“技术难度极大”的空天飞机究竟难在哪里？
长期以来，为了降低航天发射的成本，使世界往返更加方便，世界各国都在努力开发可重复使用的运载火箭，其中著名的航天飞机和近年来火热的猎鹰9号火箭就是杰出的代表。
猎鹰9号发射(照片来源:www.spacex.com)
最近，有媒体报道称，中国也在开发类似的飞行器，并计划在2020年左右进行首次飞行。消息一出来，所有的朋友都很兴奋。然而，该报告还称，该飞行器仍是垂直发射的，至少需要15年才能实现可重复使用飞行器的最终目标——“太空飞机”。
许多人想知道，航天飞机经常被听到，但是航天飞机到底是什么？哪里真的很难？
美国“X-30”太空飞机概念图(照片来源:launiusr.wordpress.com)
与航天飞机有什么不同？
说到航天飞机，我相信我所有的朋友都熟悉它。从1981年4月12日美国将第一架航天飞机哥伦比亚号送入太空，到2011年7月21日航天飞机亚特兰蒂斯号完成谢幕之旅，在过去的30年里，航天飞机作为人类制造的最复杂的载体，在轨道救援、卫星回收和维护、特殊载荷部署等方面创造了无数历史。
亚特兰蒂斯号航天飞机缓慢着陆，宣告了美国航天飞机时代的结束(照片来源:en.wikipedia.org)
广义地说，航天飞机通常包括一个轨道器、一个外部燃料箱和两个固体助推器。然而，我们通常所说的航天飞机只是指轨道飞行器，也就是说，它是一种能载人并能在地球轨道上飞行但形状像飞机的部件。尽管航天飞机看起来像一架飞机，但它的发射方式与普通载人飞船完全相同。它使用火箭发动机垂直发射。航天飞机的形状只有当它从太空返回地面时才起作用。这时，它可以像飞机一样在跑道上滑行和着陆。
航天飞机由轨道器、外部燃料箱和助推器组成(照片来源:bagera3005.deviantart.com)
航天飞机使用火箭发动机垂直发射(照片来源:www.nasa.gov)
简而言之，航天飞机像火箭一样发射，但像飞机一样着陆。因此，为了让航天飞机飞向天空，它必须有一个火箭发动机，必须自带燃料和氧化剂。那么，我们能开发一种像飞机一样起飞的航空母舰吗？这样，在起飞阶段可以利用大气中的氧气来减少氧化剂的携带量，从而降低飞行成本。因此，太空飞机的概念应运而生。
航天飞机的全称是航天飞机。显然，它比航天飞机有更多的“航空”。这是两者之间最大的区别。与航天飞机不同，航天飞机必须在发射场发射，并在整个过程中使用火箭发动机，航天飞机可以在普通机场起飞。为了充分利用大气中的氧气，它在大气中飞行时首先使用一个吸气式发动机进行机动飞行。当速度超过2400公里/小时时，它使用冲压发动机，然后在到达大气层边缘时使用火箭发动机加速进入轨道。
英国正在开发的“小芸铁塔”飞机概念图(照片来源:spacenews.com)
除了不同的起飞方式，航天飞机和航天飞机之间还有许多不同之处。例如，航天飞机只能部分重复使用，而除了消耗推进剂外，航天飞机可以完全重复使用，因此发射成本仅为前者的十分之一。航天飞机在战斗中应用更广泛，在起飞和着陆时受气象和地理因素的影响更小。他们可以在太空巡航，伪装成侦察机、战斗机、轰炸机和其他类型的战斗机。这些都是航天飞机力所不及的。
为什么点亮科技之树很难？
虽然太空飞机有许多优点，但迄今为止它只存在于想象和试验阶段，世界上还没有实用的太空飞机。即使是媒体广为吹捧的“X-37B”，严格来说也是航天飞机的迷你版本，而不是真正的航天飞机。
美国“X-37B”轨道试验飞行器(照片来源:www.airspacemag.com)
“X-37B”的基本结构和数据是由运载火箭发射的，严格来说，它是航天飞机的迷你版本(照片来源:Sohu.com)
事实上，近几十年来，人类在发展太空飞机上花费的时间并没有减少。美国曾在20世纪80年代实施过“国家航天飞机计划”。虽然当时开发了“X-30”和其他实验模型，但他们无法攻克关键的发动机技术，最后别无选择，只能下马。英国、德国和其他国家也有自己的太空飞行计划，后来它们也相继失败。为什么点亮太空飞机的科技之树如此困难？
国家航天飞机概念图(照片来源:黄植诚新浪博客)
航天飞机面临许多技术瓶颈，其中最重要的是动力。为了实现跨大气层飞行，航空航天飞机必须从零加速到25马赫(即音速的25倍)，因此它必须有一个强大的心脏——发动机。然而，传统的吸气式发动机只能在马赫数小于3.5时工作，当马赫数超过6时，冲压式发动机的效率将急剧下降。为了获得更高的马赫数，必须开发新的发动机。一种解决方案是使用超音速燃烧冲压发动机，它可以在超音速气流中燃烧，比传统冲压发动机具有更高的燃烧效率和推力。然而，经过几十年的研究，美国科学家仍然无法理解马赫数大于10后气流的基本物理过程。此外，由于吸气式发动机、冲压式发动机和火箭发动机用于航空航天飞机，如何将它们组合起来也是一个非常困难的技术问题。
英国“小芸铁塔”航天飞机使用的发动机(照片来源:spacenews.com)
在空气动力学设计方面，航空航天飞机也面临着巨大的挑战。我们通常看到发动机悬挂在机翼下的飞机，但是为了减少阻力和适应高速飞行，航空航天飞机必须采用高度流线型的形状，所以发动机需要与机身结合。合并后的一个主要问题是如何保证发动机的进气道和喷管能随着飞行速度的变化而变化，这样既能在低速时提供足够的推力，又能在高速时降低油耗。然而，即使你能设计它，你仍然面临另一个大问题:很难通过实验来验证它。风洞实验是验证气动设计的重要手段。不幸的是，人们没有能力建造一个25马赫的风洞。
除了上面提到的两点之外，还有许多关键问题需要通过空间平面来解决。例如，每次进入或离开大气层时，航天飞机都会与大气层剧烈摩擦，机头温度超过2700摄氏度。即使航天飞机上使用的热防护材料也不能长时间忍受这种折磨。空对空飞机在起飞和着陆过程中会受到多种复杂载荷的作用，其稳定性和控制问题相当复杂，极难解决。对人类来说，发展太空飞机的道路仍然很漫长。
参考:
傅逸飞。中国的可重复使用航天器预计将于2020年在[首次飞行。《科技日报》，201731(03)。
林逸。还有很长的路要走，[·杰]。航空知识，1995(10):116。
[3]李郭桂平。[空间技术导论。北京:北京航空航天大学出版社，2014。
《国家航空航天飞机(NASP):后续飞行器的发展问题》，[研究中心。空军项目报告R-3878/AF，1993。