冲击大气层

理想与现实

地球引力和大气层是主要天然屏障，阻挡人类飞入太空的理想。人们一直在设想一种既能在大气层内飞行，又能在大气层外的太空航行，水平起飞、水平降落的新型航天器。这种能跨越大气层的飞机就是航空航天飞机，简称“空天飞机”。

航天飞机的下一代将是空天飞机。空天飞机将不再使用液氧或液氢作为燃料，不再象航天飞机一样使用火箭垂直起飞，而是像普通飞机一样从跑道上水平起飞，水平降落。这种理想的空天飞机既能在大气层内飞行，也能像航天飞机一样在太空围绕地球的近地轨道飞行，将飞机、运载器、航天器的功能集为一体，能自由出入大气层。根据空天飞机的特点，空气动力学与大气层的关系决定成败。

空天飞机按飞行高度和轨道分为轨道空天飞机、亚轨道空天飞机；按是否载人分为无人空天飞机、载人空天飞机。最初的空天飞机应该装备火箭发动机，利用火箭发动机的巨大推力进入太空，以求能够提供更短的起飞和更高的加速。

轨道空天飞机能在高空大气层外进行超高声速飞行、能围绕地球飞行。轨道空天飞机的速度极快，进出大气层时将产生高动压、高温，特别是空天飞机表面的高热流，达2000℃～2500℃以上。这些负载通常需要特殊的热保护材料或主动冷却系统。

亚轨道空天飞机的最高速度低于一般典型的轨道飞行器，速度不快因此就不需要大量的热保护。英国维珍公司的“太空船”已经进行过亚轨道飞行，成为太空探险的典范，为太空旅游开辟了航线。

空天飞机的优越性能和功能为人类提供方便快捷的进出太空。在军事上，空天飞机可作为全球高超声速运输、洲际轰炸和战略侦察，又可作为航天运载工具或太空武器，成为新一代的攻击和防御力量。

为了飞上太空，空天飞机按目前技术一般装备了3套发动机。起飞时使用喷气发动机，像普通飞机一样从地面水平起飞；在高度30千米以上达到5～6倍声速时，使用脉冲爆震冲压喷气发动机；在90千米左右高度时达到25倍声速，使用火箭发动机进入太空轨道。返回时使用空气喷气发动机，像普通飞机一样水平着陆。当然，如果需要的话，空天飞机也可在大气层内做洲际飞行。

空天飞机的技术难度比航天飞机更大，主要是三种发动机的组合与转换，高强度、耐高温的材料和具有人工智能的控制系统等，此外还要满足在大气层内外飞行对机体的不同要求。

空天飞机在使用脉冲爆震喷气发动机时，发动机留给地面人员的是一连串的爆炸声。装有脉冲爆震发动机的飞机飞过高空，机身后留下的是一个个串联起来的气团，而不像一般的喷气飞机的尾气仅仅是一溜青烟。

在大气层边缘进行高速飞行时，空天飞机的机头前面的温度将近2800℃，机翼前面接近2000℃，机身下面也可达1200℃以上，从下方看去很像一个“火球”在天上飞行。而这种飞机很可能已经进行了绝密的试验飞行。据说，有一次美军一架“黑乌”侦察机正在以3倍声速进行巡航，突然发现一个大火球从天而降，飞快的超过了他们的飞机。飞行员很是惊奇：我们已经是世界上飞得最快、最高的飞机，这个东西居然比我们飞的更快。等这架“黑乌”落地后，飞行员们想向长官描述刚才看见的景象，长官说：“你们好像什么也没看见过。我也没有听见过，对吧？”飞行员们愣了一会，才回答说：“是，我们好像什么也没有看见过，长官。”

飞入另一个空间

按照人类目前的技术水平，空天飞机是最理想的航天器，但空天飞机面临的难题很多。空天飞机要突破大气层，结构、材料、热防护、冷却、燃料、航电、导航等等成百上千个难题等待攻克和验证，最主要的还是动力，采用什么水平的动力系统，决定了空天飞机能飞多高飞多快。

按照目前技术，空天飞机升空方式有一级起飞和二级起飞。

一级起飞是指空天飞机从普通机场起飞，突破大气层进入太空，围绕地球飞行，再从普通机场降落的飞机。一级起飞的空天飞机一般装备三套发动机。一套喷气发动机用于起降和空中飞行；一套冲压喷气发动机用于突破地球引力，提升高度；一套火箭发动机用于进入太空飞行。目前人们观念中的“真正”的空天飞机是一级起飞方式。

二级起飞是指空天飞机搭载在另一架大型专用运输机上，从普通机场起飞。当大型运输机到达一定的高度，空天飞机从运输机上释放，利用已有的高度和速度进行“二次起飞”，并突破大气层进入太空，然后从普通机场降落。二级起飞方式的飞机并非真正意义上的空天飞机，它一般只有两套发动机，但其本身产生的动力水平达不到冲出大气层的要求。

空天飞机不再依靠运载火箭搭载，改变了人类进入太空的模式，它不会像火箭那样当空爆炸，并可重复起飞，安全性大大提高，使人们能更自由地出入大气层。

太空航行的一小步

“蜀道难，难于上青天”，这是中国古代诗人发出的艰难的感叹。现在，上青天已经不是问题了，而上太空又成为人类很难逾越的难题，绝不亚于古人的上青天。按照人类目前的技术水平，空天飞机是最理想的航天器，但空天飞机面临的难题很多。

首先，空天飞机的速度变化大，从大气层内到大气层外，速度从0到25马赫，这是一般的的发动机都不可能胜任的。超声速冲压式喷气发动机，有许多技术上的挑战。由于超声速冲压式喷气发动机，只能在高空稀薄的大气层中工作，而且工作时的速度必须超过声速好几倍，所以当飞机在起飞和降落时还得借助传统的喷气式发动机。由于太空中没有氧气，空天飞机必须要携带液氧在太空中使用。

第二，空天飞机的飞行高度变化大。空天飞机从地面到几百千米高的太空，十几分钟时间要突破音障、克服超重、冲出卡门线、进入太空。返回时，再人大气层的降落时间长。航天飞机只有十几分钟，空天飞机为1～2小时。

第三，高度流线型的外形。当空天飞机以6倍于音速以上的速度在大气层中飞行时，空气阻力将急剧上升。所以，空天飞机需要将发动机与机身合并，必须有高度流线型的外形。让前机身容纳发动机吸入空气的进气道，让后机身容纳发动机排气的喷管。这叫做发动机与机身一体化。

第四，空天飞机必须有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。空天飞机需要多次出人大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量热量。特别是返回再入大气层时，高超声速与大气层产生剧烈摩擦，飞机表面达到2000℃以上的高温。往往像一个火球一样闯出大气层。

美国宇航局正在开发一种铪或者锆硼化物的陶瓷材料。这种材料也许可以帮助航天器抵御再人大气层时的高温。这些材料可以经受2800℃的高温，但是却十分易碎而且笨重，因此目前科学家正在研究怎样提高防热又要减少重量的好方法。

前进两步，后退一步

冷战时期，美国为了在太空竞赛中夺得制胜权，秘密制定“动力翱翔”计划。“动力翱翔”计划就是研发一种可以执行多种太空任务，包括侦察、轰炸、空间营救、施放卫星、维修卫星和攻击敌人卫星的航天器。

“动力翱翔”计划分为两大部分：X-20太空飞机和“大力神”号运载火箭。它们采用1+1的组合方式。“土星”号运载火箭负责发射和运载，X-20太空飞机负责太空作战任务：当时“土星”号运载火箭具有前所未有的爆发力，而X-20也是前所未有的最先进的太空飞机。5年里，美国波音公司设计了三种组合的“动力翱翔”航天系统：X-20与“大力-1”系统：X-20与“大力神-2”系统和X-20与“大力神-3C”系统。最后，美国空军决定应用X-20与“土星-3C”系统。

X-20太空飞机是一种载人太空轰炸机，头部呈圆拱形，无尾三角翼，机翼后掠72°，翼尖上折充当垂直安定面，可以超过5马赫的高超声速飞行。“X-20”的框架和机身上部由特种合金制成：机身下部由经过隔热处理的多层钼箔制成：机鼻尖锥由耐高温的石墨和氧化锆制成。

X-20太空飞机乘坐1名宇航员，长度10，77米，翼展6.34米，空重4715千克，最大起飞重量5165千克，采用一台火箭发动机，推力323千牛。X-20性能十分优越：最高速度28165千米/时，地球轨道运行时航程为40700千米，实-用升限160千米。

“大力神-3C”火箭运载爆发力超强，负责运送X-20太空飞机。“大力神3C”火箭运载是在“大力神-2”改进后升级版火箭，可选用2枚或多枚固体火箭助推器。“大力神3C”经常代表美国空军发射重型卫星，主要用于发射美国军事载荷和情报机构的侦察卫星，以及各种系列的国防通信卫星。“大力神3C”火箭运载发射X-20太空飞机时不用整流罩保护，在分离时简单方便。X-20外面挂有耐高温的防热层，因为在火箭头部是产生气动热量最多的部分。

X-20太空飞机的灵感来源于二战期间纳粹德国的亚轨道轰炸机“银乌”。在美国的“回纹针”行动中，德国科学家瓦尔特·多恩伯格林来到美国。他模仿“银乌”计划，提出“超声速滑翔火箭武器系统”。一名乘员坐在机舱里，后面是仪器舱。仪器舱包括各种探测器、武器和侦察仪器，或者是一个能载4个人的舱室。

X-20太空飞机将会被“大力神-3C”送过卡门线，而其第三级火箭会将X-20送入太空轨道。X-20在低轨道飞行时，飞的不是圆形的轨道，而是一条高低起伏的波浪形轨道。

当“X-20”到达轨道最高点时，就按抛物线沿着地球方向下降：再入大气层时，飞机保持高超声速，机翼仍能产生很高的升力，经过引力加速后再次飞出大气层。如此循环往复，直到最终失去高度和动力。这种方法能使飞机飞很远，能到达世界上任何地方：同时飞得高从而很难被截击。X-20飞机飞行、作战和降落，都由航天员操纵。

1957年10月24日，X-20太空飞机计划开始实施。美国空军委托贝尔、波音、道格拉斯、马丁、北美、共和和洛克希德等公司研究“X-20”，共分为三步：1，试验机，无人飞行：2，侦察机，绕地球1圈：3，在侦察机的基础上加上轰炸能力的太空飞机，绕地球1圈以上。

1960年4月，美国空军秘密挑选7名飞行员，培养为X-20太空飞机的试飞员和航天员，其中包括后来第一位登上月球的尼尔·阿姆斯特朗。

这里有一个有趣的传闻：一天，当时身为美国空军试飞员的阿姆斯特朗正气愤地大骂长官不让他参加新飞机的试飞，而那位长官刚好来到阿姆斯特朗的身后，他正要从这些试飞员中挑选一名航天员。长官安静地等阿姆斯特朗骂完，然后平静地问到：“骂完了吗？”阿姆斯特朗受此惊吓，甚至没有按规定向长官敬礼。

长官问：“你怕死吗？”

“有点怕，长官。”

“那你就去飞一种会死人，死后回不来的飞机。”

后来，阿姆斯特朗调到卡纳维拉尔角空军基地培训学习，1962年，正当尼尔·阿姆斯特朗准备试飞太空飞机时，却被秘密分配到美国宇航局，参加“阿波罗”登月计划。

美国空军原来预定进行10次试飞，1963年X-20首次滑翔飞行：1964年，动力飞行，速度计划达到18马赫；1968年，X-20多功能武器系统开始测试。按计划，X-20太空飞机都将从佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射。

设想很先进，理论很正确，但美国空军遇到很多麻烦：空间力学、火箭的安全性、宇航员的承受力、令人质疑的实用性和已经花费了6，6亿美元巨资，因此美国空军很难说这是一个最好的计划。最终，1963年12月10日，X-20计划被宣布终止，X-20也从没飞上天，但却成为航天飞机研制的“先行者”。“动力翱翔”计划中的数据和试验极大地帮助了航天飞机的设计。航天飞机继承了X-20太空飞机的高贵血统和先进理念。

1960年～1980年代以来，美、苏、法、英、德、日、以色列和印度等国家，都曾制定过空天飞机研制计划。因为空天飞机能飞入太空，能围绕地球进行洲际飞行，所以，很容易应用在军事上。如果一架空天飞机携带了几枚核弹头，成天在各个国家的头顶上飞来飞去，这能吓住所有地球人。许多国家都想先拥有空天飞机。各国悄悄研制空天飞机已成为公开的秘密。

空天飞机技术难度和资金短缺，各国的空天飞机计划很少进展。原来设想“一步登天”，从机场起飞，直接飞上太空。科学家发现航天技术还达不到这样高的水平，试验结果事与愿违，就实事求是地知难而退，只能前进两步，后退一步。

科学家研究用2种方法升空，一种还是用火箭作为运载工具，像航天飞机一样趴在火箭上，或者坐在运载火箭的头顶上升空。最终由于这种载人航天器还是要搭载火箭起飞，不是真正的空天飞机，而且技术复杂困难重重。这些计划先后都中止了。

因此，现在都在研究采用“二级起飞”方法：先由大型飞机驮至高空，然后从飞机上起飞进入太空。虽然这种载人航天器不能一次升空，但至少是水平起飞水平降落，这样离真正意义上的空天飞机反而更近了一点。

能飞多远就多远

人类能飞多远？茫茫宇宙的奥秘永无穷尽，对宇宙的探索也永无止境。人类在一百年的时间内，了解了宇宙航行的基本知识，实现了冲出地球的能力。人类像一个幼儿，已经学会了站立和走路，离开跑步还远吗？

现在，世界许多国家的宇航专家都在研究各种快速、安全、可重复的航天器。到2008年，十多种空天飞机正在研制、试飞、验证中，美国的空天飞机已经飞上了太空、长时间飞行，甚至连英国维珍公司等私人研制的飞机，已经飞出卡门线。

未来10年，人类的航天技术将有重大突破。随着科技的进步和新型材料的出现，人们希望利用核聚变技术的核动力发动机，一次将空天飞机送上太空。空天飞机将十分简便地穿梭于天地之间，如同坐飞机一样安全方便。总有一天，人类会发现、创造出更先进的动力，不会像现在以千米作为飞行的单位，而是以光年作为飞行的单位。人类将会不断超越自我，越飞越远。

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