揭开空天飞机的秘密——访空军工程大学杨建军教授

（《兵工科技》2010年6月）

什么是空天飞机？

      本刊记者（以下简称记）：目前针对空天飞机，有没有一个准确的概念界定？也就是说，什么样的飞行器才能算是空天飞机？它与航天飞机有什么不同？
      杨建军教授（以下简称杨）：就目前公认的概念而言，空天飞机是一种既能航空又能航天的新型飞行器。以最早研究空天飞机并尝试对其提出定义的美国为例，它在上世纪80年代提出的“国家空天飞机计  划”里，就将空天飞机说成是“能够以常规飞机的方式起飞，在大气层内以高超声速飞行，直接进入低地球轨道，完成任务后再返回大气层，以常规飞机方式水平着陆”的飞行器。
      而我个人认为，既然是空天飞机，首先，它就应该能在空和天两个状态之间自由的飞，能进行状态的切换：既能在外空间进行机动飞行，也能在大气层内像现在的飞机一样飞行。其次，空天飞机是一架飞机，而不是火箭，飞机跟火箭的状态有很多不同之处，因此飞机要能够自主起飞，要能够重复使用，这两点目前使用的火箭作为主动力的航天器都做不到。现在的航天器，都是用火箭打上去的，然后火箭就自行脱落抛掉了。如果空天飞机也要用火箭打，那么每次发射都要经过一段很长时间的准备，那样一来作战反应肯定不快，对作战飞机而言就没有意义了，因此必须能自主起飞。另外，除了空天飞机外只有航天飞机可以重复使用，但它返回的时候是无动力滑翔状态，在大气层内，基本没有机动能力——我们说的机动能力不是简单的轨迹调整，而是真正能够用于作战的。而空天飞机的返回则是像普通飞机那样在机场上正常降落的。
      只有符合了以上这些要求，才能认为它是一件真正的空天飞机。

空天飞机的飞行范围

      记：您刚才提到空天飞机可以在空天来回穿梭，那么空/天的具体高度目前是怎样定义的？
      杨：实际上我们一般的概念中，“空”的上限公认为25千米，顶多到30千米，像美国的SR-71“黑鸟”的升限也就是30千米，而侦查卫星的最低轨道是200千米左右，因为再往下的空间还有少量的空气，由于地球引力的作用，轨道高度很难维持。
而30千米到200千米这一段，一般被称为临近空间。我认为，空天飞机的真正作战空间，就在30千米以下的大气层和临近空间之间。

      记：为什么空天飞机要选择这个高度？
      杨：这个主要是作战需求决定的。首先，现在的空战主要是在25千米以下的大气层进行的，不管是防空导弹还是飞机，其活动高度一般都不超过25千米，而临近空间目前则是一个新概念的作战空间，以前因为技术限制没有得到充分利用，现在大家都在研制临近空间飞行器，未来很可能形成在临近空间内的对抗。
      其次，对目前的防空和反导武器来说，25千米到40千米这段空间内，是一个两者都照顾不到的盲区。防空导弹可以达到30千米，但一般而言作战高度不超过25千米，更不可能达到40千米，40千米以上就属于美国的高空末端反导系统THAAD的范围了。而在这个区间内，目前没有武器可以照顾的到。THAAD可以打到40千米，但在这段空间内由于与空气剧烈摩擦受热，THAAD使用的红外导引头无法工作，还必须用一个隔离罩保护住导引头，等飞到40千米以上脱离保护罩之后导引头才开始工作，因此就只能反导不能防空，没法到25~40千米内的目标。那么未来这个区间内的目标谁来对付？这就需要有空天作战飞机。

空天飞机需要“革命性”的全新气动外形

      记：您提到空天飞机既要在大气层内由于飞行，又要在25千米以上的空气稀薄的情况下飞行，那么是不是就需要有新的气动理论和外形？
      杨：由于临近空间和大气层拥有完全不同的环境，因此属于上我们将空天飞机称为“跨介质”飞行器，它就需要有革命性的全新气动外形。
我们知道，传统的飞机升力来源于飞行过场中机翼上下表面因为气流流速不同而形成的压差，这就是著名的伯努利定律，即升力体气动理论。但空天飞机要跨越亚音速、声速、超声速3个阶段，才能进入高超声速，飞机飞行的速度范围很宽。同时要从稠密的大气层冲向稀薄的大气层，其空气密度变化也很大。在30千米以上的高空，传统气动布局的飞机在这里无法获得足够的升力，没法飞了。所以要搞空天飞机，沿用伯努利定理就行不通了，现在提出的新的气动理论就是乘波体理论。这种布局理论不依赖于传统的气动升力，而是将飞机设计成楔形的一块，通过一体化的机身前部的倾斜平坦机腹、楔形机头共同作用，将前方高速气流进行压缩，把高速飞行中产生的超声速激波压在机腹下，利用激波产生的向上的压力托起机身，为飞行器提供足够的升力，空天飞机则像帆板一样，乘在这种激波上“破浪前行”。这种乘波体布局，不需要在飞机布局中过于突出传统的升力面，同时也能很好克服高超声速飞行时急剧增大的阻力。目前所有的空天飞行器，都是采用的乘波体理论布局。比如X-33，X-47,HTV-2，都采用了乘波体布局。
但是这个乘波体气动理论，也存在有缺陷。

      记：乘波体气动理论的缺陷主要在哪里？
      杨：因为空天飞机要有空、天两种飞行状态，就必须同时具备升力体和乘波体两种理论兼顾的外形设计，两种都得到满足。就目前而言，要想两全其美还很难，像美国的X-47和HTV-2，他们的乘波体设计使其具有在临近空间的高超声速飞行的良好性能，但在大气层内，它的气动性能与采用传统升力体设计的现代飞机相比，差距还比较大。比方说，现在的乘波体设计的空天飞机，在高超声速状态下飞的很好，但它还需要在大气层内低速飞行，这个从低速到高速的状态下飞行性能就比较差，由于它采用了一体化设计，没有垂尾、平尾和机翼，甚至没有足够的控制面来进行机动。

      此外，乘波体空天飞机的姿态控制也非常困难，因为空天飞机要作战就必须机动，机动就是改变飞机的飞行姿态，而飞行姿态以改变，乘波体赖以获得升力的激波系就变了，激波系一变，升力特性就会发生变化，飞机很有可能会失去控制。此外还有发动机进气的问题，因为冲压发动机对于机动是非常敏感的，一旦发飞机姿态改变，进气改变，发动机内的空气流动就马上会发生变化。而空天飞机在作战机动的时候难免会发生大迎角飞行、侧飞、倒飞等状态，这个时候发动机就很可能熄火。而传统的航空发动机前面有导流叶片、压气机、即便进气状态发生变化，至少可以保证燃烧室是稳定的。

      就目前来看，还没有一种外形设计能够真正满足空天飞机两种作战状态需要。同时，未来的武器发展大方向虽说是走向综合，但空/天由于作战状态、环境、介质和所符合的物理定律差别太大，可能无法很完美的兼顾和融合，因此可能还是要分开。要么继续发展航空器，要么发展专用的临近空间或太空作战飞行器，空天飞机能否一统天下，现在还很能预测，主要是看有没有更大的进步和突破。

空天飞机的速度为什么快？

      记：外界报道都提到X-37B的速度最高速度可达20马赫，但它毕竟不同于弹道导弹，是一个个头大得多，具有更复杂气动外形的飞行器，那么空天飞机在高空中为什么能达到那么高的速度呢？
      杨：有两个原因，第一没有那么高的速度，空天飞机在空气稀薄的高空中就无法获得足够的升力，稳定不住，同时空气稀薄，阻力本身就比较小；第二，如果不飞的那么快，高空中就没有足够的空气供空天飞机的发动机使用，因为空天飞机在稀薄空气中使用的是吸气式发动机，必须通过吸入足够的空气才能工作。高空中空气稀薄，因此只有速度足够快，才能吸到足够多的空气量。所以现在还有一个设想，就是携带一个液氧瓶，来进行自身补氧，以弥补高空进气量不足的问题。原先燃料用的是航空煤油，现在则有了一种新燃料——高碳氢燃料，新燃料的燃烧效率更高，因此能够保证飞机有足够的飞行动力。第三，空天飞机从外层空间返回大气层的再入段，高度是在降低的，此时重力势能转化为动能，因此有很高的加速度，可以使空天飞机的速度迅速提高，你说的20马赫，应该也是在再入大气层阶段得到的。（《兵工科技》2010年6月）

什么是空天飞机？

      本刊记者（以下简称记）：目前针对空天飞机，有没有一个准确的概念界定？也就是说，什么样的飞行器才能算是空天飞机？它与航天飞机有什么不同？
      杨建军教授（以下简称杨）：就目前公认的概念而言，空天飞机是一种既能航空又能航天的新型飞行器。以最早研究空天飞机并尝试对其提出定义的美国为例，它在上世纪80年代提出的“国家空天飞机计  划”里，就将空天飞机说成是“能够以常规飞机的方式起飞，在大气层内以高超声速飞行，直接进入低地球轨道，完成任务后再返回大气层，以常规飞机方式水平着陆”的飞行器。
      而我个人认为，既然是空天飞机，首先，它就应该能在空和天两个状态之间自由的飞，能进行状态的切换：既能在外空间进行机动飞行，也能在大气层内像现在的飞机一样飞行。其次，空天飞机是一架飞机，而不是火箭，飞机跟火箭的状态有很多不同之处，因此飞机要能够自主起飞，要能够重复使用，这两点目前使用的火箭作为主动力的航天器都做不到。现在的航天器，都是用火箭打上去的，然后火箭就自行脱落抛掉了。如果空天飞机也要用火箭打，那么每次发射都要经过一段很长时间的准备，那样一来作战反应肯定不快，对作战飞机而言就没有意义了，因此必须能自主起飞。另外，除了空天飞机外只有航天飞机可以重复使用，但它返回的时候是无动力滑翔状态，在大气层内，基本没有机动能力——我们说的机动能力不是简单的轨迹调整，而是真正能够用于作战的。而空天飞机的返回则是像普通飞机那样在机场上正常降落的。
      只有符合了以上这些要求，才能认为它是一件真正的空天飞机。

空天飞机的飞行范围

      记：您刚才提到空天飞机可以在空天来回穿梭，那么空/天的具体高度目前是怎样定义的？
      杨：实际上我们一般的概念中，“空”的上限公认为25千米，顶多到30千米，像美国的SR-71“黑鸟”的升限也就是30千米，而侦查卫星的最低轨道是200千米左右，因为再往下的空间还有少量的空气，由于地球引力的作用，轨道高度很难维持。
而30千米到200千米这一段，一般被称为临近空间。我认为，空天飞机的真正作战空间，就在30千米以下的大气层和临近空间之间。

      记：为什么空天飞机要选择这个高度？
      杨：这个主要是作战需求决定的。首先，现在的空战主要是在25千米以下的大气层进行的，不管是防空导弹还是飞机，其活动高度一般都不超过25千米，而临近空间目前则是一个新概念的作战空间，以前因为技术限制没有得到充分利用，现在大家都在研制临近空间飞行器，未来很可能形成在临近空间内的对抗。
      其次，对目前的防空和反导武器来说，25千米到40千米这段空间内，是一个两者都照顾不到的盲区。防空导弹可以达到30千米，但一般而言作战高度不超过25千米，更不可能达到40千米，40千米以上就属于美国的高空末端反导系统THAAD的范围了。而在这个区间内，目前没有武器可以照顾的到。THAAD可以打到40千米，但在这段空间内由于与空气剧烈摩擦受热，THAAD使用的红外导引头无法工作，还必须用一个隔离罩保护住导引头，等飞到40千米以上脱离保护罩之后导引头才开始工作，因此就只能反导不能防空，没法到25~40千米内的目标。那么未来这个区间内的目标谁来对付？这就需要有空天作战飞机。

空天飞机需要“革命性”的全新气动外形

      记：您提到空天飞机既要在大气层内由于飞行，又要在25千米以上的空气稀薄的情况下飞行，那么是不是就需要有新的气动理论和外形？
      杨：由于临近空间和大气层拥有完全不同的环境，因此属于上我们将空天飞机称为“跨介质”飞行器，它就需要有革命性的全新气动外形。
我们知道，传统的飞机升力来源于飞行过场中机翼上下表面因为气流流速不同而形成的压差，这就是著名的伯努利定律，即升力体气动理论。但空天飞机要跨越亚音速、声速、超声速3个阶段，才能进入高超声速，飞机飞行的速度范围很宽。同时要从稠密的大气层冲向稀薄的大气层，其空气密度变化也很大。在30千米以上的高空，传统气动布局的飞机在这里无法获得足够的升力，没法飞了。所以要搞空天飞机，沿用伯努利定理就行不通了，现在提出的新的气动理论就是乘波体理论。这种布局理论不依赖于传统的气动升力，而是将飞机设计成楔形的一块，通过一体化的机身前部的倾斜平坦机腹、楔形机头共同作用，将前方高速气流进行压缩，把高速飞行中产生的超声速激波压在机腹下，利用激波产生的向上的压力托起机身，为飞行器提供足够的升力，空天飞机则像帆板一样，乘在这种激波上“破浪前行”。这种乘波体布局，不需要在飞机布局中过于突出传统的升力面，同时也能很好克服高超声速飞行时急剧增大的阻力。目前所有的空天飞行器，都是采用的乘波体理论布局。比如X-33，X-47,HTV-2，都采用了乘波体布局。
但是这个乘波体气动理论，也存在有缺陷。

      记：乘波体气动理论的缺陷主要在哪里？
      杨：因为空天飞机要有空、天两种飞行状态，就必须同时具备升力体和乘波体两种理论兼顾的外形设计，两种都得到满足。就目前而言，要想两全其美还很难，像美国的X-47和HTV-2，他们的乘波体设计使其具有在临近空间的高超声速飞行的良好性能，但在大气层内，它的气动性能与采用传统升力体设计的现代飞机相比，差距还比较大。比方说，现在的乘波体设计的空天飞机，在高超声速状态下飞的很好，但它还需要在大气层内低速飞行，这个从低速到高速的状态下飞行性能就比较差，由于它采用了一体化设计，没有垂尾、平尾和机翼，甚至没有足够的控制面来进行机动。

      此外，乘波体空天飞机的姿态控制也非常困难，因为空天飞机要作战就必须机动，机动就是改变飞机的飞行姿态，而飞行姿态以改变，乘波体赖以获得升力的激波系就变了，激波系一变，升力特性就会发生变化，飞机很有可能会失去控制。此外还有发动机进气的问题，因为冲压发动机对于机动是非常敏感的，一旦发飞机姿态改变，进气改变，发动机内的空气流动就马上会发生变化。而空天飞机在作战机动的时候难免会发生大迎角飞行、侧飞、倒飞等状态，这个时候发动机就很可能熄火。而传统的航空发动机前面有导流叶片、压气机、即便进气状态发生变化，至少可以保证燃烧室是稳定的。

      就目前来看，还没有一种外形设计能够真正满足空天飞机两种作战状态需要。同时，未来的武器发展大方向虽说是走向综合，但空/天由于作战状态、环境、介质和所符合的物理定律差别太大，可能无法很完美的兼顾和融合，因此可能还是要分开。要么继续发展航空器，要么发展专用的临近空间或太空作战飞行器，空天飞机能否一统天下，现在还很能预测，主要是看有没有更大的进步和突破。

空天飞机的速度为什么快？

      记：外界报道都提到X-37B的速度最高速度可达20马赫，但它毕竟不同于弹道导弹，是一个个头大得多，具有更复杂气动外形的飞行器，那么空天飞机在高空中为什么能达到那么高的速度呢？
      杨：有两个原因，第一没有那么高的速度，空天飞机在空气稀薄的高空中就无法获得足够的升力，稳定不住，同时空气稀薄，阻力本身就比较小；第二，如果不飞的那么快，高空中就没有足够的空气供空天飞机的发动机使用，因为空天飞机在稀薄空气中使用的是吸气式发动机，必须通过吸入足够的空气才能工作。高空中空气稀薄，因此只有速度足够快，才能吸到足够多的空气量。所以现在还有一个设想，就是携带一个液氧瓶，来进行自身补氧，以弥补高空进气量不足的问题。原先燃料用的是航空煤油，现在则有了一种新燃料——高碳氢燃料，新燃料的燃烧效率更高，因此能够保证飞机有足够的飞行动力。第三，空天飞机从外层空间返回大气层的再入段，高度是在降低的，此时重力势能转化为动能，因此有很高的加速度，可以使空天飞机的速度迅速提高，你说的20马赫，应该也是在再入大气层阶段得到的。