“华夏”空天飞行器设计构想说明

　　“华夏”空天飞机是一种单级入轨并能在普通机场起降的空天飞行器;除了商用载客之外,还可用作货运、军事和将有效载荷送入地球近地轨道；并根据不同任务要求采取不同飞行方式。设计总起飞重量约500吨(主要是燃料重量) , 载重为8吨至40吨, 预计飞行高度可达100公里或200公里。

　　“华夏”号采用前缘钝化乘波体作为空天飞机主要构型，在设计状态下, 这种飞行器的前缘乘在一个激波面上, 上表面为自由流面, 下表面处在激波之后的高压流场中, 从而气动效率较高，高速飞行时有很高的升阻比。

　　动力装置及飞行过程

　　动力系统由两台带加力燃烧室的超大功率涡喷发动机的低速模块，和两台超燃冲压发动机以及一套固体火箭推进装置的高速模块组成。其中涡喷发动机模块与冲压发动机模块并行安装，该设计将冲压进气道前体的柔性可变鼓包与涡喷发动机的进气涵道唇口巧妙结合，实现了低——高速模态工作状态的平滑过渡。

　　(初步设计该飞行器主要任务为运送载荷入轨，下面对其加速入轨飞行的工作过程做主要阐述):

　　空天飞机从起飞到爬升阶段，在M a = 0～3范围内由涡喷发动机模块工作；当马赫数 M a> 3. 0时涡喷发动机进入慢车状态并逐渐停转,涡喷进气涵道关闭，前体鼓包变形与涡喷进气涵道闭合唇口一起对空气进行预压缩，转入超燃冲压发动机工作模态；当速度接近10马赫，飞机爬升到40Km高度，关闭冲压发动机，飞机依靠惯性向上滑翔飞至60Km，此时空气已经相当稀薄，超出了冲压发动机的工作上限，固体火箭发动机组点火启动，继续为飞机提供动力，直至飞机进入近地轨道。

　　起飞与降落

　　由于飞行器采用从地面跑道水平起飞的起飞方式，考虑到乘波体在亚音速条件下升力特性较差，起飞、降落将成为该空天飞行器的主要技术难点之一。故设计使用一起、降增升装置——“可分离式增升动力机翼组件”，该装置实际为一高空长航时无人飞行器组件，可与空天飞机组合；起飞时，“可分离式增升动力机翼组件”(以下均用“增升翼”代称)和空天飞机组合以提供足够升力使飞机起飞；待飞机升空到一定高度后，再和机体分离，“增升翼”自主返航或滞空等待空天飞机返航与之对接一并返航降落(若空天飞机在完成任务后燃料已经不多，载荷也已经很小，则空天飞机不用再与“增升翼”对接，可直接返航)。根据这一要求， “增升翼”组件应具有以下特性：1.大升阻比；2.能自主起飞、降落；3.高空长时间滞空；4.能够自主空中加油；5.能够自主空中对接。设计时采用大展限比平直机翼，正弯度翼型，翼尖安置两台大函道比涡扇发动机，多组控制面、增升襟翼共同作用以使机翼升力能够在很大范围内可调，另外由于其要整合于空天飞机机体下部，为增强整体构形的横航稳定性，其机翼可调节上反角。

　　升力翼工作过程示意图：

　　高低速飞行气动特性的满足：

　　焦点后移问题的解决

　　两组操纵面/(安定面)均可绕翼根弦线旋转并可自由折叠收放，以满足方案飞行M a范围较大,单一气动构型难以适应不同飞行条件下的飞行动力的要求,通过改变其整体构型来得到在不同飞行条件和环境下较优的气动特性。 (如右图)

　　“华夏”号的设计还有一大亮点，就是在飞机进行入轨飞行任务完成后再入大气时，考虑到需要穿越稠密的大气层, 其马赫数将达到十几、甚至二十几,气动加热现象将十分严重，温度达到2000℃～3000℃，机腹进气道柔性鼓包等关键构件将无法承受如此高温。届时飞机可在空间调整姿态反转过来以正常飞行时的机背朝向地面，用机背钝面形成脱体激波保护机体结构不被热侵蚀(此时乘员舱亦可反转以适应飞行姿态使乘员感觉舒适)待速度降低后又可通过操纵面将姿态调整过来以正常飞行。

　　热防护问题的解决：

　　在高超音速巡航的气动热解决方面，利用新型吸热型碳氢燃料的物理、化学热沉来冷却飞行器的热载荷。防热系统采用热结构+热电转换层+隔热层方式,。热结构通过辐射散失大部分气动热；热电转换层将热能转化为电能一部分供给飞行时的各个系统，一部分贮存起来用于飞行器在太空的姿态控制离子喷射装置；隔热层则阻止剩余热量向内部传递。

　　额外收益：

　　由于无须携带大量且昂贵的火箭燃料就能达到第一宇宙速度，和载货飞行的价格比往返太空站和地面站的航天飞机要低。

　　另外，由于“华夏“的最大飞行速度可达十几甚至二十几个马赫，飞行高度都在60公里以上，产生“黑障”的条件基本具备，该飞行器在用于军事目的时候如果能够有意识地利用黑障特点(形成一层对电磁波干扰很大的等离子体鞘)，就可在一定的活动范围内，为高超音速飞行器蒙上一件电磁波“隐身外衣”，达到躲避敌方探测系统的目的，匿影藏形。

　　总之，该飞行器设计方案只是一种合理构想；如要投入实际运用，还有许多关键技术函待解决，如：新型防热材料、热电转换敷层、新型高能燃料、超燃冲压发动机技术、”增升翼“与机体的组合技术、”增升翼“与机体的稳定分离与对接技术、高低速兼顾的气动外形、乘波稳定飞行等、另外发动机形式复杂，在低M a时采用涡喷， 在较高M a采用亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机, 最后要借助火箭发动机入轨, 这些环节都需要平稳地过渡。还有由于该飞行器是大量高尖端技术的整合体，其研发制造费用也相当可观。

　　但是，我相信，随着科学技术的发展和人类对外层空间的向往，上述困难在不久的将来一定能够迎刃而解，新一代空天飞机技术一定能够为21世纪的人类所掌握。我们的“华夏”也一定能够承载着所有炎黄子孙的梦想一飞冲天，翱翔在神州天地之间。

　　相关专题：第三届飞行器设计大赛