作者：王颂
《兵器知识》2008年第3期
编者按：2007年末，空军航空兵某师一架轰炸机携带我国新一代跨大气层飞行器验证机的照片首次现身互联网，引发国内外热评。虽然我们无法辨别该照片的真伪，但中华民族的确需要早日拥有世界{yl}的可重复使用航天运载器系统。本文将介绍跨大气层飞行器的一些知识和在该领域世界{dy}的美国的一些相关项目和经验教训。
升力体与“钱学森弹道”
航天飞机和现在大部分可重复使用运载器的前身是一种外形奇怪的气动布局方案——升力体。
升力体的设计思想是由美国的艾格尔斯和阿伦两位科学家于1957年在美国航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心从事弹道导弹弹头再入问题研究时偶然发现的。试验中，艾格尔斯注意到钝头锥形体耗散再入能量的速度要比尖头锥体快。更重要的是，他观察到锥形体上表面的平坦部分在穿过地球大气时可以产生升力，并增加气动稳定性。这一发现意味着，可以造出一种具有最坚固、最充分防热外形的三角形无翼飞行器，在再入大气层的过程中承受气动加热，并利用自身的升力滑翔减速，带着航天员安全着陆于目标机场。
1957年10月14日，美国考虑研制一种小型的太空飞行“助推-滑翔”飞行器，由“大力神”运载火箭和载人飞行器两部分组成。计划由运载火箭将滑翔飞行器助推到大气层边缘，在分离后由滑翔飞行器实现亚轨道或轨道飞行。“助推- 滑翔”式弹道，早在上世纪40年代末由伟大的华人科学家钱学森教授提出。这种前段为弹道式，后段为飞航式滑行的弹道也称为“钱学森弹道”。后来一些半弹道式再入航天器或升力体式航天器的再入弹道的基本设计思想，均来源于“钱学森弹道”。
然而，一方面由于技术难度大备受美国国会的争议。另一方面，当时美国人认为载人航天竞争可以靠飞船，洲际核打击可以靠弹道导弹，航天侦察则可以靠卫星，因此“助推-滑翔”方案中的滑翔飞行器最终被降格为 NASA的X-20试验机。
上世纪六七十年代，美国人研制了包括M2、HL-10、X-24A、X-24B在内的多种型号升力体验证机，挂载在经过改装的 B-52机翼下方，高空投放后验证其飞行特性，用于摸索和验证升力体这种特殊气动布局的安全飞行和着陆能力。
美国研制的这些升力体为日后航天飞机、跨大气层飞行器的研制打下了坚实的基础。可以说跨大气层飞行之梦，是升力体及“钱学森弹道”在引路。
跨大气层之梦
如果说“升力体”是一种实现手段，那么成为跨大气层飞行器是这些型号发展的目的。
所谓的跨大气层飞行器，是指能在大气层上界与低轨道之间，以折合海平面标准音速25倍左右的速度巡航或机动飞行，并再入返回地面机场完成着陆，可重复使用的载人航空航天飞行器。
空天飞机和航天飞机同属跨大气层飞行器。其不同之处在于：空天飞机可以在大气层内进行动力飞行，并且可以在地面机场上依靠吸气式发动机进行起降；航天飞机只能由运载火箭助推发射升空，且再入大气层后不能复飞。相对于只能部分重复利用的航天飞机，空天飞机所有部分均可以重复使用，优势明显。
可以实现快速入轨的高超音速跨大气层飞行器能成为具有重大战略意义的武器装备。跨大气层飞行器首先通过助推的方式进入空间轨道，从空间高速接近目标，然后脱离轨道并发射武器，再进入空间轨道。
早在1933年，德国的桑格尔博士就提出了代号“银鸟”的高空有翼火箭飞行器设计方案。这种飞行器能在地面轨道加速起飞，依靠火箭发动机的强大推力爬升至160千米左右的高度，依靠自身翼面在稀薄和稠密大气层的边缘“打水漂”，进行再入跳跃式弹道飞行。在另外一种第三帝国疯狂的设计中，二级入轨，进行轨道机动和乘波飞行的火箭／运载器方案同样令美国人震惊不已。由于在稀薄大气中飞行阻力很小，这种再入机动飞行的轨道飞行器将拥有洲际飞行、轻松抵达全球任何地区的能力，一旦实现，其政治、军事意义不言而喻。
跨大气层飞行器的研制需要解决的关键技术很多，诸如高超音速技术、长距离空天飞行技术、可重复使用动力技术、轨道优化技术、超轻质量、超强韧、耐高温结构和材料技术、xx制导与导航技术和可靠性保障技术等都需要整个国家的科研、工业体系的支撑。
单极入轨的迷茫
单级入轨的概念是相对于以往的三级运载火箭和两级入轨的概念而提出的。
总体来说，两级入轨方案比单级入轨风险低。在具体设计中，两级和单级共同之处是都使用组合式发动机，上升段轨迹相似，关键的设计在于发动机-机体一体化。不同之处则在两者的结构设计、推进系统、气动力布局和使用等方面。
首先，单级入轨运载器的有效载荷对结构重量的变化很敏感，假若有效载荷为运载器空重的10%，则结构重量上升10％就能抵消掉这本已可怜的有效载荷。而两级入轨运载器中的第二级则具有很大的优势，当结构重量增加时，可以通过增加{dy}级火箭发动机的推力来弥补。
其次，单级入轨方案为了能在大于马赫数6的环境下发动机仍具有较大的比冲，必须采用超燃冲压发动机和其它形式发动机的组合搭配方案，目前超燃冲压发动机技术尚不成熟。而两级入轨方案的第二级则可以采用组合吸气式发动机，发动机研制的风险和压力相对较小。
再次，在相同的起飞重量下，两级方案比单级方案阻力系数大很多，需要更大的推力，而且两级的分离也是一个技术瓶颈。为了使第二级在分离后接近弹道式轨道，需要使{dy}级火箭在分离时处于头部高仰的姿态，因此如何实现有效分离需要经过精心的设计和计算。
{zh1}在使用上，单级入轨运载器可以整体回收，使用方便。而两级方案则在选择发射地点和入轨轨道方面有更大的灵活性。但是无论是单级入轨还是两级入轨，若是要求运载器具有一定的巡航能力，则必然影响入轨的有效载荷。
1995年初，美国再次提出了可重复使用运载器（RLV）的发展计划，研制以火箭发动机为动力的单级入轨运载器。当时美国三家公司提出了三种单级入轨火箭方案：麦道公司的垂直起降的“三角快帆”，罗克韦尔公司的垂直起飞、水平着陆方案，洛马公司的垂直起飞、水平降落X-33 升力体方案。
X-33方案最终中标，获得进一步的发展。X-33样机长21米，以采用线性气动塞式喷管、石墨复合材料液氢燃料箱和整体的金属防热系统为主要技术特征。为了尽可能地降低X-33的风险，美国还制定了X-34试验计划，用于验证所需的风险较大的技术。但是由于X-33发生了液氢燃料箱质量不过关的事故，加之遇到政治和经济方面的问题，小布什政府投入巨资用于研制和部署导弹防御系统，X-33/X-34方案最终难逃下马厄运。
无论是xx还是民用，美国对单级入轨运载器的需求定位一直处于“模棱两可”的尴尬地位，这种在明确任务需求问题上的优柔寡断是导致美国众多跨大气层、可重复使用运载器方案曾出不穷，却没有一个能修成正果的原因之一。拿单级入轨运载器来说，从前人们认为单级入轨飞行器是成本相对较低的一种方案，但是现在这种说法遭到质疑。经过计算，未来市场的需求还远达不到能使现有的单级入轨运载器体现出自身价值优势的发射频率和信誉度积累。此外，技术难题也成为单级入轨航天器发展的另一只拦路虎。在美国的跨大气层、单级入轨运载器方案计划中，普遍采用了风险很大的超燃冲压发动机技术，这项技术直到现在仍处于验证和试车阶段。这种发动机在飞行器达到高超音速之前无法启动，必须依靠火箭发动机进行前期加速。
从航天飞机到单级入轨运载器，空天飞机之间的技术跨度很大，且技术继承性不足，这种跳跃式发展在经济和政治因素的综合作用下必然困难重重。在单级入轨运载器最初的三个竞争方案中，罗克韦尔公司的方案风险最小，但是NASA还是选择了性能{zy}，但同时风险{zd0}的洛马公司方案。它的塞式喷管发动机、复合材抖的液氢箱和金属防热技术都需要攻关，而这种攻关不仅仅是理论上的计算，更是一系列昂贵和风险很大的飞行和地面试验。
美国可重复使用航天运载器在用途上可分为商用、xx和NASA空间科研试验（包括载人航天）用三个方面。依托可重复使用航天器，还可以衍生出多种概念的天地往返运载工具。美国没有很好地将这三方面的需求进行统筹考虑，导致走了不少重复建设的弯路。
空间机动飞行器的威胁
空间作战飞行器（SOV）是一种能够快速发射的可重复使用跨大气层运载器，可将上面级送入低地轨道，或仅使上面级达到亚轨道速度作为多功能的航天发射、作战、侦察平台，它不仅可以进行天地间的往返运输和维护卫星等空间系统，还可以摧毁敌方空间系统、拦截弹道导弹、对敌方领土实施天地打击。SOV的上面级，即空间机动飞行器（SMV）。
与洲际弹道导弹相比，空间作战飞行器由于可以重复使用，因此可以大大降低成本。此外这种具有应急发射能力的可复用运载器还可以作为高能激光武器、遥感模块和通信卫星模块的有效载具，在SMV进入轨道后具有留轨待命（X-37的设计预留轨时间为l年）和轨道间变轨机动的能力。
SMV尺寸小，机动灵活，且轨道载荷安置具有高度的互换性和模块性，非常适合执行多类非常规航天任务。如临战突击发射、快速填补卫星星座空缺、快速部署SMV轨道飞行战术编队、空间物体识别与监视和自方天基系统伴飞保障等。
从当前发展趋势来看，空间作战飞行器近期目标是实现基于运载火箭地面垂直发射，或基于飞机空射的两级入轨，远期目标是依靠自身动力的单级入轨。美国空军航天司令部计划在2008年正式启动空间作战飞行器的研制，并力争在2014年实现系统的首飞试验。之前美国研制的各型可复用运载器跨大气层飞行器以及X-43等高超音速飞行器方案，所有取得的成果都将集中服务于空间作战飞行器的研制。
早在1998年美国就推出了X-37空间机动飞行器关键技术的演示验证机。该机被定义为一种可执行机动轨道侦察任务、可监查战场态势，必要时可摧毁对美国军事行动具有威胁的目标的空间飞行器。如果说X-33和X-43尚存一点“民用”的伪装，那么X-37试验机“太空武器”的意图是赤裸裸的。
X-37是一种轨道和再入环境技术无人验证机，采用全复合材料机体结构，发射质，5443千克，长8.38米，分为两个试验飞行器：进场与着陆试验飞行器（ALTV）和轨道飞行器（OV）。前者主要负责验证进场、着陆和再入飞行操作性能，另外还负责验证远程综合飞行指挥控制中心，靶场和飞行器气动试验。ALTV计划由B-52飞机带到14千米的高度进行投放。在ALTV的基础上，OV将在上升、入轨、再入大气层和着陆阶段的相关环境中验证关键技术，包括推进、先进制导、飞行与导航控制系统、防热系统、密封件等。此外OV还负责验证自主动力下的轨道飞行技术。设计留轨时间长达6个月。
1997年，波音公司为了验证空间机动飞行器实验机的自动着陆系统，还特意研制了代号X-40A的85％缩比试验器。2001年3月21日，X-40A由直升机投放并成功完成无动力滑翔飞行。
按照计划，未来成熟的空间机动飞行器将具有如下基本特征：单机可携带550千克左右的有效载荷模块；返场后不到72小时的再次升空准备能力；1年的留轨待命时间；能从轨道上快速xx或召回地面；3千米/秒的轨道机动能力。
美国空军在2004年2月发布的“美国空军转型飞行计划”中称，空间作战飞行器作为长期计划，将于2015年之后投入实际部署。空间作战飞行器真正开启了人类太空战时代的大门。纵观美国可重复使用航天运载器的发展历程，我们不难发现其50年来对于掌握制太空权的渴望。
《兵器知识》2008年第3期
编者按：2007年末，空军航空兵某师一架轰炸机携带我国新一代跨大气层飞行器验证机的照片首次现身互联网，引发国内外热评。虽然我们无法辨别该照片的真伪，但中华民族的确需要早日拥有世界{yl}的可重复使用航天运载器系统。本文将介绍跨大气层飞行器的一些知识和在该领域世界{dy}的美国的一些相关项目和经验教训。
升力体与“钱学森弹道”
航天飞机和现在大部分可重复使用运载器的前身是一种外形奇怪的气动布局方案——升力体。
升力体的设计思想是由美国的艾格尔斯和阿伦两位科学家于1957年在美国航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心从事弹道导弹弹头再入问题研究时偶然发现的。试验中，艾格尔斯注意到钝头锥形体耗散再入能量的速度要比尖头锥体快。更重要的是，他观察到锥形体上表面的平坦部分在穿过地球大气时可以产生升力，并增加气动稳定性。这一发现意味着，可以造出一种具有最坚固、最充分防热外形的三角形无翼飞行器，在再入大气层的过程中承受气动加热，并利用自身的升力滑翔减速，带着航天员安全着陆于目标机场。
1957年10月14日，美国考虑研制一种小型的太空飞行“助推-滑翔”飞行器，由“大力神”运载火箭和载人飞行器两部分组成。计划由运载火箭将滑翔飞行器助推到大气层边缘，在分离后由滑翔飞行器实现亚轨道或轨道飞行。“助推- 滑翔”式弹道，早在上世纪40年代末由伟大的华人科学家钱学森教授提出。这种前段为弹道式，后段为飞航式滑行的弹道也称为“钱学森弹道”。后来一些半弹道式再入航天器或升力体式航天器的再入弹道的基本设计思想，均来源于“钱学森弹道”。
然而，一方面由于技术难度大备受美国国会的争议。另一方面，当时美国人认为载人航天竞争可以靠飞船，洲际核打击可以靠弹道导弹，航天侦察则可以靠卫星，因此“助推-滑翔”方案中的滑翔飞行器最终被降格为 NASA的X-20试验机。
上世纪六七十年代，美国人研制了包括M2、HL-10、X-24A、X-24B在内的多种型号升力体验证机，挂载在经过改装的 B-52机翼下方，高空投放后验证其飞行特性，用于摸索和验证升力体这种特殊气动布局的安全飞行和着陆能力。
美国研制的这些升力体为日后航天飞机、跨大气层飞行器的研制打下了坚实的基础。可以说跨大气层飞行之梦，是升力体及“钱学森弹道”在引路。
跨大气层之梦
如果说“升力体”是一种实现手段，那么成为跨大气层飞行器是这些型号发展的目的。
所谓的跨大气层飞行器，是指能在大气层上界与低轨道之间，以折合海平面标准音速25倍左右的速度巡航或机动飞行，并再入返回地面机场完成着陆，可重复使用的载人航空航天飞行器。
空天飞机和航天飞机同属跨大气层飞行器。其不同之处在于：空天飞机可以在大气层内进行动力飞行，并且可以在地面机场上依靠吸气式发动机进行起降；航天飞机只能由运载火箭助推发射升空，且再入大气层后不能复飞。相对于只能部分重复利用的航天飞机，空天飞机所有部分均可以重复使用，优势明显。
可以实现快速入轨的高超音速跨大气层飞行器能成为具有重大战略意义的武器装备。跨大气层飞行器首先通过助推的方式进入空间轨道，从空间高速接近目标，然后脱离轨道并发射武器，再进入空间轨道。
早在1933年，德国的桑格尔博士就提出了代号“银鸟”的高空有翼火箭飞行器设计方案。这种飞行器能在地面轨道加速起飞，依靠火箭发动机的强大推力爬升至160千米左右的高度，依靠自身翼面在稀薄和稠密大气层的边缘“打水漂”，进行再入跳跃式弹道飞行。在另外一种第三帝国疯狂的设计中，二级入轨，进行轨道机动和乘波飞行的火箭／运载器方案同样令美国人震惊不已。由于在稀薄大气中飞行阻力很小，这种再入机动飞行的轨道飞行器将拥有洲际飞行、轻松抵达全球任何地区的能力，一旦实现，其政治、军事意义不言而喻。
跨大气层飞行器的研制需要解决的关键技术很多，诸如高超音速技术、长距离空天飞行技术、可重复使用动力技术、轨道优化技术、超轻质量、超强韧、耐高温结构和材料技术、xx制导与导航技术和可靠性保障技术等都需要整个国家的科研、工业体系的支撑。
单极入轨的迷茫
单级入轨的概念是相对于以往的三级运载火箭和两级入轨的概念而提出的。
总体来说，两级入轨方案比单级入轨风险低。在具体设计中，两级和单级共同之处是都使用组合式发动机，上升段轨迹相似，关键的设计在于发动机-机体一体化。不同之处则在两者的结构设计、推进系统、气动力布局和使用等方面。
首先，单级入轨运载器的有效载荷对结构重量的变化很敏感，假若有效载荷为运载器空重的10%，则结构重量上升10％就能抵消掉这本已可怜的有效载荷。而两级入轨运载器中的第二级则具有很大的优势，当结构重量增加时，可以通过增加{dy}级火箭发动机的推力来弥补。
其次，单级入轨方案为了能在大于马赫数6的环境下发动机仍具有较大的比冲，必须采用超燃冲压发动机和其它形式发动机的组合搭配方案，目前超燃冲压发动机技术尚不成熟。而两级入轨方案的第二级则可以采用组合吸气式发动机，发动机研制的风险和压力相对较小。
再次，在相同的起飞重量下，两级方案比单级方案阻力系数大很多，需要更大的推力，而且两级的分离也是一个技术瓶颈。为了使第二级在分离后接近弹道式轨道，需要使{dy}级火箭在分离时处于头部高仰的姿态，因此如何实现有效分离需要经过精心的设计和计算。
{zh1}在使用上，单级入轨运载器可以整体回收，使用方便。而两级方案则在选择发射地点和入轨轨道方面有更大的灵活性。但是无论是单级入轨还是两级入轨，若是要求运载器具有一定的巡航能力，则必然影响入轨的有效载荷。
1995年初，美国再次提出了可重复使用运载器（RLV）的发展计划，研制以火箭发动机为动力的单级入轨运载器。当时美国三家公司提出了三种单级入轨火箭方案：麦道公司的垂直起降的“三角快帆”，罗克韦尔公司的垂直起飞、水平着陆方案，洛马公司的垂直起飞、水平降落X-33 升力体方案。
X-33方案最终中标，获得进一步的发展。X-33样机长21米，以采用线性气动塞式喷管、石墨复合材料液氢燃料箱和整体的金属防热系统为主要技术特征。为了尽可能地降低X-33的风险，美国还制定了X-34试验计划，用于验证所需的风险较大的技术。但是由于X-33发生了液氢燃料箱质量不过关的事故，加之遇到政治和经济方面的问题，小布什政府投入巨资用于研制和部署导弹防御系统，X-33/X-34方案最终难逃下马厄运。
无论是xx还是民用，美国对单级入轨运载器的需求定位一直处于“模棱两可”的尴尬地位，这种在明确任务需求问题上的优柔寡断是导致美国众多跨大气层、可重复使用运载器方案曾出不穷，却没有一个能修成正果的原因之一。拿单级入轨运载器来说，从前人们认为单级入轨飞行器是成本相对较低的一种方案，但是现在这种说法遭到质疑。经过计算，未来市场的需求还远达不到能使现有的单级入轨运载器体现出自身价值优势的发射频率和信誉度积累。此外，技术难题也成为单级入轨航天器发展的另一只拦路虎。在美国的跨大气层、单级入轨运载器方案计划中，普遍采用了风险很大的超燃冲压发动机技术，这项技术直到现在仍处于验证和试车阶段。这种发动机在飞行器达到高超音速之前无法启动，必须依靠火箭发动机进行前期加速。
从航天飞机到单级入轨运载器，空天飞机之间的技术跨度很大，且技术继承性不足，这种跳跃式发展在经济和政治因素的综合作用下必然困难重重。在单级入轨运载器最初的三个竞争方案中，罗克韦尔公司的方案风险最小，但是NASA还是选择了性能{zy}，但同时风险{zd0}的洛马公司方案。它的塞式喷管发动机、复合材抖的液氢箱和金属防热技术都需要攻关，而这种攻关不仅仅是理论上的计算，更是一系列昂贵和风险很大的飞行和地面试验。
美国可重复使用航天运载器在用途上可分为商用、xx和NASA空间科研试验（包括载人航天）用三个方面。依托可重复使用航天器，还可以衍生出多种概念的天地往返运载工具。美国没有很好地将这三方面的需求进行统筹考虑，导致走了不少重复建设的弯路。
空间机动飞行器的威胁
空间作战飞行器（SOV）是一种能够快速发射的可重复使用跨大气层运载器，可将上面级送入低地轨道，或仅使上面级达到亚轨道速度作为多功能的航天发射、作战、侦察平台，它不仅可以进行天地间的往返运输和维护卫星等空间系统，还可以摧毁敌方空间系统、拦截弹道导弹、对敌方领土实施天地打击。SOV的上面级，即空间机动飞行器（SMV）。
与洲际弹道导弹相比，空间作战飞行器由于可以重复使用，因此可以大大降低成本。此外这种具有应急发射能力的可复用运载器还可以作为高能激光武器、遥感模块和通信卫星模块的有效载具，在SMV进入轨道后具有留轨待命（X-37的设计预留轨时间为l年）和轨道间变轨机动的能力。
SMV尺寸小，机动灵活，且轨道载荷安置具有高度的互换性和模块性，非常适合执行多类非常规航天任务。如临战突击发射、快速填补卫星星座空缺、快速部署SMV轨道飞行战术编队、空间物体识别与监视和自方天基系统伴飞保障等。
从当前发展趋势来看，空间作战飞行器近期目标是实现基于运载火箭地面垂直发射，或基于飞机空射的两级入轨，远期目标是依靠自身动力的单级入轨。美国空军航天司令部计划在2008年正式启动空间作战飞行器的研制，并力争在2014年实现系统的首飞试验。之前美国研制的各型可复用运载器跨大气层飞行器以及X-43等高超音速飞行器方案，所有取得的成果都将集中服务于空间作战飞行器的研制。
早在1998年美国就推出了X-37空间机动飞行器关键技术的演示验证机。该机被定义为一种可执行机动轨道侦察任务、可监查战场态势，必要时可摧毁对美国军事行动具有威胁的目标的空间飞行器。如果说X-33和X-43尚存一点“民用”的伪装，那么X-37试验机“太空武器”的意图是赤裸裸的。
X-37是一种轨道和再入环境技术无人验证机，采用全复合材料机体结构，发射质，5443千克，长8.38米，分为两个试验飞行器：进场与着陆试验飞行器（ALTV）和轨道飞行器（OV）。前者主要负责验证进场、着陆和再入飞行操作性能，另外还负责验证远程综合飞行指挥控制中心，靶场和飞行器气动试验。ALTV计划由B-52飞机带到14千米的高度进行投放。在ALTV的基础上，OV将在上升、入轨、再入大气层和着陆阶段的相关环境中验证关键技术，包括推进、先进制导、飞行与导航控制系统、防热系统、密封件等。此外OV还负责验证自主动力下的轨道飞行技术。设计留轨时间长达6个月。
1997年，波音公司为了验证空间机动飞行器实验机的自动着陆系统，还特意研制了代号X-40A的85％缩比试验器。2001年3月21日，X-40A由直升机投放并成功完成无动力滑翔飞行。
按照计划，未来成熟的空间机动飞行器将具有如下基本特征：单机可携带550千克左右的有效载荷模块；返场后不到72小时的再次升空准备能力；1年的留轨待命时间；能从轨道上快速xx或召回地面；3千米/秒的轨道机动能力。
美国空军在2004年2月发布的“美国空军转型飞行计划”中称，空间作战飞行器作为长期计划，将于2015年之后投入实际部署。空间作战飞行器真正开启了人类太空战时代的大门。纵观美国可重复使用航天运载器的发展历程，我们不难发现其50年来对于掌握制太空权的渴望。
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