從低成本角度探討航天運(yùn)載器技術(shù)發(fā)展路線

　　摘要 為降低航天運(yùn)載發(fā)射成本，傳統(tǒng)的航天運(yùn)載器經(jīng)歷了一次性使用運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)、可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的發(fā)展歷程。分析了一次性使用運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)、可重復(fù)使用運(yùn)載火箭、空天飛行器的運(yùn)載方式與運(yùn)載成本，研究了國外空天飛行器發(fā)展情況，概括了空天飛行器發(fā)展面臨的寬域高超聲速流動與燃燒問題、真實(shí)氣體效應(yīng)問題、多種熱力循環(huán)模態(tài)轉(zhuǎn)換與匹配問題、超高溫作用下材料/結(jié)構(gòu)熱防護(hù)與失效問題、寬域高動態(tài)強(qiáng)耦合飛行控制問題。通過重復(fù)使用水平起降空天飛行器有望大幅降低航天運(yùn)載發(fā)射成本，但也面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，需重點(diǎn)投入和攻關(guān)。

　　本文源自朱坤; 楊鐵成; 周寧， 飛航導(dǎo)彈 發(fā)表時間：2021-07-16

　　關(guān)鍵詞 航天運(yùn)載器、空天飛行器、技術(shù)路線、重復(fù)使用、低成本

　　引 言

　　現(xiàn)代衛(wèi)星的大規(guī)模應(yīng)用對降低航天發(fā)射費(fèi)用的需求日趨強(qiáng)烈。2019 年，美太空探索技術(shù)公司(SpaceX)提出的星鏈計(jì)劃[1]獲得美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準(zhǔn)，將建成 4.2 萬顆衛(wèi)星組成的低軌互聯(lián)網(wǎng)巨型星座。同時，隨著導(dǎo)航、氣象、科研、偵察、測繪等衛(wèi)星需求的急劇增加，航天運(yùn)載發(fā)射呈現(xiàn)出“井噴式”發(fā)展態(tài)勢。除衛(wèi)星發(fā)射外，空間站補(bǔ)給、太空維護(hù)與救援、深空探測等活動也對未來航天運(yùn)載提出了更多需求。

　　航天運(yùn)載器代表了進(jìn)入空間的能力，是開發(fā)利用空間資源的基礎(chǔ)。降低航天發(fā)射費(fèi)用、縮短航天運(yùn)載發(fā)射周期是未來航天運(yùn)載器發(fā)展的重要方向。一次性使用運(yùn)載火箭的發(fā)動機(jī)比沖較低，箭體和發(fā)動機(jī)無法重復(fù)使用，發(fā)射準(zhǔn)備周期長，難以滿足未來大規(guī)模低成本空間開發(fā)需求;航天飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了軌道飛行器、固體燃料助推器的重復(fù)使用，但其不成熟的結(jié)構(gòu)熱防護(hù)技術(shù)使其發(fā)射成本居高不下，最終被迫退出歷史舞臺;可重復(fù)使用運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了箭體、火箭發(fā)動機(jī)及其它部分設(shè)備的垂直回收和再次使用，有望通過多次重復(fù)使用將運(yùn)載成本降低至一次性使用火箭發(fā)射成本的三分之一;水平起降空天飛行器可利用大氣層中的氧氣從而大幅度降低起飛質(zhì)量和總體規(guī)模，具備完全可重復(fù)使用能力，能夠滿足未來廉價(jià)、快速、便捷、自由進(jìn)出空間的需求，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　1 傳統(tǒng)航天運(yùn)載器

　　傳統(tǒng)航天運(yùn)載器運(yùn)載方式經(jīng)歷了由一次性使用運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)到可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的發(fā)展歷程，體現(xiàn)了人類對不斷降低發(fā)射費(fèi)用的探索與實(shí)踐。

　　1.1 一次性使用運(yùn)載火箭

　　長期以來，航天發(fā)射主要采用多級運(yùn)載火箭。垂直發(fā)射快速穿過 50 km 稠密大氣層，然后再逐漸傾斜至水平入軌。由于火箭發(fā)動機(jī)的比沖低[2](液氧/煤油發(fā)動機(jī)的地面比沖約為 300 s，液氫/液氧發(fā)動機(jī)約為 390 s)，為實(shí)現(xiàn)入軌飛行運(yùn)載火箭需采用多級形式，在飛行中依次拋掉已工作完畢的一級、二級火箭，減輕后級加速質(zhì)量，才能將衛(wèi)星不斷加速送入軌道。各級火箭殘骸落入大氣層墜毀或燒毀，可見運(yùn)載火箭一次性使用導(dǎo)致運(yùn)載費(fèi)用很高。

　　在一次性使用運(yùn)載火箭成本構(gòu)成中，發(fā)動機(jī)約占總成本的 54.3%，箭體結(jié)構(gòu)約占總成本的23.6%，電氣系統(tǒng)約占 8%，閥門管路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)約占 8.1%，點(diǎn)火、級間分離等火工品約占 5.3%，推進(jìn)劑成本約占 0.7%。一次性使用運(yùn)載火箭對于低地球軌道發(fā)射費(fèi)用每噸約為 300 萬美元，難以滿足未來大規(guī)模低成本空間開發(fā)需求。

　　1.2 航天飛機(jī)

　　火箭發(fā)動機(jī)和箭體結(jié)構(gòu)的成本約占運(yùn)載火箭成本的 78%，高價(jià)值發(fā)動機(jī)和箭體結(jié)構(gòu)的一次性使用是使運(yùn)載發(fā)射成本較高的重要原因，因此，20 世紀(jì) 70 年代美國啟動了航天飛機(jī)研發(fā)，試圖通過將火箭發(fā)動機(jī)和整機(jī)水平著落方式回收重復(fù)使用，從而大幅降低發(fā)射成本。預(yù)計(jì)航天飛機(jī)單次發(fā)射費(fèi)用為 5 400 萬美元(運(yùn)載能力 24 t，225 萬美元/t)，1981 年首飛成功，30 年內(nèi)共飛行了 135 次。

　　航天飛機(jī)由軌道飛行器、兩個固體燃料助推器和整體外掛內(nèi)部隔開的液氫/液氧燃料箱組成，其中，軌道飛行器、固體燃料助推器可重復(fù)使用，外掛液氫/液氧燃料箱在與軌道飛行器分離再入大氣層時燒毀。航天飛機(jī)總高度約 56 m，起飛質(zhì)量約 2 040 t，起飛推力約 2800 t，其中，軌道飛行器長約 37.2 m，翼展約 23.8 m。航天飛機(jī)采用與運(yùn)載火箭相同的垂直起飛方式，不同的是在完成空間任務(wù)后，軌道飛行器離軌再入大氣層，利用空氣減速，無動力下降，水平著陸，經(jīng)檢修后可再次發(fā)射。因此，航天飛機(jī)不僅可執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，還可將空間載荷運(yùn)回地球。

　　軌道飛行器在再入大氣層過程中氣動加熱嚴(yán)酷，機(jī)體表面需要?dú)v經(jīng) 2 000℃高溫的灼燒，面臨高溫、沖刷、熱密封等嚴(yán)酷難題，然而重復(fù)使用結(jié)構(gòu)熱防護(hù)技術(shù)不成熟，使得返場著陸后需要進(jìn)行大量的拆解、檢測和維護(hù)，特別是熱防護(hù)瓦的探測、維護(hù)和更換使航天飛機(jī)發(fā)射及維護(hù)成本居高不下。航天飛機(jī)實(shí)際單次發(fā)射成本高達(dá) 7.75 億美元，因此不得不在 2011 年后退役。雖然航天飛機(jī)沒有達(dá)到大幅降低發(fā)射費(fèi)用的目標(biāo)，但其在降低發(fā)射費(fèi)用方面做出了有益探索，并指明了探索方向。

　　1.3 可重復(fù)使用運(yùn)載火箭

　　航天飛機(jī)項(xiàng)目失敗的主要原因是再入大氣層重復(fù)使用熱防護(hù)技術(shù)不成熟，但其將成本最高的火箭發(fā)動機(jī)回收再使用以求降低航天運(yùn)載成本的技術(shù)途徑是可借鑒的。針對一級火箭占全部運(yùn)載火箭質(zhì)量和成本 70%以上的情況，美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)提出了一級火箭垂直回收思路，既可大幅度降低成本，又避開了再入大氣層面臨的嚴(yán)酷熱環(huán)境。

　　雖幾經(jīng)挫折，SpaceX 公司還是成功開辟了一條一子級運(yùn)載火箭回收和重復(fù)使用之路。2014 年 10 月，SpaceX 公司成功完成了獵鷹 9 號運(yùn)載火箭一子級陸基垂直回收技術(shù)驗(yàn)證;2015 年 12 月和 2016 年 4 月，分別完成了商業(yè)運(yùn)載火箭一子級陸基垂直回收和海基垂直回收;2017 年 3 月，完成了回收一子級運(yùn)載火箭的二次商業(yè)運(yùn)載發(fā)射。SpaceX 公司表示，獵鷹 9 號火箭可能被重復(fù)使用 10～20 次，稍加翻新有望能支持百次發(fā)射任務(wù)，為未來廉價(jià)和快速進(jìn)入空間開辟了一條新的技術(shù)途徑。

　　相對航天飛機(jī)的軌道飛行器，獵鷹 9 號運(yùn)載火箭一子級的飛行速度小(馬赫數(shù) 6 左右)、高度低(60 km 左右)，其飛行環(huán)境比軌道器再入的熱流密度低得多，同時一子級運(yùn)載火箭采用垂直著陸方式，使回收過程中的熱流密度進(jìn)一步降低，因此以較低成本實(shí)現(xiàn)了一級發(fā)動機(jī)、箭體及其它設(shè)備的重復(fù)使用。

　　依據(jù)美國空軍工程大學(xué)的運(yùn)載工具成本分析模型，可重復(fù)使用運(yùn)載器(RLV)每次發(fā)射任務(wù)都會分?jǐn)偛糠种圃斐杀荆瑔挝毁|(zhì)量有效載荷發(fā)射成本隨著發(fā)射次數(shù)的增多而逐漸下降，但隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，燃料和維護(hù)費(fèi)用占比將不斷增加，因此，當(dāng)重復(fù)使用次數(shù)達(dá)到一定的數(shù)量之后，重復(fù)使用運(yùn)載火箭的航天發(fā)射成本將趨于平穩(wěn)。

　　以獵鷹 9 號運(yùn)載火箭為例，對重復(fù)使用運(yùn)載火箭的運(yùn)載成本進(jìn)行了估算，其中一子級火箭為重復(fù)使用，二子級火箭為一次性使用。估算同時考慮了運(yùn)載火箭的制造成本、重復(fù)使用維護(hù)成本和每次發(fā)射的燃料/氧化劑成本，運(yùn)載火箭的研發(fā)成本未考慮在內(nèi)。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著重復(fù)使用次數(shù)增加，運(yùn)載成本逐漸降低，并趨于平緩，重復(fù)使用 18 次后，運(yùn)載成本接近一次性使用運(yùn)載火箭成本的三分之一。

　　2 空天飛行器

　　一次性使用運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)和可重復(fù)使用運(yùn)載火箭難以進(jìn)一步大幅度降低成本的主要原因是

　　火箭發(fā)動機(jī)比沖較低，所以不得不采用多級運(yùn)載方式入軌，該運(yùn)載方式增加了火箭發(fā)動機(jī)、箭體數(shù)量和分離等，導(dǎo)致成本難以大幅度降低;同時傳統(tǒng)運(yùn)載器的火箭發(fā)動機(jī)動力形式不得不攜帶大量氧化劑，致使推進(jìn)劑質(zhì)量占比相當(dāng)高(如運(yùn)載火箭推進(jìn)劑占比高達(dá) 90%以上)。計(jì)算表明，即使一級火箭全部重復(fù)使用，重復(fù)使用發(fā)射百次時，氧化劑和燃料費(fèi)用將占發(fā)射費(fèi)用的 40%以上，而一級運(yùn)載火箭費(fèi)用占全部運(yùn)載火箭費(fèi)用的 70%以上。上述分析表明，進(jìn)一步大規(guī)模降低發(fā)射費(fèi)用的技術(shù)方向之一是采用新型動力，盡可能利用空氣中的氧氣工作，大幅度降低氧化劑攜帶量。

　　空天飛行器是采用吸氣式組合動力、升力式構(gòu)型，能在普通機(jī)場水平起降，可在稠密大氣、臨近空間、軌道空間飛行的重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)。由于空天飛行器既可充分利用大氣層中的氧氣，大幅降低氧化劑的攜帶量，從而大幅度降低發(fā)射質(zhì)量和規(guī)模，同時又采用升力體構(gòu)型，利用升力克服重力，只需較小推力即可實(shí)現(xiàn)不斷加速。因而有望實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用，大幅降低發(fā)射成本。

　　為此，國外自 20 世紀(jì) 60 年代以來，以水平起降重復(fù)使用空天飛行器為目標(biāo)，持續(xù)開展了吸氣式組合動力推進(jìn)天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及驗(yàn)證工作，并實(shí)施了多個國家層面的研究計(jì)劃，如美國的國家空天飛機(jī)計(jì)劃(NASP)[3]、英國的云霄塔(Skylon)、德國的桑格爾(Sänger)等。

　　2.1 美國

　　1986 年，美國空軍和美國宇航局聯(lián)合啟動了 NASP 計(jì)劃，在世界范圍內(nèi)掀起了空天飛行器研究的高潮。NASP 計(jì)劃的目標(biāo)是開發(fā)一種可完全重復(fù)使用、研制成本比航天飛機(jī)低一個量級、可水平起降的試驗(yàn)性 X-30 單級入軌飛行器。NASP 計(jì)劃借助數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了 X-30 單級入軌飛行器結(jié)構(gòu)、吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)身/發(fā)動機(jī)一體化、控制與穩(wěn)定性、外形氣動特性等技術(shù)問題，并開展了雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和地面試驗(yàn)，NASP 計(jì)劃完成了 1 500 次發(fā)動機(jī)模型試驗(yàn)，其中在小尺寸、大尺寸超燃沖壓發(fā)動機(jī)上分別進(jìn)行了馬赫數(shù) 18 和馬赫數(shù) 8 地面試驗(yàn)。1995 年耗資數(shù)百億美元、歷時 10 年之久的 NASP 計(jì)劃由于技術(shù)難度過大、技術(shù)不成熟被迫停止。

　　在 NASP 計(jì)劃之后，美國在總結(jié)正反兩方面經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上相繼啟動了 HyTech 計(jì)劃[4-5]、Hyper-X 試驗(yàn)計(jì)劃[6]，其目的是研究用于高超聲速飛行或可重復(fù)使用空天飛行器以及之相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)演示驗(yàn)證。2001 年，美國發(fā)布國家航空航天倡議(NAI)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展高超聲速技術(shù)、進(jìn)入空間和空間技術(shù)三大方向，制定了“以一次性使用高超聲速飛行器為技術(shù)突破口，終極目標(biāo)是發(fā)展空天往返飛行器”的發(fā)展路線[7]。此外，美國還與英國反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司就佩刀發(fā)動機(jī)達(dá)成合作共識，并在 2016 年公布了基于佩刀發(fā)動機(jī)的兩級入軌空天飛行器，預(yù)計(jì)將于 2030 年左右具備可實(shí)現(xiàn)性[8]。

　　2.2 英國

　　1985 年，英國宇航公司和羅羅公司共同提出了水平起降的單級入軌可重復(fù)使用運(yùn)輸器霍托爾空天飛機(jī)(Hotol)。霍托爾空天飛機(jī)從地面 3 500 m 長的跑道上水平起飛，以吸氣式發(fā)動機(jī)推進(jìn)到馬赫數(shù) 5，然后轉(zhuǎn)為火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)。霍托爾項(xiàng)目的目標(biāo)是把單位有效載荷的費(fèi)用至少降低 80%。原計(jì)劃2000 年投入使用，但由于單級入軌的技術(shù)難度和資金短缺問題，項(xiàng)目于 1992 年下馬。2003 年，英國在霍托爾項(xiàng)目研究成果的基礎(chǔ)上啟動了單級入軌空天飛行器 Skylon 研究方案[9]。Skylon 空天飛機(jī)由反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司的佩刀組合發(fā)動機(jī)推進(jìn)，能夠像常規(guī)飛機(jī)一樣在跑道上起降，具有費(fèi)用低、全部可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。Skylon 飛行器可在返場 48 h 后再次起飛，重復(fù)使用周期短。據(jù)分析研究，通過重復(fù)使用 Skylon 空天飛行器的運(yùn)載成本為一次性使用傳統(tǒng)運(yùn)載火箭的 1/10。目前該項(xiàng)目由英國反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司(REL)主導(dǎo)，聯(lián)合歐洲其他研究機(jī)構(gòu)共同開發(fā)，并得到了英國政府和歐洲航天局的經(jīng)費(fèi)支持。2019 年 10 月，佩刀發(fā)動機(jī)全尺寸預(yù)冷卻器樣機(jī)完成馬赫數(shù) 3.3、馬赫數(shù) 5 條件下的地面高溫考核試驗(yàn)，成功地在 0.05 s 內(nèi)將高達(dá) 1 000℃的高溫氣流冷卻到 100℃。2020 年啟動技術(shù)飛行演示驗(yàn)證平臺方案研究。

　　2.3 德國

　　單級入軌空天飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比與推進(jìn)劑質(zhì)量占比之間的矛盾異常尖銳，是制約組合動力推進(jìn)水平起降重復(fù)使用單級入軌空天飛行器研制的重要技術(shù)瓶頸。為了繞過單級入軌空天飛行器的技術(shù)難點(diǎn)，德國于 1987 年基于桑格爾兩級入軌空天飛行器啟動了德國高超聲速技術(shù)計(jì)劃(German Hypersonic Technology Programme)[10]。桑格爾空天飛行器一子級為高超聲速運(yùn)輸載機(jī)，采用大后掠三角翼、翼身融合氣動布局形式，渦輪/沖壓組合發(fā)動機(jī)推進(jìn)，在高度 31km、馬赫數(shù) 6.8 左右實(shí)現(xiàn)一、二級分離，一子級載機(jī)使用壽命為 100 次;二子級是軌道飛行器，采用三角翼布局形式，火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)，可載人或運(yùn)物，載人型使用壽命為 50 次，貨運(yùn)型為一次性使用。

　　2.4 運(yùn)載成本分析

　　盡管空天飛行器單架次制造成本較高，隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，空天飛行器運(yùn)載成本逐漸降低。當(dāng)重復(fù)使用 10 次后，空天飛行器運(yùn)載成本與一次性使用運(yùn)載火箭相當(dāng);當(dāng)重復(fù)使用 40 次后，約為一次性使用運(yùn)載火箭成本的 30%;當(dāng)重復(fù)使用 100 次后，約為一次性使用運(yùn)載火箭成本的 16%。

　　3 空天飛行器面臨的技術(shù)問題

　　空天飛行器具有低成本、高可靠性的技術(shù)特征，能夠滿足未來廉價(jià)、自由進(jìn)出空間的發(fā)展需求，發(fā)展?jié)摿薮螅溲兄埔裁媾R巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。空天飛行器大空域(稠密大氣層、稀薄大氣空間和外層空間)、寬速域(馬赫數(shù) 0～25)的飛行環(huán)境，使其飛行任務(wù)剖面(水平起飛、高超聲速飛行、加速入軌、離軌再入、返場著陸)十分復(fù)雜，具有寬域高速、高氣動加熱的特征，嚴(yán)酷復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境也使空天飛行器面臨諸多基礎(chǔ)科學(xué)問題。

　　3.1 寬域高超聲速流動與燃燒問題

　　隨著飛行速度的增加，粘性系數(shù)增加(例如馬赫數(shù) 12 時的粘性系數(shù)可達(dá)馬赫數(shù) 6 的 2 倍)，導(dǎo)致附面層增厚。在高超聲速飛行時粘性效應(yīng)將增強(qiáng)到足以支配整個內(nèi)流場，傳統(tǒng)的邊界層分析方法和控制理論已不在適用;高超聲速飛行時氣流總溫約達(dá)到 5 000℃(馬赫數(shù) 6 為 1 380℃)，熱化學(xué)非平衡效應(yīng)使空氣振動溫度與平動溫度偏離達(dá) 50%，傳統(tǒng)的超燃沖壓發(fā)動機(jī)化學(xué)反應(yīng)速率計(jì)算模型也不再適用。在高超聲速流動中分子平/轉(zhuǎn)動溫度與振動溫度顯著偏離、高溫氣流離解電離與燃燒反應(yīng)動力學(xué)耦合現(xiàn)象均需要在流動機(jī)理和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理上的新突破，才能解決高溫條件下邊界層轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)捩流動、化學(xué)非平衡流動、超聲速高效穩(wěn)定燃燒等問題。

　　3.2 真實(shí)氣體效應(yīng)問題

　　當(dāng)飛行馬赫數(shù)大于 8 時將出現(xiàn)高溫氣體效應(yīng)，此時出現(xiàn)的氣流離解電離、化學(xué)非平衡效應(yīng)、表面催化現(xiàn)象使氣動力/熱性能與理想氣體模型預(yù)測模型產(chǎn)生較大差異，高溫氣體效應(yīng)及化學(xué)非平衡流動將影響氣動力/熱性能的精準(zhǔn)預(yù)測;同時在稀薄大氣空間，常規(guī)氣動性能預(yù)測的連續(xù)流假設(shè)將不再適用，因此需要研究針對高溫氣體效應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理和針對稀薄氣體效應(yīng)的流動機(jī)理。

　　3.3 多種熱力循環(huán)模態(tài)轉(zhuǎn)換與匹配問題空天飛行需要?dú)v經(jīng)低、亞、跨、超和高超聲速飛行階段，而沖壓發(fā)動機(jī)無法零速起動，需要與其他發(fā)動機(jī)組合才能實(shí)現(xiàn)空天飛行器的全域飛行。寬域工作的組合發(fā)動機(jī)性能高度耦合且相互干擾，單一幾何不可調(diào)流道難以滿足以沖壓發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)的組合發(fā)動機(jī)全域高性能需求，因此，需要對進(jìn)氣道和尾噴管進(jìn)行流道調(diào)節(jié)。空天飛行器的飛行馬赫數(shù)越寬，發(fā)動機(jī)流道調(diào)節(jié)范圍越大，組合發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)難度也越大。同時為實(shí)現(xiàn)飛行器總體性能的提升和發(fā)動機(jī)的高效穩(wěn)定燃燒，需要研究寬域工作組合發(fā)動機(jī)的應(yīng)用優(yōu)化策略、解決不同模態(tài)轉(zhuǎn)換與匹配問題，上述問題又與寬域流道調(diào)節(jié)問題高度耦合，因此設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的難度更大，為此有必要針對不同組合動力形式開展組合循環(huán)優(yōu)化、模態(tài)轉(zhuǎn)換失穩(wěn)控制機(jī)理、多流道變構(gòu)型設(shè)計(jì)的研究。

　　3.4 超高溫作用下材料/結(jié)構(gòu)熱防護(hù)與失效問題

　　高超聲速飛行時間長、機(jī)體結(jié)構(gòu)溫度最高達(dá) 3 000℃以上、噪聲振動等交變載荷量級大，結(jié)構(gòu)蠕變-熱機(jī)械疲勞問題突出，嚴(yán)重影響熱結(jié)構(gòu)完整性及重復(fù)使用能力。現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)/熱防護(hù)材料在如此高溫條件下易被氧化，甚至出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。因此需要開展針對材料超高溫抗氧化機(jī)理、材料性能演化規(guī)律、結(jié)構(gòu)失效模式、耐高溫輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、高效主動與被動熱防護(hù)技術(shù)、高效熱疏導(dǎo)技術(shù)的研究。

　　3.5 寬域高動態(tài)強(qiáng)耦合飛行控制問題

　　高超聲速飛行過程中有高溫氣體效應(yīng)、稀薄氣體效應(yīng)、邊界層流動轉(zhuǎn)捩等特有過程，動力學(xué)耦合關(guān)系復(fù)雜;高超聲速再入飛行走廊對重復(fù)使用升力體式空天飛行器氣動外形設(shè)計(jì)、機(jī)體結(jié)構(gòu)/熱防護(hù)設(shè)計(jì)、軌跡/制導(dǎo)/姿態(tài)一體化設(shè)計(jì)影響較大;飛行末端的能量管理技術(shù)對飛行器的減速控制技術(shù)也提出了較高的要求。因此開展空天飛行器高動態(tài)強(qiáng)耦合機(jī)體/推進(jìn)/結(jié)構(gòu)/熱/控制一體化建模理論研究，重塑飛行器飛行動力學(xué)與控制設(shè)計(jì)方法體系，支撐高超聲速飛行器寬域、高效機(jī)動飛行具有十分重要的意義。

　　4 結(jié)束語

　　大幅度降低航天發(fā)射費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)廉價(jià)、快速、便捷、自由進(jìn)出空間，是人類航天事業(yè)永恒的追求。當(dāng)前高超聲速技術(shù)及空天飛行器的競爭日趨白熱化，強(qiáng)國均在不予余力爭先恐后地開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。針對未來航天運(yùn)載“井噴式”發(fā)展需求，本文通過航天運(yùn)載方式及其技術(shù)發(fā)展路線分析，可以得出以下結(jié)論：

　　(1)為降低航天運(yùn)載發(fā)射成本，航天運(yùn)載器正從一次性使用向部分重復(fù)使用、部分重復(fù)使用向著完全重復(fù)使用方向發(fā)展。

　　(2)水平起降空天飛行器可利用大氣層中的氧氣，大幅度降低起飛規(guī)模，可實(shí)現(xiàn)飛行器的完全重復(fù)使用，從而大幅降低航天運(yùn)載發(fā)射成本，是未來廉價(jià)、自由進(jìn)出空間的理想運(yùn)載工具之一，具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑｋS著近年來吸氣式高超聲速技術(shù)的突破，重復(fù)使用空天飛行器的發(fā)展前景日益明朗。

　　(3)水平起降重復(fù)使用空天飛行器仍面臨重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要加大投入，集智攻關(guān)，以推動人類自由進(jìn)出太空時代的早日到來。