◎西北工業(yè)大學(xué) 何國(guó)強(qiáng)

一、概述

我們仰望星空，會(huì)想知道太空到底是怎樣的。從空域圖可以看出，12公里以下有對(duì)流層，30公里以下有平流層，上面是空間層，然后是亞軌道，再向上就是一些衛(wèi)星及空間站等。人類科技發(fā)展的過(guò)程其實(shí)是人民對(duì)生活空間不斷拓展的過(guò)程。人們從陸地到海洋，然后走向月球，又到火星，是人類科技重大的里程碑。

目前，我們?nèi)绾未┰竭@樣的空間層？這里給大家介紹一種新型的飛行器——天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)。它是可重復(fù)使用飛行器，通過(guò)一次發(fā)射就可以把載荷送到相應(yīng)的軌道上去，主要用于航天運(yùn)輸、空間服務(wù)以及載荷下行。傳統(tǒng)觀念上，人們用火箭垂直起飛，把載荷打上去，但是這些航天運(yùn)載系統(tǒng)是一起使用的，成本相當(dāng)高，很難實(shí)現(xiàn)航班化的概念。而天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)是人類進(jìn)出空間、探索宇宙的“天梯”，是世界航天大國(guó)標(biāo)志性重大裝備和基礎(chǔ)能力。重復(fù)使用技術(shù)是天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)大幅降低成本、顯著提升應(yīng)用靈活性、實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)發(fā)射的重要途徑，成為天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的主導(dǎo)方向之一。現(xiàn)在，可重復(fù)使用飛行器有多種分類方式，最常用的是按照入軌級(jí)數(shù)分為單級(jí)入軌飛行器和多級(jí)入軌飛行器系統(tǒng)，其動(dòng)力型式主要有火箭動(dòng)力和組合動(dòng)力兩類。

按高度劃分的空域及相應(yīng)的飛行器示意圖

西北工業(yè)大學(xué)何國(guó)強(qiáng)

美國(guó)可重復(fù)使用飛行器研究發(fā)展圖

組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)采用吸氣式組合動(dòng)力、升力式構(gòu)型，能夠在稠密大氣層、臨近空間、軌道空間自由往返飛行，是降低航天運(yùn)輸成本、提高安全可靠性、快速進(jìn)出空間的理想工具，是未來(lái)主流的發(fā)展方向，是世界航天大國(guó)的標(biāo)志性裝備和基礎(chǔ)能力。

二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

在可重復(fù)使用飛行器發(fā)展方面，美國(guó)作為世界新軍事革命的“引領(lǐng)者”，高度重視、持續(xù)投入，謀求全方位絕對(duì)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)全面領(lǐng)先，其發(fā)展過(guò)程呈現(xiàn)出“國(guó)家安全戰(zhàn)略主導(dǎo)、航天發(fā)展戰(zhàn)略牽引、發(fā)展主體多元、發(fā)展重點(diǎn)聚焦”等特征。從50年代開始到現(xiàn)在，雖然經(jīng)歷了幾起幾落，但現(xiàn)在還是如火如荼的一種發(fā)展?fàn)顟B(tài)。20世紀(jì)80-90年代，美國(guó)人雄心壯志，開始了以單級(jí)入軌為目標(biāo)的NASP計(jì)劃，掀起了可重復(fù)使用飛行器研究熱潮，為重新進(jìn)行天地往返打下了很好的基礎(chǔ)。2002年美國(guó)又制訂了軍民兩用的國(guó)家航天倡議（NAI），主要發(fā)展高超音速、先進(jìn)進(jìn)出空間技術(shù)。應(yīng)該說(shuō)NAI計(jì)劃把我們天地往返空間作了規(guī)劃，呈現(xiàn)出由簡(jiǎn)單任務(wù)到多任務(wù)、由小到大，逐漸實(shí)現(xiàn)天地往返目標(biāo)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)高超速飛行。

在飛行器組合過(guò)程中，組合動(dòng)力技術(shù)成為關(guān)鍵。目前組合動(dòng)力技術(shù)最關(guān)心的不是一級(jí)，而是兩級(jí)入軌的一種方案。除了美國(guó)以外，日本、歐洲等其它國(guó)家也紛紛對(duì)組合動(dòng)力技術(shù)進(jìn)行了研究。日本JAXA從20世紀(jì)90年代起，開展了以重復(fù)使用飛行器為目標(biāo)的火箭基組合推進(jìn)系統(tǒng)研究。法國(guó)于1992年開展PREPHA計(jì)劃，2003年開展LEA計(jì)劃。歐洲航天局于2005年制定了先進(jìn)推進(jìn)概念和技術(shù)研究計(jì)劃（LAPCAT），主要開展超聲速推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)和飛行器概念設(shè)計(jì)。

組合動(dòng)力是傳統(tǒng)動(dòng)力裝置的有機(jī)組合。傳統(tǒng)的比較典型的動(dòng)力裝置包括渦輪動(dòng)力、火箭動(dòng)力和沖壓動(dòng)力三種。其中，采用渦輪動(dòng)力的裝置，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)；采用火箭動(dòng)力的，如傳統(tǒng)的火箭；采用沖壓動(dòng)力的，如一體火箭、固體火箭，平時(shí)在大氣層里面巡航的。

兩組合動(dòng)力裝置主要有火箭沖壓組合動(dòng)力、渦輪沖壓組合動(dòng)力和預(yù)冷組合動(dòng)力。首先，介紹一下火箭沖壓組合動(dòng)力。它既可以爬升又可以巡航，有很好的推動(dòng)力，性能很好。大家都知道，航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)在的推重比基本上是10以下，10的也在做。而火箭沖壓組合動(dòng)力的可以達(dá)到20，所以它的性能非常優(yōu)秀，并且可以重復(fù)使用，將是未來(lái)單機(jī)入軌運(yùn)載器和臨近空間高速飛行平臺(tái)的主要?jiǎng)恿?。第二種是渦輪沖壓組合動(dòng)力。它是一個(gè)非常好的飛機(jī)動(dòng)力裝置，可以采用兩級(jí)入軌的第一級(jí)，美國(guó)人也在做這種裝置。渦輪沖壓組合動(dòng)力還可以采用常溫推動(dòng)劑、便于攜帶，比沖高，非常適合巡航。但是它存在“推力鴻溝”，在高聲速下推力不足，無(wú)法入軌。我國(guó)西工大、北航等相關(guān)單位都在積極地進(jìn)行研究。第三種是預(yù)冷組合發(fā)動(dòng)機(jī)。它采用新型的熱力循環(huán)、深度空氣預(yù)冷技術(shù)和流體動(dòng)力巧妙設(shè)計(jì)，把推重比做得非常高。由于它利用深度預(yù)冷的火箭技術(shù)，推重比很高，所以可以作為單級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器的動(dòng)力，也可以作為臨近空間平臺(tái)的動(dòng)力裝置。

三組合動(dòng)力裝置則是火箭沖壓和渦輪的組合。這種動(dòng)力裝置把原先兩兩組合過(guò)程中的一些缺點(diǎn)避免掉，可以用于未來(lái)的高速飛機(jī)和兩級(jí)入軌的飛行器動(dòng)力。目前世界上很多國(guó)家都在研究這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，比如，美國(guó)的A5、GTX、ISTAR發(fā)動(dòng)機(jī)，國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)也在研究這種動(dòng)力裝置。

三、發(fā)展意義與發(fā)展建議

組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)是一種快速、經(jīng)濟(jì)、常態(tài)化、進(jìn)出空間的主要途徑，是支撐空間對(duì)抗、能力提升的重要手段，也是我們新式作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵裝備。

研究組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)具有重要的意義：

（1）組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)是航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志，將顯著推動(dòng)我國(guó)由航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。通過(guò)載人航天、探月等多個(gè)國(guó)家重大工程實(shí)施，顯著提升了我國(guó)一次性航天運(yùn)輸能力；當(dāng)前形勢(shì)下，加快推進(jìn)組合循環(huán)動(dòng)力重復(fù)使用運(yùn)輸系統(tǒng)研究，將大幅提升我國(guó)自由進(jìn)出空間、利用空間和控制空間能力。

（2）組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)是科學(xué)技術(shù)新的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，將助力我國(guó)成為高科技領(lǐng)域的引領(lǐng)者，可以使能量在全空間綜合優(yōu)化，促進(jìn)航空、航天領(lǐng)域融合發(fā)展；將帶動(dòng)攻克設(shè)計(jì)理念、先進(jìn)組合動(dòng)力、寬域氣動(dòng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)航空、宇航、動(dòng)力、材料、制造以及空間環(huán)境等科學(xué)技術(shù)群體性創(chuàng)新；對(duì)我國(guó)高端裝備制造、新型動(dòng)力、空天運(yùn)輸系統(tǒng)、空間信息以及太空經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域產(chǎn)生輻射帶動(dòng)作用。

（3）組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)將促進(jìn)我國(guó)新質(zhì)作戰(zhàn)能力的形成。組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)可在軌道、亞軌道、臨近空間和稠密大氣層內(nèi)自由穿梭，促進(jìn)形成從臨近空間到外太空的高技術(shù)武器裝備群；作為全空域的運(yùn)載和武器平臺(tái)，在制地、制天、制空作戰(zhàn)上均有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，催生新質(zhì)作戰(zhàn)能力，顛覆傳統(tǒng)戰(zhàn)爭(zhēng)規(guī)則，帶來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)模式的巨變，形成新的戰(zhàn)略威懾力。

對(duì)我國(guó)發(fā)展組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的建議如下：

首先，制定國(guó)家頂層的發(fā)展規(guī)劃，體現(xiàn)“動(dòng)力先行”特點(diǎn)。國(guó)家發(fā)展規(guī)劃是快速推進(jìn)科學(xué)技術(shù)的倍增器，如美國(guó)國(guó)家空天倡議（NAI）、歐洲先進(jìn)推進(jìn)概念和技術(shù)研究計(jì)劃（LAPCAT）、日本2025航天規(guī)劃等；可重復(fù)使用天地往返運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展，組合動(dòng)力技術(shù)是關(guān)鍵。

其次，組合動(dòng)力飛行器的發(fā)展路線，建議遵循從小到大、從兩級(jí)入軌到單級(jí)入軌的發(fā)展步驟，按照關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)集成驗(yàn)證、工程研制的思路進(jìn)行發(fā)展。

最后，集智攻關(guān)，共同發(fā)展。依托高校和科研院所，建立國(guó)家層面的協(xié)同創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)，探索國(guó)家創(chuàng)新新模式，推進(jìn)組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展；充分發(fā)揮高校基礎(chǔ)研究和科研院所工程研制優(yōu)勢(shì)，分步驟推進(jìn)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究；依托陜西空天動(dòng)力技術(shù)優(yōu)勢(shì)，建議在陜西組建組合動(dòng)力國(guó)家級(jí)平臺(tái)推動(dòng)天地往返運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展。

四、結(jié)束語(yǔ)

探索浩瀚宇宙，建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)是我們這代人的重要使命。在航天發(fā)展過(guò)程中，組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)是未來(lái)航班化進(jìn)出空間的理想運(yùn)輸工具和空間高機(jī)動(dòng)平臺(tái)。同時(shí)，組合動(dòng)力天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的深化研究，是牽引我國(guó)航天技術(shù)重大發(fā)展、超前布局新型航天運(yùn)輸能力的關(guān)鍵舉措。我也相信這樣的運(yùn)輸系統(tǒng)將有廣泛的科學(xué)帶動(dòng)性，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。