空天飞机和航空飞机、航天飞机有哪些不同

国际金属加工网 2017年10月09日

从飞行区域看

航空和航天是两个不同的技术领域,代表就是飞机和航天飞行器,它们分别在大气层内、外活动,航空运输系统是重复使用的,航天运载系统一般是不能重复使用的。而空天飞机能够达到完全重复使用和大幅度降低航天运输费用的目的。

按照定义,飞行高度在海拔80—100公里以上的飞行器可被称为航天器,这个高度也是电离层所覆盖的区域,其空气密度非常低,传统的航空器最大飞行高度被限定在海拔40公里左右,主要依赖于空气动力学原理来设计,超出这个高度后空气动力效应基本不起作用,因此海拔40—100公里的高度被认为是连接大气层和外太空的临近空间,这也是现阶段跨大气层飞行器进行巡航机动飞行的主要高度。在不同的高度之间,不同的飞行器所需要的设计原理完全不同,而空天飞机就是要打破这一界限,实现跨界融合,同时具备两个不同空域的飞行能力。

从动力系统看

相比于航空动力或者航天动力,空天飞机的动力系统由于要考虑兼顾两者,就必须更加复杂,因此目前世界上任何一种单一类型的发动机都难以胜任。而我国正在研发的水平起降、可重复使用天地往返飞行器,是采用两级入轨技术。

实际上,空天飞机大多数会选择依靠大型载机发射起飞,因为依靠大型载机平台,可以实现从传统的机场起飞,而空天飞机自身则使用火箭动力推进。空天飞机由载机携带,在一定的高度上释放发射,可以大幅简化对助推级的性能要求。此外,因为载机本身已经给予了空天飞机一定的势能和动能,因此空天飞机可以减少推进剂携带量,降低自身重量或者携带更多有效载荷。而且,此类空天飞机的火箭尾喷管不需顾及海平面至准真空环境的变化,有利于提高发动机的比冲,可在其飞行包线内的任意一个高度和速度上进行发射。

组合体起飞时,只需使用载机上低速性能最高的航空涡轮发动机提供动力。当组合体抵达海拔30公里高度时,空天飞机脱离载机,由于该空域还在大气层内,空气虽然稀薄但仍能为发动机的工作提供效用,因此,在这一阶段空天飞机可以使用高速冲压发动机提供动力;当空天飞机飞至大气层边缘时,则采用不需要空气也能工作的火箭发动机,飞出大气层。

目前,所有跨大气层飞行器并不能真正实现依靠单个飞行器发动机就能从地面到太空的飞行。当然,有人会说航天飞机可以实现,但是航天飞机仍然是一套火箭发射系统,垂直发射,且是两级入轨系统,虽然可以重复使用,但重复次数也是有限。航天飞机与空天飞机最大的不同就是起飞方式,空天飞机可以水平起降。

此外,要在海拔30公里的高度上以至少8马赫的速度进行高超音速巡航,空天飞机还必须具有适合进行长时间、高空高速飞行的气动外形,尤其还要兼具水平起降和大气层内的飞行能力。其隔热结构和机身材料上也需要特别讲究,因为高超音速的飞行过程中气动加热是十分明显的,头锥和机翼前缘温度可达到1400℃以上,其耐热材料需要具备较高的热导率,碳复合材料使用的比例还会更高。


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