基于未来飞行器设计的探索与研究摘要：本文就我们所设计的未来飞行器——空天飞机设计的背景和现状，空天飞机研发上的创新点、工作原理以及存在的问题等方面出发进行介绍。

旨在克服现在已经退役的航天飞机的所存在的火箭一次性，花费并不比一次性飞船少等缺点。

考虑到现有航天飞机要采用火箭运载，而火箭在运载过程中要进行脱离，也就是说火箭提供完动能后就会被遗弃，这样就和平常的航天器缺乏了明显的可循环利用的优势，使得航天飞机的花费并不比预想到的节省。

为此我们创新型的提出了“以机送机”的思想，并将小型航天飞机与大型运载飞机进行一体化的设计。

关键词：飞行器；设计创新；以机送机；空天飞机1研究背景和意义1.1未来飞行器设计的背景1.1.1空天飞机简介空天飞机是既能航空又能航天的新型飞行器。

它像普通飞机一样起飞，以高超音速在大气层内飞行，在30～100公里高空的飞行速度为12～25倍音速，并直接加速进入地球轨道，成为航天飞行器，返回大气层后，像飞机一样在机场着陆。

在此之前，航空和航天是两个不同的技术领域，由飞机和航天飞行器分别在大气层内、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。

1.1.2航天飞机与空天飞机航天飞机，其原意为太空往返航班。

美国人在完成阿波罗登月计划后，紧接着实施空间站计划，1973年5月发射了“天空实验室”实验性空间站，并为此研制了航天飞机，作为可重复使用的天地往返运输系统，逐步取代了一次性使用的运载火箭。

在当时的技术条件下，要使整个航天飞机系统都能重复使用，有很大困难。

因此，美国将其分为三部分：轨道飞行器可重复使用100次，固体火箭助推器可重复使用20次，外挂燃料箱为一次性使用。

但是，直到1981年4月，航天飞机才试飞成功，而且以后的飞行表明，并没有达到降低运输费用的目的。

主要是解决防热、安全等技术问题，并降低发射、维护费用。

除美国外，世界上计划进行航天飞机研制的还有：苏联(俄罗斯)的“暴风雪”号航天飞机，其轨道飞行器可重复使用，它由一次性使用的“能源”号火箭发射，返回时像飞机一样水平着陆；1988年10月，无人驾驶轨道试飞成功后，计划被取消。

欧洲航天局的“赫尔墨斯”航天飞机计划，也放慢了步伐。

日本计划的“希望”号无人驾驶航天飞机，也只进行了缩比模型试验。

实现空天飞机的技术难度比航天飞机更大，主要是三种动力装置的组合和切换，高强度、耐高温的材料(高速飞行时，其头锥温度可达2760℃，机翼前缘达1930℃，机身下也可达1260℃)和具有人工智能的控制系统等。

这些都需要进行大量的研究和技术攻关。

1.2.航天飞机普通化与普通飞机航天化1.2.1飞行器设计目前存在的困难技术难度和资金短缺，使各国的空天飞机计划难有进展。

如英国的“霍托”号空天飞机，最终也与德国的“桑格尔”空天飞机一样，先由大型飞机驮至高空，然后从飞机上起飞进入太空。

美国也决定重新确定国家空天飞机(NASP)计划进程，暂不研制X－30验证机，而先研究解决技术问题。

最近一段时间，关于空天飞机试验的消息又不时传来。

分为两种情况，一种是纯粹空天飞机试验，如美国国家航空航天局，计划对新研制的极超音速X-43A无人机进行最后一次试飞，以验证其技术性能和指标。

这一次试飞的目标，是为检测这种飞机能否在10倍音速的条件下飞行。

另一种是以最先进的普通战斗机进行执行某些航天任务的试验，以使这类普通战斗机带有某种空天飞机的特征。

例如，继美国利用L－1011型运载飞机和B－52飞行实验室承载“飞马座”运输航天系统，将重量为347公斤的STEP－1型卫星送上地球轨道。

俄罗斯也计划利用米格－31重型歼击机发射小型卫星，即把米格－31作为向低轨道发射卫星的第一级“可返回式火箭”。

米格－31现在可以将8~10吨的火箭携带到20多公里的高度，保证其发射初速达到3000公里/小时。

1.2.2飞行器设计的趋势上述情况反映出一种趋势，不仅存在着航天飞机向普通飞机转换的工业路线，而且也存在着普通飞机向航天飞机转换的工业路线，使高性能军用飞机向着兼具航天功能的方向发展。

这种趋势预示着未来高性能战斗机将具有航天功能，这将是第六代战斗机所要实现的革命性跨越。

可多次使用的航天发射载具——空天飞机将是建立外层空间基地的主力军。

2.研究飞行器设计的内容2.1整体机型构造及控制2.1.1机型的相关分析机型采用合体型，即大型飞机与小型飞机的一体化设计，采用通体流线型设计外形，既满足了高速飞行时的速度和稳定的要求，又充分了体现了其外观的美观化。

其合理化的气动布局，充分考虑了该空天飞机在大气层中飞行时（推动阶段）的巡航能力；而它的一体化合体型设计则是充分考虑到，采用运载火箭的一次性不可回收所带来的浪费，取而代之采用“以机送机”的创新发送方式，实现航天飞机的重复利用。

机身未分离前表现为一个整体，小型飞机镶嵌于大型飞机的头部，其的机翼可当做两者整体的鸭式前翼，同时也为分离后小型飞机和大型飞机的正常飞行提供保障。

其主翼采用了前缘中等后掠角、后援前掠、小展弦比切尖三角翼，在机翼前缘布置了近乎于全展向的机动襟翼，在后缘分段布置了副翼（外侧）和襟翼（内侧）。

采用中等后掠角是超音速升阻比和亚音速升力特性妥协的结果，是为了保持飞机在亚音速条件下的低诱导阻力、高升阻比和机动性，以便保证飞机的亚音速稳定盘旋航程性能。

全动外倾双垂尾的作用，一方面要维持航向稳定性，保证飞机不会因为强烈不对称的气流分离进入螺旋。

飞机外倾的全动垂尾除了作为高效的偏航控制面之外，还一定程度上承担了传统水平尾翼的工作，并且参与了整机配平。

2.1.2飞行设计整体气动外形的创新我们飞机设计整体气动外形复杂且结构新颖，导致整体外形稳定性不足，所以我们飞机采用电传飞控系统。

电传飞控系统克服了传统机械操纵系统的很多缺点、例如重量大、占据空间大、机构复杂、存在非线性（机件之间存在摩擦和间隙）和弹性变形。

电传操纵不存在传动设备热胀冷缩的问题，不需要润滑，去掉了百余个铰支点。

更重要的是能实现静不稳定飞机的主动控制，我们可以为战斗任务选择和优化布局，然后由飞机控制计算机根据相应控制规律保证飞机的稳定飞行。

如果没有电传飞行控制系统，估计它就很难飞起来电传飞控是一个很大的概念，包括了各种增稳器、传感器、自动驾驶仪，等等。

在电传操纵系统中，飞机各个控制面对驾驶员操纵的反应不仅仅取决于飞行员的动作，还必须参考各种机载传感反馈的飞行状态，如速度，迎角等等。

更先进的电传飞控系统还要考虑发动机的工作状态信息，即发动机数字控制系统(FDEC)。

飞控系统可以综合判断各种信息，决定控制面应该做出什么反应。

换句话说，在自动驾驶状态下，如果计算机认为驾驶员的动作不正确，就可以不执行这个操作，这对安全有力。

2.2空天飞机的启动该空天飞机采用“超声速燃烧冲压式发动机”，它简称超燃冲压发动机，可以在攀升过程中从大气里攫取氧气。

放弃携带氧化剂，从飞行中获取氧气，节省重量，就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够产生4倍于火箭的推力。

这样飞机就可以在相对较小的时间内获得较大的速度。

2.3飞机的脱离在飞机整体速度达到相对较高速度时，前段小飞机与后端挂钩分离，一定距离后嵌于小飞机机翼上的火箭发动机点火，使小型飞机的速度大于大型运输飞机的速度，从而实现与大型运输机分离。

分离后大型运输机改变飞行路线，返回地面，而小型飞机在火箭发动机的带动下最终突破第一宇宙速度实现穿越大气层并在大气外飞行。

通过几次机动轨道调节后进入预定轨道，进而完成空间任务。

2.4飞机的返回完成空间任务后，空天飞机要离开空间轨道返回地面。

首先要将座舱内物品收好，重新按上座椅，关闭有效载荷舱门然后穿上压力服。

完成这些后，驾驶员就开始操纵轨道器进行返回制动。

首先，机载小型火箭启动，产生与原定飞行方向反向的推力，使空天飞机的速度低于在预定轨道飞行所需的环绕速度。

此时，在地球引力的作用下，空天飞机做近心运动进入大气层。

特别的是，空天飞机在进入大气层时，其飞行速度应与大气层面平行飞入。

只有这样才能避免飞机垂直飞入时产生的过高速度，造成机毁人亡的悲剧。

同时因为空天飞机在返回大气层飞行时，是没有动力装置的，此时大气层对其机底面的垂直作用提供了空天飞机滑翔所必需的升力，在这种升力作用下空天飞机在大气层内滑翔减速。

而在这一过程中，驾驶员要必须精确地操纵轨道器，将其引导到跑道上来，如果出现任何的疏忽没有对准跑道，将不再有第二次机会返回轨道。

为了是空天飞机尽快的减速，驾驶员会做数个S型转弯以降低其速度。

尽管在着陆过程中驾驶员已经作出了机动来降低速度，但在落地瞬间，其仍具有每小时几百千米的的速度，这显然要高于一般飞机的着陆瞬间的速度，所以空天飞机的跑道要比一班飞机的长出许多。

3结论:通过对空天飞机的初步外形设计、动力控制系统设计以及返回技术等的设计初步实现了其循环重复利用的可能性，通过“以机送机”创新方式初步解决了运载火箭的不可循环问题。

但是，小型飞机进入大气层外后，由于现代技术水平的限制，只能用小型火箭进行动力推动。

但是火箭推动时，由于大气层外没有氧气作为氧化剂，因此必须携带氧化剂增加了飞机本身的重量。

同时小型飞机的小型火箭，由于重量较重在返回过程中要进行脱弃，因此也还是会造成浪费。

所以，对此我们提出了弹射思想。

但是弹射技术的可操作性有待验证。

为此，我们在此补充：在将来技术提高后，有望使用轻小、循环可用的动力发动机，例如等离子发动机、反物质发动机等正在研制的此类发动机的运用，可以从根本上解决这个问题。

但是，空天飞机的未来作用及运用前景绝对是不可取代的。

未来将是一个“空间时代”，各个国家将空间中展开无烟的战争。

在这种形势下，空天飞机既可以运用在空中，也可以运用于空间站的物质资源以及工作人员的运输。

因此，做好空天飞机，将是一个国家在未来空间战争中的利器。

可以说谁掌握了空天飞机谁就掌握了空间霸权。

参考文献[1]云中子.[御风而行].兵器.2011年.3月.34-35[2]黄克男.[精于形功于新].兵器.2011年3月.20-22。