降低成本，航天運(yùn)載器技術(shù)可以這樣發(fā)展……

航天運(yùn)載器代表了進(jìn)入空間的能力，是開(kāi)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(lái)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(dòng)機(jī)比沖較低，箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法重復(fù)使用，發(fā)射準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足未來(lái)大規(guī)模低成本空間開(kāi)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(tái)；可重復(fù)使用運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了箭體、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及其它部分設(shè)備的垂直回收和再次使用，有望通過(guò)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(mǎn)足未來(lái)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?/span>

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(lèi)對(duì)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(zhǎng)期以來(lái)，航天發(fā)射主要采用多級(jí)運(yùn)載火箭。垂直發(fā)射快速穿過(guò)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(dòng)機(jī)的比沖低（液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的地面比沖約為300 s，液氫/液氧發(fā)動(dòng)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(jí)形式，在飛行中依次拋掉已工作完畢的一級(jí)、二級(jí)火箭，減輕后級(jí)加速質(zhì)量，才能將衛(wèi)星不斷加速送入軌道。各級(jí)火箭殘骸落入大氣層墜毀或燒毀，可見(jiàn)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(dòng)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(mén)管路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)約占8.1%，點(diǎn)火、級(jí)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(duì)于低地球軌道發(fā)射費(fèi)用每噸約為300萬(wàn)美元，難以滿(mǎn)足未來(lái)大規(guī)模低成本空間開(kāi)發(fā)需求。

1.2  航天飛機(jī)

火箭發(fā)動(dòng)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(dòng)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(guó)啟動(dòng)了航天飛機(jī)研發(fā)，試圖通過(guò)將火箭發(fā)動(dòng)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(wàn)美元（運(yùn)載能力24 t，225萬(wàn)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(gè)固體燃料助推器和整體外掛內(nèi)部隔開(kāi)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(shí)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(zhǎng)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(wú)動(dòng)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。

圖1  美國(guó)亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)

軌道飛行器在再入大氣層過(guò)程中氣動(dòng)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(chǎng)著陸后需要進(jìn)行大量的拆解、檢測(cè)和維護(hù)，特別是熱防護(hù)瓦的探測(cè)、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(méi)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(dòng)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(duì)一級(jí)火箭占全部運(yùn)載火箭質(zhì)量和成本70%以上的情況，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）提出了一級(jí)火箭垂直回收思路，既可大幅度降低成本，又避開(kāi)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(kāi)辟了一條一子級(jí)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(hào)運(yùn)載火箭一子級(jí)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(jí)陸基垂直回收和?；怪被厥?；2017年3月，完成了回收一子級(jí)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(hào)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(lái)廉價(jià)和快速進(jìn)入空間開(kāi)辟了一條新的技術(shù)途徑。

圖2  SpaceX獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭第一子級(jí)海上著陸回收

相對(duì)航天飛機(jī)的軌道飛行器，獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭一子級(jí)的飛行速度?。R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(shí)一子級(jí)運(yùn)載火箭采用垂直著陸方式，使回收過(guò)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(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、箭體及其它設(shè)備的重復(fù)使用。

依據(jù)美國(guó)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(huì)分?jǐn)偛糠种圃斐杀?，單位質(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(hào)運(yùn)載火箭為例，對(duì)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(jí)火箭為重復(fù)使用，二子級(jí)火箭為一次性使用。估算同時(shí)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。

圖3 SpaceX獵鷹9號(hào)重復(fù)使用火箭運(yùn)載成本估算

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(dòng)機(jī)比沖較低，所以不得不采用多級(jí)運(yùn)載方式入軌，該運(yùn)載方式增加了火箭發(fā)動(dòng)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(shí)傳統(tǒng)運(yùn)載器的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(jí)火箭全部重復(fù)使用，重復(fù)使用發(fā)射百次時(shí)，氧化劑和燃料費(fèi)用將占發(fā)射費(fèi)用的40%以上，而一級(jí)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(dòng)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(dòng)力、升力式構(gòu)型，能在普通機(jī)場(chǎng)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(shí)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(guó)外自20世紀(jì)60年代以來(lái)，以水平起降重復(fù)使用空天飛行器為目標(biāo)，持續(xù)開(kāi)展了吸氣式組合動(dòng)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(gè)國(guó)家層面的研究計(jì)劃，如美國(guó)的國(guó)家空天飛機(jī)計(jì)劃（NASP）、英國(guó)的云霄塔（Skylon）、德國(guó)的桑格爾（S?nger）等。

2.1  美國(guó)

1986年，美國(guó)空軍和美國(guó)宇航局聯(lián)合啟動(dòng)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(kāi)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(gè)量級(jí)、可水平起降的試驗(yàn)性X-30單級(jí)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(jí)入軌飛行器結(jié)構(gòu)、吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)身/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化、控制與穩(wěn)定性、外形氣動(dòng)特性等技術(shù)問(wèn)題，并開(kāi)展了雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)模型試驗(yàn)，其中在小尺寸、大尺寸超燃沖壓發(fā)動(dòng)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(shí)10年之久的NASP計(jì)劃由于技術(shù)難度過(guò)大、技術(shù)不成熟被迫停止。

圖4  NASP計(jì)劃的X-30空天飛機(jī)

在NASP計(jì)劃之后，美國(guó)在總結(jié)正反兩方面經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上相繼啟動(dòng)了HyTech計(jì)劃、Hyper-X試驗(yàn)計(jì)劃，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(guó)發(fā)布國(guó)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。此外，美國(guó)還與英國(guó)反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司就佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)成合作共識(shí)，并在2016年公布了基于佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)的兩級(jí)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。

2.2  英國(guó)

1985年，英國(guó)宇航公司和羅羅公司共同提出了水平起降的單級(jí)入軌可重復(fù)使用運(yùn)輸器霍托爾空天飛機(jī)(Hotol)?；敉袪柨仗祜w機(jī)從地面3 500 m長(zhǎng)的跑道上水平起飛，以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)到馬赫數(shù)5，然后轉(zhuǎn)為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)?；敉袪栱?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(jí)入軌的技術(shù)難度和資金短缺問(wèn)題，項(xiàng)目于1992年下馬。2003年，英國(guó)在霍托爾項(xiàng)目研究成果的基礎(chǔ)上啟動(dòng)了單級(jí)入軌空天飛行器Skylon研究方案。

Skylon空天飛機(jī)由反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司的佩刀組合發(fā)動(dòng)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(chǎng)48 h后再次起飛，重復(fù)使用周期短。據(jù)分析研究，通過(guò)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(guó)反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司（REL）主導(dǎo)，聯(lián)合歐洲其他研究機(jī)構(gòu)共同開(kāi)發(fā)，并得到了英國(guó)政府和歐洲航天局的經(jīng)費(fèi)支持。2019年10月，佩刀發(fā)動(dòng)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(dòng)技術(shù)飛行演示驗(yàn)證平臺(tái)方案研究。

圖5  英國(guó)Skylon單級(jí)入軌飛行器

圖6  佩刀預(yù)冷器部件地面試驗(yàn)臺(tái)

2.3  德國(guó)

單級(jí)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(dòng)力推進(jìn)水平起降重復(fù)使用單級(jí)入軌空天飛行器研制的重要技術(shù)瓶頸。為了繞過(guò)單級(jí)入軌空天飛行器的技術(shù)難點(diǎn)，德國(guó)于1987年基于桑格爾兩級(jí)入軌空天飛行器啟動(dòng)了德國(guó)高超聲速技術(shù)計(jì)劃（German Hypersonic Technology Programme）。桑格爾空天飛行器一子級(jí)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(dòng)布局形式，渦輪/沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，在高度31km、馬赫數(shù)6.8左右實(shí)現(xiàn)一、二級(jí)分離，一子級(jí)載機(jī)使用壽命為100次；二子級(jí)是軌道飛行器，采用三角翼布局形式，火箭發(fā)動(dòng)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。

圖7  德國(guó)桑格爾兩級(jí)入軌飛行器

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%。

圖8 空天飛行器成本估算

空天飛行器具有低成本、高可靠性的技術(shù)特征，能夠滿(mǎn)足未來(lái)廉價(jià)、自由進(jìn)出空間的發(fā)展需求，發(fā)展?jié)摿薮?，但其研制也面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)?？仗祜w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(chǎng)著陸）十分復(fù)雜，具有寬域高速、高氣動(dòng)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(wèn)題。

圖9  馬赫數(shù)0～25高超聲速飛行器飛行剖面

3.1  寬域高超聲速流動(dòng)與燃燒問(wèn)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(shí)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(shí)粘性效應(yīng)將增強(qiáng)到足以支配整個(gè)內(nèi)流場(chǎng)，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(shí)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(dòng)溫度與平動(dòng)溫度偏離達(dá)50%，傳統(tǒng)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)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(dòng)中分子平/轉(zhuǎn)動(dòng)溫度與振動(dòng)溫度顯著偏離、高溫氣流離解電離與燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)耦合現(xiàn)象均需要在流動(dòng)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(dòng)、化學(xué)非平衡流動(dòng)、超聲速高效穩(wěn)定燃燒等問(wèn)題。

3.2  真實(shí)氣體效應(yīng)問(wèn)題

當(dāng)飛行馬赫數(shù)大于8時(shí)將出現(xiàn)高溫氣體效應(yīng)，此時(shí)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(dòng)力/熱性能與理想氣體模型預(yù)測(cè)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(dòng)將影響氣動(dòng)力/熱性能的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)；同時(shí)在稀薄大氣空間，常規(guī)氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)的連續(xù)流假設(shè)將不再適用，因此需要研究針對(duì)高溫氣體效應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理和針對(duì)稀薄氣體效應(yīng)的流動(dòng)機(jī)理。

3.3  多種熱力循環(huán)模態(tài)轉(zhuǎn)換與匹配問(wèn)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(dòng)機(jī)無(wú)法零速起動(dòng)，需要與其他發(fā)動(dòng)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(dòng)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(mǎn)足以沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的組合發(fā)動(dòng)機(jī)全域高性能需求，因此，需要對(duì)進(jìn)氣道和尾噴管進(jìn)行流道調(diào)節(jié)?？仗祜w行器的飛行馬赫數(shù)越寬，發(fā)動(dòng)機(jī)流道調(diào)節(jié)范圍越大，組合發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)難度也越大。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)飛行器總體性能的提升和發(fā)動(dòng)機(jī)的高效穩(wěn)定燃燒，需要研究寬域工作組合發(fā)動(dòng)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(wèn)題，上述問(wèn)題又與寬域流道調(diào)節(jié)問(wèn)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(duì)不同組合動(dòng)力形式開(kāi)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(wèn)題

高超聲速飛行時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)體結(jié)構(gòu)溫度最高達(dá)3 000℃以上、噪聲振動(dòng)等交變載荷量級(jí)大，結(jié)構(gòu)蠕變-熱機(jī)械疲勞問(wèn)題突出，嚴(yán)重影響熱結(jié)構(gòu)完整性及重復(fù)使用能力?，F(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(kāi)展針對(duì)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(dòng)與被動(dòng)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(dòng)態(tài)強(qiáng)耦合飛行控制問(wèn)題

高超聲速飛行過(guò)程中有高溫氣體效應(yīng)、稀薄氣體效應(yīng)、邊界層流動(dòng)轉(zhuǎn)捩等特有過(guò)程，動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系復(fù)雜；高超聲速再入飛行走廊對(duì)重復(fù)使用升力體式空天飛行器氣動(dòng)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(duì)飛行器的減速控制技術(shù)也提出了較高的要求。因此開(kāi)展空天飛行器高動(dòng)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(dòng)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(dòng)飛行具有十分重要的意義。

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(lèi)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(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化，強(qiáng)國(guó)均在不予余力爭(zhēng)先恐后地開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。針對(duì)未來(lái)航天運(yùn)載“井噴式”發(fā)展需求，本文通過(guò)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(lái)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?。隨著近年來(lái)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(dòng)人類(lèi)自由進(jìn)出太空時(shí)代的早日到來(lái)。

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