型被挂载于轰-6的机身下方,应该是在进行自由飞测试。由于“神龙”的外观非常类似同期美国正在进行试验的X-37B轨道飞行器,该飞行器的曝光被认为是中国正在研发空天飞机的证据。随后,2011年1月8日,国内某电视媒体在新闻中播出了“我国跨大气层飞行器试飞成功”的画面,这证明当时“神龙”已经成功进行过验证飞行。很显然,经过多年发展,中国的空天飞机应该已经取得了一定的进展,将中国的空天飞机送上太空已经不再遥不可及。

而从近期披露的“组合动力飞行器”的特征来看,该飞行器事实上可以看做是上世纪80年代以来中国空天飞机技术积累的结果。“组合动力飞行器”沿用了“863”计划时代设想的载机与轨道飞行器分体式布局,而其轨道飞行器从外观上看与“神龙”十分类似,这证明了中国空天飞机发展上的继承性。“组合动力飞行器”在设计上的特点是将涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机集成到同一飞行器当中,在飞行的不同阶段使用不同的发动机。具体而言,该飞行器在起飞阶段使用涡轮发动机推动升空,随后在爬升到一定高度并达到一定速度后再开启冲压发动机进行加速,上升至大气层边缘时点燃火箭发动机将轨道飞行器送入预定轨道。这套动力系统以冲压发动机为基础,因在大气层内飞行时全程使用氧气作为氧化剂而具有可行性。

一个也不能少,中国空天飞机项目曝光组合飞行将成为选择

图注:“组合动力飞行器”的方案示意图。从设计上来看,该机事实上是中国空天飞机技术传承的结果

虽然说起来很简单,然而由于不同发动机的工作特性、工作环境差异很大,加之飞行器本身也要适应不同空域下的不同自然条件,事实上“组合动力飞行器”在设计上难度极高。美国的HTV项目计划在最终状态的HTV-3上采用涡轮与冲压发动机的组合动力系统,但迄今为止连无动力的HTV-2在试验中都遭遇了反复失败,该类飞行器的设计难度可想而知。为此,“组合动力飞行器”的设计方中国航天科技集团一院研发中心的副总研究师张永表示,目前该中心计划在3到5年内掌握此类飞行器的关键性技术,随后将攻克其应用过程中的问题,并实现该动力系统及飞行器在性能上的跃升。预计到2030年前后,“组合动力飞行器”将实现实用化,介时中国在开发利用近地空间、保障空间安全方面将实现突破。

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