人類自古以來(lái)就夢(mèng)想飛翔。當(dāng)科技發(fā)展到一定階段的時(shí)候，這種夢(mèng)想就一步一步的變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)在人類已經(jīng)可以制造出飛機(jī)和太空船，這些運(yùn)載工具可以把人類送上天空。然而，飛機(jī)和太空船的設(shè)計(jì)從來(lái)都是各成體系的，因?yàn)轱w機(jī)在大氣層內(nèi)飛行，而太空船在太空中飛行。前者屬于航空，后者屬于航天。盡管差別很大，但這兩大技術(shù)存在著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，因?yàn)闊o(wú)論什么航天器進(jìn)出太空，都必須穿越大氣層，不得不與空氣打交道，后者顯然屬于航空技術(shù)的范疇。這種緊密聯(lián)系導(dǎo)致人們產(chǎn)生這樣一種想法，有沒(méi)有一種飛行器，它既能在大氣層內(nèi)飛行，又能在大氣層外航行，它既能水平起飛，又能水平降落呢?這種新型飛行器就是航空航天飛機(jī)，簡(jiǎn)稱空天飛機(jī)。

推動(dòng)空天飛機(jī)研究的直接動(dòng)力是它的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性。由于空天飛機(jī)可以重復(fù)往返于地球和太空之間，所以，相對(duì)于傳統(tǒng)的一次性運(yùn)載火箭，它可以節(jié)省大量的資金。而它和航天飛機(jī)相比，由于空天飛機(jī)可以水平起飛，所以它的安全性更高。所以，為了尋求一種既經(jīng)濟(jì)，又安全的天地往返運(yùn)載系統(tǒng)，世界各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛推進(jìn)自己的空天飛機(jī)研究。

空天飛機(jī)的設(shè)計(jì)思路有：充分利用大氣層中的氧，以減少飛行器攜帶的氧化劑，從而減輕起飛重量；整個(gè)飛行器全部重復(fù)使用，除消耗推進(jìn)劑外不拋棄任何部件；水平起飛，水平降落，簡(jiǎn)化升空和返回所需的場(chǎng)地設(shè)施和操作程序，以減少維修費(fèi)用。

空天飛機(jī)的這些性能對(duì)科學(xué)技術(shù)提出了很高的挑戰(zhàn)。首先就是發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)榭仗祜w機(jī)的飛行范圍為從大氣層內(nèi)到大氣層外，速度從0一直加速到約25倍音速，這樣的大跨度和飛行環(huán)境變化，目前所有的單一類型發(fā)動(dòng)機(jī)都不可能勝任。所以，為空天飛機(jī)研制全新的發(fā)動(dòng)機(jī)就成為關(guān)鍵難題。

我們知道，普通飛機(jī)使用的是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)需要在大氣層中吸入空氣，無(wú)需攜帶氧化劑，但無(wú)法在大氣層外工作，且實(shí)用速度較小。而火箭呢，其發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力強(qiáng)勁，但攜帶的氧化劑較笨重，比沖小。目前設(shè)想的空天飛機(jī)的動(dòng)力一般為采用這兩種的組合動(dòng)力方式。但這種組合會(huì)使空天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)變得過(guò)于復(fù)雜，從而影響了其性能的可靠。

再者，空天飛機(jī)的外形也成了大難題。當(dāng)一個(gè)飛行器以6倍音速以上的速度在大氣層中飛行時(shí)，空氣阻力將急劇上升，所以其外形必須高度流線化。我們最常見(jiàn)的民用飛機(jī)那種翼吊式發(fā)動(dòng)機(jī)已不能使用，這就需要將發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身合并，構(gòu)成高度流線化的整體外形。這叫做“發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身一體化”。在一體化設(shè)計(jì)中，最復(fù)雜的是，要使進(jìn)氣道與排氣噴管的幾何形狀，能隨飛行速度的變化而變化，以便調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)能產(chǎn)生額定推力，而在高速時(shí)又可降低耗油量，還要保證進(jìn)氣道有足夠的剛度和耐高溫性能，以使它在返回大氣層的過(guò)程中，能經(jīng)受住高速氣流和氣動(dòng)力熱的作用，這樣才不致發(fā)生明顯變形，才可多次重復(fù)使用。

還有，空天飛機(jī)的制造材料也是個(gè)大難題。空天飛機(jī)需要多次出入大氣層，每次都會(huì)與空氣劇烈摩擦而產(chǎn)生大量氣動(dòng)加熱，特別是以高超音速返回大氣層時(shí)，氣動(dòng)加熱會(huì)使其表面達(dá)到極高的溫度。機(jī)頭處溫度約為1800攝氏度，機(jī)翼和尾翼前緣溫度約為1460攝氏度，機(jī)身下表面約為980攝氏度，上表面約為760攝氏度。因此，必須有一個(gè)重量輕、性能好、能重復(fù)使用的防熱系統(tǒng)。

空天飛機(jī)在起飛上升階段要經(jīng)受發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊力、振動(dòng)、空氣動(dòng)力等的作用，在返回階段要經(jīng)受顫振、起落架擺振等的作用。在這種情況下，防熱系統(tǒng)既要保持良好的氣動(dòng)外形，又要能長(zhǎng)期重復(fù)使用，維護(hù)方便，所以其技術(shù)難度是相當(dāng)大的。

我們以大家熟知的美國(guó)航天飛機(jī)為例，由于受氣動(dòng)加熱的時(shí)間短，航天飛機(jī)表面覆蓋氧化硅防熱瓦即可達(dá)到滿意的防熱效果。但是，這對(duì)空天飛機(jī)來(lái)說(shuō)，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如果單靠增加防熱層厚度來(lái)解決問(wèn)題，則將使重量大大增加，而且防熱層還不能被燒壞。否則會(huì)影響重復(fù)使用。

為了滿足空天飛機(jī)的防熱要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工藝制造純度很高、質(zhì)量很輕的耐高溫合金。美國(guó)已研制出高速固化鈦硼合金，它在高溫下的強(qiáng)度可達(dá)到目前使用的鈦合金在室溫下的強(qiáng)度，這種合金適宜用來(lái)制造機(jī)身內(nèi)層結(jié)構(gòu)骨架。機(jī)頭與機(jī)翼等溫度最高的部位，要求采用碳復(fù)合材料，這種復(fù)合材料表面有碳化硅涂層，重量輕，耐高溫性能好。此外，還需要研究金屬基復(fù)合材料，例如碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦復(fù)合材料等。這種材料應(yīng)該兼有碳化硅的耐高溫性能，又具有鈦合金的高強(qiáng)度特性。

以上所提的這幾個(gè)難題，只是空天飛機(jī)眾多技術(shù)難題的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，這幾個(gè)問(wèn)題決非短時(shí)間內(nèi)能突破?？傮w說(shuō)來(lái)，空天飛機(jī)技術(shù)難度大，所需要的投資多，研制周期長(zhǎng)，勢(shì)必需要大量的科研人才，科學(xué)家之間的國(guó)際合作也是必不可少的。

[責(zé)任編輯]李金