空天飞机

空天飞机在腾飞上升阶段要接受发动机的打击力、振动、氛围动力等的感化，在返回再入阶段要接受颤振、科振、起落架摆振等的感化。在这类环境下，防热体系既要保持杰出的气动形状，又要能耐久反复利用，保护便利，以是其技术难度是相称大的。

空天飞机的布局质料要求很高。在飞翔时，它头部和机翼前缘的大要温度可达2760c。如许，像航天飞机上的防热瓦块式外套，就不再合用了。科学家们研制了一种新型复合质料来代替，并且在一些特别部位采取新型冷却装配，制止了高温的伤害。

4、防热布局与质料

1、新构思的吸气式发动机

机头与机翼等温度最高的部位，要求采取碳复合质料，这类复合质料大要有碳化硅涂层，重量轻，耐高温机能好。别的，还需求研讨金属基复合质料，比方碳化硅纤维加强的钛复合质料等。这类质料应当兼有碳化硅的耐高温机能，又具有钛合金的高强度特性。

1986年，美国提出研制代号为x－30的完整反复利用的单级程度起阵的“国度航空航天飞机”，其特性是采取组合式超音速燃烧冲压喷气发动机。英国提出了一种名叫“霍托尔”（或译“霍托克”，意为“程度起落航空航天飞机”）的单级程度起降空天飞机，其特性是采取一种全新的氛围液化循环发动机。90年代，他们又提出了一个技术风险小，开辟用度低的新计划。德国则提出两级程度起降空天飞机“桑格尔”，第一级实际上相称于一架超音速运输机，第二级是以火箭发动机为动力的有翼飞翔器。两级都能别离程度着陆。法国和日本也提出过本身的空天飞机假想。

空天飞机里安装了氛围涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机三类发动机。氛围涡轮喷气发动机能够使空天飞机程度腾飞。当时速超越2400千米时，就利用冲压发动机，它使空天飞机在离空中60千米的大气层内以每小时近3万千米的速率飞翔。如果再用火箭发动机加快，空天飞机就冲出大气层，像航天飞机一样，直接进入太空

空天飞机技术难度大，所需投资多，研制周期长，以是将来进入全尺寸样机研制，必将也会象空间站那样采纳国际合作的体例。

3、发动机和机身一体化设想

空天飞机是既能航空又能航天的新型飞翔器。它像浅显飞机一样腾飞，以高超音速在大气层内飞翔，在30～100千米高空的飞翔速率为12～25倍音速，并直接加快进上天球轨道，成为航天飞翔器，返回大气层后，像飞机一样在机场着陆。在此之前，航空和航天是两个分歧的技术范畴，由飞机和航天飞翔器别离在大气层内、外活动，航空运输体系是反复利用的，航天运载系同普通是不能反复利用的。而空天飞机能够达到完整反复利用和大幅度降落航天运输用度的目标。

为了满足空天飞机的防热要求，目前正在研讨用快速固化粉末冶金工艺制造纯度很高、质量很轻的耐高温合金。美国已研制出高速固化钛硼合金，它在高温下的强度可达到目前利用的钛合金在室温下的强度，这类合金适合用来制造机身内层布局骨架。

处理氛围动力学题目的根基手腕是风洞。目前，就连美国也不具有马赫数能够超越如许大范围的实验风洞。即便有了风洞还需求作上百万小时的实验，那意味着就是日夜不断地实验，也需求破钞100多年的时候。因而，只能乞助于计算机，用计算体例来处理，而对那维尔斯托克斯方程的求解目前尚存在很多实际上和计算速率上的题目。

目前的航天飞机，因为受气动加热的时候短，大要覆盖氧化硅防热瓦便可达到对劲的防热结果，但对空天飞机则远远不敷。如果单靠增加防热层厚度来处理题目，则将使重量大大增加，并且防热层还不能被烧坏，不然会影响反复利用。一个较简朴的处理体例是在机头、机翼前缘等部分高温区，利用传热效力特别高的吸热管来吸热，以便把热量转移到温度较低的部位。更好的体例是采取主动式冷却防热体系，也就是把机体布局与防热系同一体化，即把机体布局设想成夹层式或管道式，让推动剂在夹层内或管道内活动，使它吸走氛围对布局外大要摩擦所天生的热量。

2、计算氛围动力学阐发

众所周知，喷气式发动机需求在大气层中吸入氛围，无需照顾氧化剂，但没法在大气层外事情，且合用速率较小；而火箭发动机自带氧化剂，能够事情在大气层表里，利用速率范围较广，但照顾的氧化剂较粗笨，比冲小。目前假想的空天飞机的动力普通为采取超音速燃烧冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+火箭发动机的组合动力体例。但超燃冲压发动机的研制上存在相称多的技术题目，而多种发动机的组合体例又使布局变得过于庞大和不成靠。

美国东部时候22日19时52分（北京时候23日7时52分），人类首架空天飞机x－37b搭乘“阿特拉斯－5”型运载火箭发射升空。按打算，x－37b最多可在太空持续飞翔270天

美国空军的x－37b空天飞机原型机“轨道实验飞翔器1号”将于2010年4月上演处女航。

空天飞机需求多次出人大气层，每次都会因为与氛围的狠恶摩擦而产生大量气动加热，特别是以高超音速返回再入大气层时，气动加热会使其大要达到极高的温度。机头处温度约为1800c，机翼和尾翼前缘温度约为1460c，机身下大要约为980c，上大要约为760c。是以，必须有一个重量轻、机能好、能反复利用的防热体系。

因为，空天飞机的飞翔范围为从大气层内到大气层外，速率从0到m=25，如此大的跨度和事情环境窜改是目前现有的统统单一范例的发动机都不成能胜任的，从而也就使为空天飞机研制全新的发动机成为全部项目标关头。

空天飞机飞翔速率很快，便于实现环球范围内的快速客运，地球上任何两个都会间的飞翔时候都用不了2个小时。美国设想的一种空天飞机，搭客305人，可在32千米高度和1.2万千米航程内巡航，其巡航速率高达5马赫数。固然航天飞机比起一次利用的运载火箭进步了一大步，但仍有诸如毛病频繁，用度高贵等很多不敷。而空天飞机与航天飞机分歧，它的空中设施简朴，保护利用便利，操纵用度低，在浅显的大型机场上就能程度腾飞和降落，具有普通航路班机的飞翔频次。这类飞机的外型与大型客机类似，更多地具有飞机的长处。它以液氢为燃料，在大气层飞翔时，充分操纵大气中的氧气。加上它能够上百次的反复利用，真正实现了高效能和低用度的长处。据预算，用它发射近地卫星用度只要航天飞机的1/5，而发射地球同步卫星用度则可减少一半。这使空天飞机期近将到来的空间商务合作中立于不败之地。

当空天飞机以6倍于音速以上的速率在大气层中飞翔时，氛围阻力将急剧上升，以是其形状必须高度流线化。亚音速飞机常采取的翼吊式发动机已不能利用．需求将发动机与机身归并，以构成高度流线化的团体形状。即让前机身包容发动机吸人氛围的进气道，让后机身包容发动机排气的喷管。这就叫做“发动机与机身一体化”。

在一体化设想中，最庞大的是要使进气道与排气喷管的多少形状，能随飞翔速率的窜改而窜改，以便调度进宇量，使发动机在低速时能产生额定推力，而在高速时又可降落耗油量，还要包管进气道有充足的刚度和耐高温机能，以使它在返回再入大气层的过程中，能接受住高速气流和蔼动力热的感化，如许才不致产生较着变形，才可多次反复利用。

80年代末，这股空天飞机热达到飞腾。也激起了中国航空航天专家的很大兴趣。

60年代初空天飞机(17张)，就有人对空天飞机作过一些摸干脆实验，当时它被称为“跨大气层飞翔器”。因为当时的技术、经济前提相差太远，且利用需求不明白，因此半途短命；80年代中期，在美国的“阿尔法”号永久性空间站打算的刺激下，一些国度对生长载人航天奇迹的热忱遍及高涨，主动插手“阿尔法”号空间站的制作。据估计，空间站建成后，为了开辟和操纵太空资本。向空间站运送职员、物质和东西等任务每年将达到数千次之多。这些任务如果用一次性运载火箭、载人飞船或航天飞机来完成，那么一年的运输用度将达到上百亿美圆。为了寻求一种经济的六合来回运或体系，美、英、德、法、日等国纷繁推出了可反复利用的六合来回运输体系计划。

生长空天飞机的首要目标是想降落空天之间的运输用度。其路子归纳起来首要有三条：一是充分操纵大气层中的氧，以减少飞翔器照顾的氧化剂，从而减轻腾飞重量；二是全部飞翔器全数反复利用，除耗损推动剂外不丢弃任何部件；三是程度腾飞，程度降落，简化腾飞（发射）和降落（返回）所需的园地设施和操纵法度，减少维修用度。

航天飞机返回再入大气层的氛围动力学题目，曾经破钞了科学家们多年的心血，作了约10万小时的风洞实验。空天飞机的氛围动力学题目比航天飞机庞大很多。因为飞机速率窜改大，马赫数从0窜改到25；飞翔高度窜改大，从空中到几百千米高的外层空间；返回再入大气层时下行时候长，航天飞机只要十几分钟，空天飞机则为l～2小时。

但是，颠末几年的研讨阐发，科学家们发规，畴昔的估计过于悲观。实际上。上述三条路子知易而行难。需求处理的关头技术难度决非短时候内能冲破，这些关头技术有：

空天飞机能自在来回于六合之间，凡是航天飞机无能的事，它几近都能胜任。它能够把大的卫星送上天球轨道，一次投放多颗卫星更是它的特长活儿；它能对在轨道上运转的卫星停止维修或回收，当然也能够对敌国的卫星实施粉碎，乃至收为己有；它能向空间站运送或接回宇航员和各种物质；更首要的是它还能履行各种诸如反对、窥伺和轰炸等军事任务，成为颇具能力的空天兵器。