冲击大气层
时间：2020-12-14 12:03:14 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
理想与现实
地球引力和大气层是主要天然屏障，阻挡人类飞入太空的理想。人们一直在设想一种既能在大气层内飞行，又能在大气层外的太空航行，水平起飞、水平降落的新型航天器。这种能跨越大气层的飞机就是航空航天飞机，简称“空天飞机”。
航天飞机的下一代将是空天飞机。空天飞机将不再使用液氧或液氢作为燃料，不再象航天飞机一样使用火箭垂直起飞，而是像普通飞机一样从跑道上水平起飞，水平降落。这种理想的空天飞机既能在大气层内飞行，也能像航天飞机一样在太空围绕地球的近地轨道飞行，将飞机、运载器、航天器的功能集为一体，能自由出入大气层。根据空天飞机的特点，空气动力学与大气层的关系决定成败。
空天飞机按飞行高度和轨道分为轨道空天飞机、亚轨道空天飞机；按是否载人分为无人空天飞机、载人空天飞机。最初的空天飞机应该装备火箭发动机，利用火箭发动机的巨大推力进入太空，以求能够提供更短的起飞和更高的加速。
轨道空天飞机能在高空大气层外进行超高声速飞行、能围绕地球飞行。轨道空天飞机的速度极快，进出大气层时将产生高动压、高温，特别是空天飞机表面的高热流，达2000℃～2500℃以上。这些负载通常需要特殊的热保护材料或主动冷却系统。
亚轨道空天飞机的最高速度低于一般典型的轨道飞行器，速度不快因此就不需要大量的热保护。英国维珍公司的“太空船”已经进行过亚轨道飞行，成为太空探险的典范，为太空旅游开辟了航线。
空天飞机的优越性能和功能为人类提供方便快捷的进出太空。在军事上，空天飞机可作为全球高超声速运输、洲际轰炸和战略侦察，又可作为航天运载工具或太空武器，成为新一代的攻击和防御力量。
为了飞上太空，空天飞机按目前技术一般装备了3套发动机。起飞时使用喷气发动机，像普通飞机一样从地面水平起飞；在高度30千米以上达到5～6倍声速时，使用脉冲爆震冲压喷气发动机；在90千米左右高度时达到25倍声速，使用火箭发动机进入太空轨道。返回时使用空气喷气发动机，像普通飞机一样水平着陆。当然，如果需要的话，空天飞机也可在大气层内做洲际飞行。
空天飞机的技术难度比航天飞机更大，主要是三种发动机的组合与转换，高强度、耐高温的材料和具有人工智能的控制系统等，此外还要满足在大气层内外飞行对机体的不同要求。
空天飞机在使用脉冲爆震喷气发动机时，发动机留给地面人员的是一连串的爆炸声。装有脉冲爆震发动机的飞机飞过高空，机身后留下的是一个个串联起来的气团，而不像一般的喷气飞机的尾气仅仅是一溜青烟。
在大气层边缘进行高速飞行时，空天飞机的机头前面的温度将近2800℃，机翼前面接近2000℃，机身下面也可达1200℃以上，从下方看去很像一个“火球”在天上飞行。而这种飞机很可能已经进行了绝密的试验飞行。据说，有一次美军一架“黑乌”侦察机正在以3倍声速进行巡航，突然发现一个大火球从天而降，飞快的超过了他们的飞机。飞行员很是惊奇：我们已经是世界上飞得最快、最高的飞机，这个东西居然比我们飞的更快。等这架“黑乌”落地后，飞行员们想向长官描述刚才看见的景象，长官说：“你们好像什么也没看见过。我也没有听见过，对吧？”飞行员们愣了一会，才回答说：“是，我们好像什么也没有看见过，长官。”
飞入另一个空间
按照人类目前的技术水平，空天飞机是最理想的航天器，但空天飞机面临的难题很多。空天飞机要突破大气层，结构、材料、热防护、冷却、燃料、航电、导航等等成百上千个难题等待攻克和验证，最主要的还是动力，采用什么水平的动力系统，决定了空天飞机能飞多高飞多快。
按照目前技术，空天飞机升空方式有一级起飞和二级起飞。
一级起飞是指空天飞机从普通机场起飞，突破大气层进入太空，围绕地球飞行，再从普通机场降落的飞机。一级起飞的空天飞机一般装备三套发动机。一套喷气发动机用于起降和空中飞行；一套冲压喷气发动机用于突破地球引力，提升高度；一套火箭发动机用于进入太空飞行。目前人们观念中的“真正”的空天飞机是一级起飞方式。
二级起飞是指空天飞机搭载在另一架大型专用运输机上，从普通机场起飞。当大型运输机到达一定的高度，空天飞机从运输机上释放，利用已有的高度和速度进行“二次起飞”，并突破大气层进入太空，然后从普通机场降落。二级起飞方式的飞机并非真正意义上的空天飞机，它一般只有两套发动机，但其本身产生的动力水平达不到冲出大气层的要求。
空天飞机不再依靠运载火箭搭载，改变了人类进入太空的模式，它不会像火箭那样当空爆炸，并可重复起飞，安全性大大提高，使人们能更自由地出入大气层。
太空航行的一小步
“蜀道难，难于上青天”，这是中国古代诗人发出的艰难的感叹。现在，上青天已经不是问题了，而上太空又成为人类很难逾越的难题，绝不亚于古人的上青天。按照人类目前的技术水平，空天飞机是最理想的航天器，但空天飞机面临的难题很多。
首先，空天飞机的速度变化大，从大气层内到大气层外，速度从0到25马赫，这是一般的的发动机都不可能胜任的。超声速冲压式喷气发动机，有许多技术上的挑战。由于超声速冲压式喷气发动机，只能在高空稀薄的大气层中工作，而且工作时的速度必须超过声速好几倍，所以当飞机在起飞和降落时还得借助传统的喷气式发动机。由于太空中没有氧气，空天飞机必须要携带液氧在太空中使用。
第二，空天飞机的飞行高度变化大。空天飞机从地面到几百千米高的太空，十几分钟时间要突破音障、克服超重、冲出卡门线、进入太空。返回时，再人大气层的降落时间长。航天飞机只有十几分钟，空天飞机为1～2小时。
第三，高度流线型的外形。当空天飞机以6倍于音速以上的速度在大气层中飞行时，空气阻力将急剧上升。所以，空天飞机需要将发动机与机身合并，必须有高度流线型的外形。让前机身容纳发动机吸入空气的进气道，让后机身容纳发动机排气的喷管。这叫做发动机与机身一体化。
第四，空天飞机必须有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。空天飞机需要多次出人大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量热量。特别是返回再入大气层时，高超声速与大气层产生剧烈摩擦，飞机表面达到2000℃以上的高温。往往像一个火球一样闯出大气层。
