王長青

(中國航天科工飛航技術研究院，北京 100074)

0 引 言

當前，人類正向以高頻次航天發(fā)射和大規(guī)?？臻g應用為主要特征的太空時代邁進，對成本低廉、安全可靠的航天運輸系統(tǒng)提出了迫切需求，發(fā)展新一代天地往返運輸系統(tǒng)，是人類大規(guī)模發(fā)展和建設太空的根本前提[1-5]。目前，全世界幾乎所有的空間載荷發(fā)射都由一次性火箭運載系統(tǒng)承擔，費用高昂[6-7]。21世紀以來，世界各國都將太空作為國家重大戰(zhàn)略領域，不斷探索空天領域未知的基礎科學，提升技術創(chuàng)新能力，推動空天飛行領域技術持續(xù)發(fā)展。本文對主要國家在空天飛行技術領域發(fā)展歷程進行回顧，結合國外發(fā)展經(jīng)驗，提出空天飛行面臨的基礎科學問題及發(fā)展方向，并展望未來探索浩瀚宇宙、自由進出空間的新太空時代。

1 空天飛行技術發(fā)展現(xiàn)狀

空天飛行器是指能夠自由往返于稠密大氣、臨近空間和軌道空間的可重復使用飛行器，突破了傳統(tǒng)的航天器和航空器的局限，實現(xiàn)了在大氣層和空間自由穿梭飛行，具備廉價、便捷、安全、機動等優(yōu)勢[8-10]。

實現(xiàn)空天飛行有多種技術途徑，從入軌級數(shù)來說，有多級入軌、單級入軌；從動力形式來說，有火箭動力、組合動力等；從起降方式來說，有垂直起飛/垂直降落、垂直起飛/水平降落、水平起飛/水平降落等；從重復使用程度來說，有部分重復使用、完全重復使用等[11]。

美歐等國自20世紀50年代末以來，以自由快速的空天往返為背景，通過政府主導開展了一系列空天飛行領域技術研究和飛行試驗，有力推動了相關技術的發(fā)展，取得了階段性突破。國外空天發(fā)展歷程大致可分為三個階段：

圖1 空天飛行技術發(fā)展情況

1.1 1960～1980年：技術先行

為探索空天未知領域，美國在20世紀50年代末就啟動了空天飛行技術研究工作，開展了大量高超聲速飛行器和超燃沖壓發(fā)動機技術的先期探索。至20世紀70年代末，持續(xù)完成了從X-1至X-15等一系列高速飛行試驗計劃，先后驗證了亞/跨/超/高超聲速飛行過程的結構、材料、氣動、控制等關鍵技術。

圖2 X-15飛行器

1.2 1980～2000年：競相發(fā)展、輝煌一時

20世紀80年代起，空天飛行成為各航天大國的研究熱點，以天地往返和重復使用航天運輸為發(fā)展目標，競相開展了一系列空天飛行器項目方案研究和演示驗證試驗(美國NASP、德國SANGER、英國HOTOL等)，穩(wěn)步推進以高超聲速技術和吸氣式組合動力為核心的空天飛行技術，積累了大量設計方案和試驗數(shù)據(jù)，引領推動空天飛行領域發(fā)展進入了新的階段，成為人類航天史上的一個輝煌時期。

1)美國

美國在1986年制定國家空天飛機(NASP)計劃，意圖發(fā)展一種單級入軌的航天運載器，能夠徹底且革命性的改變航天運輸?shù)臓顩r，并通過X-30飛行器開展演示驗證試驗。

NASP計劃包含10余項從未進行過飛行試驗的關鍵技術，由于技術、政治和經(jīng)濟等多方面原因，1995年NASP計劃下馬。但NASP仍然為美國高超聲速技術發(fā)展奠定了技術基礎，超燃沖壓發(fā)動機技術邁上了新的臺階，發(fā)展了發(fā)動機設計方法和CFD模擬技術，建立起大量的試驗設備，加強了地面試驗模擬能力，通過大規(guī)模的大尺寸模型發(fā)動機試驗，獲得了大量試驗數(shù)據(jù)，培養(yǎng)了大批專門人才。

圖3 美國NASP計劃下X-30

2)德國

為了繞過單級入軌的難點，德國提出一種兩級入軌的“桑格爾”空天飛行器方案。一子級是一架高超聲速運輸機，采用渦輪沖壓發(fā)動機，使用壽命為100次；二子級是軌道飛行器，采用火箭發(fā)動機，可用于載人或載物，載貨型為一次性使用，載人型使用壽命為50次。由于研究經(jīng)費巨大，研制難度過大，該項目最終下馬。[12]

圖4 德國SANGER

3)英國

HOTOL空天飛行器采用水平起降、單級入軌方式，從地面3500 m長的跑道上水平起飛，以吸氣式發(fā)動機推進到Ma5，然后轉為火箭發(fā)動機推進。HOTOL計劃的目標是把發(fā)射有效載荷的費用至少降低80%。原計劃2000年投入使用，但實現(xiàn)單級入軌的技術難度很大，1992年，由于資金短缺，英國航宇公司決定停止向HOTOL空天飛行器計劃提供支持，計劃擱淺。

圖5 英國HOTOL

1.3 21世紀至今：再掀高潮、全面布局

20世紀80年代各國提出的空天飛行器最后均因技術難度過高和經(jīng)費難度過大等各種原因而最終下馬，空天飛行研究陷入低谷。進入21世紀，隨著高超聲速技術和組合動力技術的發(fā)展，空天飛行再次成為國際熱點，各國開始在天地往返空天飛行器領域展開了全面布局。

圖6 空天飛行器發(fā)展情況

1)美國

2001年美國提出國家航空航天倡議(NAI)，統(tǒng)籌協(xié)調發(fā)展高超聲速技術、進入空間和空間技術三大方向，其核心目標為吸氣式空天飛行器。在NAI倡議指導下，美國完成了空天飛行領域從技術層面到應用層面的全方位布局，逐漸形成了多技術途徑同步發(fā)展的空天飛行器新格局。

圖7 NAI倡議

2014年，美國空軍研究實驗室確認了英國“佩刀”發(fā)動機概念的可行性，簽署了合作協(xié)議，并于2016年在AIAA會議上公布了基于“佩刀”發(fā)動機的兩級入軌空天飛行器，指出一旦佩刀發(fā)動機的實際性能達到預期，空天飛行器將于2030年左右具備可實現(xiàn)性[13]。

圖8 基于“佩刀”發(fā)動機的空天飛行器

2)德國

2005年，德國提出一種亞軌道、帶翼可完全重復使用兩級高超聲速飛行器SpaceLiner，用于洲際商業(yè)高速運輸和重復使用空天飛行。飛行器采用背馱式構型，一子級為可重復使用升力體助推器，二子級為升力體上面級或軌道器(入軌)[14]。德國宇航局提出在2019年左右，完成初步需求評估，2035年前開展原型樣機首次飛行試驗，預計2040年實現(xiàn)運營。

圖9 SpaceLiner兩級飛行器

3)英國

2014年，英國公布了基于佩刀組合發(fā)動機的SKYLON云霄塔單級入軌空天飛行器的新方案和近期研究進展[15-16]。2019年3月，佩刀發(fā)動機通過歐空局的初步設計評審；4月完成了大尺寸預冷卻器樣機HTX的高溫地面試驗，成功驗證了Ma3.3條件下在0.05 s內將超過426 ℃的高溫氣流冷卻至約100 ℃。佩刀發(fā)動機預冷器技術已取得重大突破，有力支撐英國提出的SKYLON和美國AFRL提出的兩級入軌空天飛行器研制。

圖10 SKYLON飛行器

1.4 小結

美歐等國家經(jīng)過幾十年的持續(xù)研究，奠定了堅實的技術基礎，近年隨著相關技術的逐步成熟，各國分別基于各自的技術優(yōu)勢形成了多途徑并舉的空天飛行器發(fā)展路線，并取得了重大技術突破。空天飛行器成為新一代航天運輸系統(tǒng)的焦點，在世界范圍內重新掀起了設計與研制的熱潮。

2 空天飛行技術的基礎科學問題

空天飛行器飛行空域大(稠密大氣、臨近空間和軌道空間)、速域寬(Ma0～25)、飛行剖面復雜(零速起飛、高超聲速飛行、加速入軌、再入返回、自主起降)，因此面臨著眾多基礎科學問題。當前，人類對空天飛行領域的認知還只是“冰山一角”，要做到真正認識，需要回歸問題本源，加強基礎科學研究，研究空天飛行動力、氣動、結構/材料、制導控制和試驗等重大前沿性科學問題，形成完善的空天飛行基礎理論與關鍵技術研究體系[17]。

圖11 空天飛行技術的基礎科學問題

2.1 動力與能源

空天飛行器需要自由往返于稠密大氣、臨近空間和軌道空間，傳統(tǒng)單一動力無法滿足全速域、大空域、自由高效飛行的需求，因此組合動力是必然發(fā)展趨勢?？仗旖M合動力形式所涉及的多種熱力循環(huán)模態(tài)轉換與匹配、非平衡流動的超聲速燃燒及其組織等基礎科學問題與傳統(tǒng)航空渦輪發(fā)動機和航天火箭發(fā)動機不同，是傳統(tǒng)動力的空白領域[18-22]。

圖12 組合動力種類

圖13 組合動力不同工作模態(tài)

1)多種熱力循環(huán)模態(tài)轉換與匹配問題

空天飛行所使用的組合動力在從低速到高速(或相反)過程中需要經(jīng)歷以不同類型熱力循環(huán)系統(tǒng)為主工作的多個模態(tài)，包括渦輪模態(tài)、亞燃沖壓模態(tài)、超燃沖壓模態(tài)以及火箭模態(tài)等，要求模態(tài)轉換過程中不失穩(wěn)、不超溫，工作連續(xù)、平穩(wěn)，這就需要重點研究組合發(fā)動機多種熱力循環(huán)模態(tài)轉換與匹配問題。

2)非平衡燃燒化學動力學與多相湍流相互作用問題

超聲速燃燒、高空低動壓燃燒、燃燒室點火熄火過程等涉及典型的非平衡燃燒化學動力學控制過程。飛行高度高、大氣稀薄時，進入發(fā)動機燃燒室的空氣密度很低，火箭燃氣和低密度的空氣發(fā)生摻混和燃燒的過程可能出現(xiàn)新的流動現(xiàn)象，進而影響燃燒室的工作狀態(tài)和過程。該過程與發(fā)動機氣、液兩相流相互作用，機理過程復雜。同時，還涉及耐高溫材料、能量綜合管理、新能源與新燃料等一系列基礎性問題。

圖14 超聲速燃燒示意

3)內外流耦合問題

發(fā)動機利用飛行器前體進行外壓縮，同時尾噴管利用飛行器后體膨脹，發(fā)動機與飛行器耦合緊密，且進氣道起動/不起動對飛行器影響極大。對空天飛行器而言，寬域飛行包線下內流和外流的流動特征不斷改變，內外流之間的耦合關系也隨之不斷調整，耦合作用機理復雜[23-24]。

2.2 空氣動力學、熱力學與等離子體動力學

空天飛行器不僅面臨航空空間的空氣動力學、太空空間的軌道力學問題，還經(jīng)歷臨近空間連續(xù)流、滑移流、過渡流、自由分子流等空氣組分變化，同時存在著力、熱、聲、電磁等環(huán)境共同作用，高速飛行時面臨著高溫真實氣體效應、稀薄氣體效應、邊界層轉捩等復雜流動現(xiàn)象。因此，需將跨空域飛行過程面臨的氣動基礎科學問題解耦，加強機理性認知，同時積極探索邊界層和等離子體等流動控制方法，提高空天飛行器寬速域升阻比、降低熱流密度，改善大空域空天飛行操穩(wěn)特性[25-27]。

圖15 空天飛行器內外流耦合現(xiàn)象

1)高溫真實氣體效應問題

空天飛行器以高超聲速飛行時，當外流場大于Ma8時，將出現(xiàn)高溫真實氣體效應，近壁流場中出現(xiàn)離解、電離和化學非平衡效應、表面催化等現(xiàn)象，導致產生氣動力/熱性能與不考慮高溫真實氣體效應的情況產生差異、高溫化學非平衡流動出現(xiàn)而影響氣動力/熱性能的準確預測、地面試驗難以模擬高溫真實氣體效應等問題。

圖16 高超聲速空氣動力學

2)邊界層轉捩問題

高馬赫數(shù)飛行時，空天飛行器表面將存在大范圍層流邊界層區(qū)，并在其后形成層流向湍流變化的轉捩區(qū)。邊界層轉捩與湍流問題屬于世界性難題，邊界層內擾動傳播與發(fā)展模態(tài)多樣，轉捩的誘發(fā)因素復雜，轉捩區(qū)域預測難度大。對于氣動熱環(huán)境的預測、熱防護設計、進氣道性能影響顯著。

圖17 邊界層轉捩

3)稀薄氣體效應問題

空天飛行器在臨近空間飛行時將經(jīng)歷過渡流區(qū)和自由分子流區(qū)，氣態(tài)分子出現(xiàn)飛行器表面滑移、電子能級躍遷等復雜效應，傳統(tǒng)基于連續(xù)介質假設和理想氣體模型的N-S方程數(shù)值模擬手段已不適用，需開展基于Boltzmann方程、DSMC等新方法流場分析與模擬技術，超高速低密度風洞試驗技術等基礎模擬驗證手段研究。

圖18 稀薄氣體效應

2.3 結構與材料學基礎性問題

要實現(xiàn)自由往返空天飛行，需要全新的材料結構體系作為支撐，主要面臨三個方面的問題：①跨域飛行環(huán)境復雜，飛行器結構/材料承受力、熱、聲、振、粒子、電磁等多種復雜的耦合環(huán)境；②不同環(huán)境因素對結構/材料的影響機理復雜，目前沒有完備的表征手段；③由此帶來結構/材料領域新的挑戰(zhàn)，要求重量更輕、防熱能力更優(yōu)、可重復使用性能更好等。因此，未來空天飛行器面臨著新的結構/材料體系的嚴峻挑戰(zhàn)。

1)高超聲速飛行結構基礎問題

空天飛行面臨著惡劣的力、熱、化學環(huán)境，存在氧化性強的離解氣體。因此對飛行器結構提出了以下要求：外形扁平、尺度規(guī)模大，工作時間長、可達小時級、結構輕量化要求高，可重復使用性能需求復雜。

圖19 航天飛機結構表面熱環(huán)境

2)高超聲速飛行材料基礎問題

現(xiàn)有基礎材料已不能完全滿足空天飛行器使用要求，存在著前緣材料的耐溫、抗氧化、抗沖刷、抗熱震和可重復使用問題，隔熱材料的耐溫、高效隔熱、輕質和可重復使用問題，主承載結構材料的大剛度、高強度、輕質和可重復使用問題等。因此需要針對材料應用要求，開展新材料的研制，或者對現(xiàn)有材料進行改進，從材料機理、材料設計、制備工藝方法、地面試驗、飛行試驗等方面解決不同材料的核心性能問題。

圖20 防隔熱一體化材料

3)可重復使用大型輕質結構及制造技術問題

大型、復雜結構的剛度對空天飛行器氣動性能、飛行控制具有重要影響。例如航天飛機軌道器的一階頻率不到2 Hz，在20 Hz范圍內的模態(tài)多達50個左右，氣動彈性問題突出。而高溫、大溫度梯度、扁平外形、輕量化要求，都為提高空天飛行器結構剛度帶來了極大的難度。因此，需要結合熱管理技術的研究，從新材料應用、設計技術、制造技術等各個方面，解決大型冷結構、大型熱結構的熱變形匹配、剛度設計與結構輕量化等問題，實現(xiàn)結構重量低、抗變形能力強、重復使用可靠的目標。

4)結構功能一體化問題

在嚴酷的力、熱、聲疲勞及高溫蠕變等載荷、復雜靜/動力學條件下，高指標要求的載荷與熱防護系統(tǒng)在現(xiàn)有技術水平下有較大風險，需從可重復使用材料、輕質高效熱防護、結構輕量化及集成應用實現(xiàn)結構功能一體化，統(tǒng)籌協(xié)調材料性能與熱防護代價、承載防隔熱性能匹配與飛行器減重、結構可靠性與輕量化等耦合問題。

5)結構檢測與健康管理問題

空天飛行器往返于地球表面和太空之間執(zhí)行各類空間任務，在多次往返使用過程中，可能產生結構變形、材料退化等問題。結構健康監(jiān)測通過集成傳感器獲取和分析數(shù)據(jù)以確定結構健康狀況的過程實現(xiàn)原位監(jiān)測和實時在線診斷，系統(tǒng)進行完整性評估，確定剩余壽命。及時掌握空天飛行器在軌道和地面上的健康狀況對于維持其可靠性和安全性有重大意義[28-33]。

2.4 制導控制基礎科學問題

空天飛行器面臨復雜的環(huán)境特性、任務特性以及飛行器本身多要素耦合等特點，對制導控制技術提出了四大方面的新挑戰(zhàn)：

復雜的動力學特性、復雜的軌跡約束、高要求的穩(wěn)定控制以及高難度的探測識別。

圖21 空天飛行器制導控制面臨的挑戰(zhàn)

1)動力學特性復雜問題

①力、熱、聲、振多場耦合外部環(huán)境特性以及由高速飛行帶來的復雜流動機理，使得空天飛行器動力學建模存在較大的不確定性；②機體、推進一體化-內外流場耦合嚴重，氣動特性與推進特性互相影響與制約；③飛行器結構在嚴酷力熱載荷作用下產生彈性形變與彈性振動，對飛行動力學產生顯著影響[34]。

圖22 機體彈性影響示意圖

2)軌跡約束復雜問題

①飛行器爬升段涉及氣動姿態(tài)角、燃油當量比和火箭流量等多設計變量，對攻角、側滑角的上下邊界和動態(tài)變化過程限制約束多，不同控制輸入間、控制輸入與飛行狀態(tài)間的交叉耦合動力學耦合強；②飛行器再入飛行段面臨力熱載荷要求帶來的動壓、過載和熱流等約束，同時還應充分考慮返場需求帶來的終端速度、高度及航程約束，飛行走廊狹窄、復雜氣動環(huán)境帶來較大不確定性等問題；③臨近空間大氣稀薄，導致單純依靠氣動力實現(xiàn)軌跡機動難度較高，同時臨近空間環(huán)境導致飛行器舵效無法滿足姿態(tài)回路快速指令響應的需求。

圖23 空天飛行器再入走廊示意

圖24 氣動、動力、軌跡強耦合制導

3)穩(wěn)定控制要求高問題

①為滿足空天飛行器跨大氣層飛行，需引入直接力、氣動力復合控制方式，其噴流干擾特性將顯著影響直接力及氣動力矩大小和方向，模型不確定性影響增大；②為了滿足寬域飛行，引入增升裝置或附加控制裝置會顯著對彼此流場產生干擾和影響，改變操縱效率；③為實現(xiàn)全飛行包線靜穩(wěn)定，放寬靜穩(wěn)定性設計使得剛體穩(wěn)定控制性能與彈性抑制不能兼顧，彈性靜不穩(wěn)定控制設計。

4)探測與識別難度高問題

①高速飛行過程中氣動光學效應影響了光學設備對目標的探測和識別，振動及大過載機動會嚴重影響高分辨率成像；②空天飛行器為適應高超聲速飛行，通常采用扁平前體結構，使得雷達體積(特別是天線尺寸)受限，同時氣動加熱引起的熱噪聲問題突出，將會影響成像探測；③空天飛行器機體周圍形成等離子鞘套，電磁波產生反射、折射及散射，同時吸收電磁波能量，產生射頻黑障，影響通信設備正常工作。

圖25 紅外窗口外流場結構示意圖

圖26 產生黑障過程再入飛行器周圍流場分布

5)動力學建模問題

一方面，稀薄氣體效應、高溫氣體效應以及流動轉捩等物理現(xiàn)象機理尚未完全揭示，對氣動和動力特性的預測具有很大不確定性，可能導致動力學建模存在嚴重的誤差。另一方面，空天飛行器面向動力學分析與控制建模主要采用傳統(tǒng)基于系數(shù)凍結的小擾動線性化模型簡化方法，尚無完備理論依據(jù)進行穩(wěn)定性分析。同時擾動模型是基于泰勒展開的數(shù)學原理獲得，忽略了高階項小量，采用基于擾動模型設計的分段控制器在飛行過程中出現(xiàn)模型參數(shù)大氛圍劇烈變化時，可能導致控制失穩(wěn)。

6)故障診斷與容錯控制技術

空天飛行器作為可重復使用飛行器，其控制精度和穩(wěn)定度的要求較高。為了保障空天飛行器自主運行，在通常的“避錯”和被動式容錯的技術手段上，必須大力發(fā)展和應用自主式故障診斷和系統(tǒng)重構等容錯技術，發(fā)展空間智能自主控制技術，對空天飛行器控制系統(tǒng)故障進行分析和對策研究，使得系統(tǒng)具有自主故障診斷和重組、重構的容錯控制能力，以提高系統(tǒng)可靠性[35-39]。

2.5 試驗基礎科學問題

空天飛行器試驗驗證主要包括地面試驗和飛行試驗兩種方式。其中，地面試驗(風洞試驗)主要包括動力系統(tǒng)試驗、氣動性能試驗、綜合環(huán)境結構性能試驗等;飛行試驗主要包括帶飛試驗、自主飛行試驗等。空天飛行器飛行環(huán)境復雜、飛行包絡寬，在地面難以建立完全模擬真實飛行環(huán)境的試驗設施條件，而飛行試驗往往成本高、周期長、不可重復使用，同樣存在局限性。因此，空天飛行器面臨著天地一致性、試驗真實性覆蓋性差等問題。

圖27 地面風洞試驗

1)地面試驗技術問題

空天飛行器構型復雜、制導控制系統(tǒng)非線性且多約束、飛行過程面臨嚴酷的力、熱、電等綜合載荷環(huán)境問題，對其地面仿真試驗的模擬條件、測量精度和試驗設計提出了很高的要求。因此需要開展地面試驗機理分析，建立多領域緊耦合的高效虛擬飛行試驗方法，開展模擬空天飛行特有的自然環(huán)境、力學環(huán)境、氣動虛擬驗證、電磁環(huán)境和綜合環(huán)境的空天環(huán)境模擬技術研究，深化縮尺相似準則,總溫、總壓、馬赫數(shù)匹配調節(jié)技術,高馬赫數(shù)長時間高焓風洞驅動技術等研究，滿足空天飛行器研制和試驗需求。

圖28 HyFly風洞試驗

2)飛行試驗技術問題

從20世紀60年代以來開展的空天飛行器技術驗證飛行試驗項目來看，飛行試驗安排的時機有兩個：①在基礎研究和關鍵技術攻關中，無法通過地面試驗進行驗證的項目，需要進行飛行試驗驗證；②在關鍵技術攻關進展到一定程度，需要進行氣動、動力、結構、控制等多項技術集成驗證時，需要進行飛行試驗驗證。因此開展飛行試驗是進行臨近空間相關技術研究的重要手段，應采用成熟技術研制飛行試驗平臺，開展支撐演示驗證的精確測量技術研究等。

圖29 X-51高超聲速飛行試驗

3 空天飛行技術發(fā)展展望

3.1 開辟新太空時代，助力空天發(fā)展

太空是人類未來發(fā)展前沿，發(fā)展新一代航天運輸系統(tǒng)，是人類大規(guī)模發(fā)展建設太空，開辟新太空時代的根本前提?？仗祜w行器“廉價、快速、靈活、機動”的技術優(yōu)勢，將顛覆現(xiàn)有進出空間的方式，開辟以高頻次航天發(fā)射和大規(guī)?？臻g應用為主要特征的新太空時代。

空天飛行器以吸氣式組合發(fā)動機為動力，在機場水平起降，充分利用大氣中的氧，降低推進劑消耗，通過重復使用降低發(fā)射成本；通過“航班化”運行實現(xiàn)發(fā)射任務的快速、緊急發(fā)射；在稠密大氣至臨近空間高速機動飛行，可捕捉更多的發(fā)射、返回機會。

圖30 航班化起飛

圖31 高機動能力捕獲更大發(fā)射窗口

空天飛行器可以自由進出太空，向空間站等空間系統(tǒng)補充人員、物資、燃料，提供在軌服務，把空間站內制成的產品運回地球，支撐太空建設；還可以搭載乘客進行太空旅行，方便地到達世界的任何敵方。此外，空天飛行器還可以對自然災害進行快速響應等。

圖32 空天飛行器應用

3.2 吸氣式組合動力是空天飛行器的核心，三組合發(fā)動機是重要發(fā)展方向

單一類型動力無法滿足水平起降、寬速域機動、高效飛行等自由往返需求，吸氣式組合動力是必然發(fā)展趨勢。組合動力能夠根據(jù)不同速域靈活采用最優(yōu)熱力循環(huán)模式，使全程平均比沖性能達到最優(yōu)；吸氣式動力能夠充分利用大氣中的氧，實現(xiàn)高效推進；并且能夠滿足高頻次重復使用要求，實現(xiàn)便捷水平起降和自由轉場飛行。因此發(fā)展吸氣式組合動力空天飛行器已成為歷史發(fā)展的必然選擇。

組合動力中，TBCC發(fā)動機綜合比沖性能較優(yōu)，但存在推力陷阱和難以入軌問題；RBCC發(fā)動機初始低速段比沖性能較低，燃料消耗量大。三組合發(fā)動機可兼顧低速燃油經(jīng)濟性和寬域高馬赫數(shù)加速性，能夠最大程度利用大氣中的氧，實現(xiàn)最優(yōu)比沖性能。因此，三組合發(fā)動機是未來吸氣式組合動力的重要發(fā)展方向[40]。

3.3 推動航空航天融合，帶動空天產業(yè)快速發(fā)展

空天飛行技術的發(fā)展將帶來航空技術的新飛躍，促進航空航天技術體系深度融合，帶動制造業(yè)的產業(yè)變革升級。航空航天技術的深度融合，將帶動基礎科學研究和高新科技群體突破，引領高效推進、自動控制、太空制造、空間探測、人工智能技術等一大批前沿技術的群體躍升。

圖34 三組合發(fā)動機比沖性能

空天飛行技術的發(fā)展將為高速交通、天地往返可重復使用運輸、大規(guī)?？臻g開發(fā)和深空探測提供“廉價、安全、便捷、機動”的航天運輸新模式，在牽引衛(wèi)星導航、廣播通信、商業(yè)航天、空間試驗等產業(yè)轉型升級的基礎上，推動高效能源、人工智能、太空經(jīng)濟等產業(yè)衍生集群，搶占新興經(jīng)濟產業(yè)增長點。

圖35 三組合發(fā)動機是重要發(fā)展方向

圖36 空天飛行領域科學研究體系

圖37 波音公司Ma 5級高超聲速客機

4 結束語

空天時代已經(jīng)來臨，發(fā)展空天飛行技術能夠支撐未來大規(guī)模開發(fā)和利用空間，將形成"廉價、便捷、安全、機動"的天地往返運輸工具，開辟以高頻次航天發(fā)射和大規(guī)模空間應用為主要特征的新太空時代，推動空間產業(yè)快速發(fā)展。