太空飞机与空天飞机

作者: 尹怀勤

来源: 百科知识

发布日期: 2017-02-13

本文介绍了中国研制的太空飞机和空天飞机的特点及其区别,太空飞机设计为可搭载乘客进入太空并返回,而空天飞机则是一种更为复杂且飞行高度更高的飞行器,计划在2030年完成试飞。

中国研究人员在墨西哥瓜达拉哈拉举行的第67届国际宇航大会上称,他们已设计出一款简单的整体式太空飞机,可在一日之内搭载最多20名乘客飞抵太空边缘,然后返回地面。另有报道披露我国将于2030年完成试飞的空天飞机项目——“腾云工程”。那么,太空飞机与空天飞机分别有哪些特点,又有什么区别呢?

在我国,太空飞机和空天飞机是两种不同类型的太空飞行器,前者由中国航天科技集团所属的运载火箭技术研究院进行研制且问世较早。

该院的专家称,其已设计出简单的整体式太空飞机,可依靠自身动力起飞的带翼火箭将飞机送上太空,达到飞行速度后以液态甲烷和液氧为推进剂的火箭发动机关闭,飞机在惯性作用下冲破地球引力束缚继续爬升至预定飞行高度,随即平稳下降,再入大气层,以滑翔方式返回地面,其设计旨在让更多的乘客进入太空一游。

由此可见,太空飞机将像火箭一样垂直起飞,并自动在跑道上着陆,不需任何地面或机载设备的干预,像坐飞机那样遨游太空。这使其有别于英国维珍银河公司的可搭载6名乘客到近地空间旅行的太空船二号,后者必须通过运载飞船携带至一定高度才能发射进入太空。相较而言,我国研制的太空飞机发射程序更简便,安全性更高,而且所搭载游客的人数将超过其他商业航天公司。这种太空飞机又分为两种版本。

第一种飞机的重量为10吨,翼展6米,将能搭载5名乘客,以最大6马赫的速度飞行至100千米即太空飞行正式开始的高度,并进行两分钟的失重飞行。时间虽短,却也能让乘客体验到微重力状态下的感受并观光太空和回望地球;另一种飞机是放大的版本,其重量达100吨,翼长12米,预计可搭载20名乘客,以8马赫的速度飞行至130千米的高度,并进行4分钟的失重飞行。

同时,这款机型还能在外挂火箭的帮助下将小型卫星送入轨道,节省从地面发射小卫星的成本。

太空飞机可被反复使用,设计飞行次数将达到50次。第一种太空飞机的试飞将在未来两年内完成,几乎所有的地面测试都已完成,测试中全部子系统运转良好。待其飞行成功后,再试飞第二种太空飞机。若后者最终成行,将成为目前在商用太空飞行领域搭载乘客最多的太空飞机。预计乘客一次太空飞行的费用将在20万美元左右,与维珍银河公司的太空船二号每名乘客的费用相当。

至于空天飞机,则是一种技术更为复杂且飞行高度更高、航行时间更长的太空飞行器。被命名为“腾云工程”的空天往返飞行项目将由中国航天科工集团和中国航天科技集团共同研制。空天飞机是一种集成涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机等多种动力形式的组合动力飞行器。其中,前两者是吸收大气层中的氧气作为氧化剂帮助燃烧剂而工作,较节约成本,乃属航空发动机。组合动力和传统的火箭动力比较而言,是一种新型动力。

具体来说,空天飞机采用涡轮喷气发动机进行起飞、爬升和加速。当其速度达到约3倍声速时,涡轮喷气发动机关机,随即启动冲压发动机工作,继续在大气层中加速飞行。当其速度达到约15倍声速并需要变轨时,冲压发动机关机,接着启动火箭发动机工作并冲出大气层,在太空以25倍声速进入近地轨道飞行。待其完成航天飞行任务后再入大气层需要变轨时,再次启动冲压发动机工作并进行减速飞行。

当其速度降到约3倍声速时,冲压发动机关机,再次启动涡轮喷气发动机工作,并向目标机场滑翔降落。由于空天飞机使用两种吸空气式发动机,因而更为经济,可使发射成本降到美国曾使用的航天飞机的十分之一。冲压发动机历来以高空高速状态下难以顺利点火和燃烧的不稳定性等问题困扰着研究人员,使其迟迟未能在飞行器上得到应用。

世界上一些国家早已在这方面进行技术攻关,但迄今未能获得比较满意的成果,尤其是速度达10倍声速以上的冲压发动机尚未出现。虽然某些巡航导弹已采用冲压发动机作为动力装置,但其速度还未达到空天飞机的需要。我国既然宣布要研制空天飞机,就说明在冲压发动机技术攻关方面取得了长足进步。

“腾云工程”计划在2020年完成组合发动机模式转换技术验证飞行试验;2025年完成关键技术攻关;2030年左右实现应用目的,即空天飞机达到亚轨道应用和入轨应用。亚轨道飞行是指飞行器达到距离地面约100千米的高度,由于还没有达到能够稳定运行的轨道高度,因此乘客只能短时间体验失重的感觉。

而入轨应用是指飞行器从亚轨道高度继续加速上升,抵达距离地面近400千米的轨道高度,这时候重力将和飞行器绕地球飞行的离心力平衡,乘客们将可以像航天员在神舟飞船或空间站里一样,体验太空飞行的乐趣。空天飞机既可在大气层中飞行,又能在太空中环绕地球运行。

其突出特点是,可从普通机场跑道起飞,不断加速,使飞行速度达到高超音速,不仅能冲出大气层进入太空遨游,而且能在完成军民两用航天任务后再入大气层,在普通机场水平着陆。空天飞机返回地面经简单维修重新加注推进剂后就能再次升空,复飞间隔时间短,可以重复使用几十至几百次,还不用专门的航天发射设施。

由此不难看出,空天飞机能够充分利用大气层中的氧气,从而减轻起飞重量;整个飞行器全部重复使用,除消耗推进剂外不抛弃任何部件;水平起飞和降落,简化操作程序,减少维修成本。这是目前世界上一次性使用的宇宙飞船和已经退役的可多次部分重复使用的航天飞机都无法做到的。发展空天飞机的主要目的就是在既可达到多用途设想的同时,又能大大降低天地间往返的运输费用。

可见,空天飞机是一项重大的科技创新,是21世纪最有前途的革命性航空航天成果之一,未来普通人上太空的成本和门槛将有望大幅降低。

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