朱毅麟(国际宇航科学院院士) 2007年04月17日 09:29
人类进入太空以来，至今面临的一个严重问题，仍然是航天费用太高。随着航天活动日益频繁，航天费用将成比例地增加，特别是大型空间站建成以后，为了大规模开发和利用太空资源，向空间站运送器材、物资、航天员和他们需要的生活用品等，将达到一年十几次，甚至数十次。如果仍旧采用传统的一次性使用的运载火箭，每次发射需花费数千万美元，年发射费将达到数十亿美元。
上世纪70年代，美国研制航天飞机的本意，就是为了大幅度降低航天发射费用，但是事与愿违，自从航天飞机投入使用以来，它的发射费用并不比运载火箭便宜。
研究这里面的原因，一是航天飞机并不能做到完全重复使用，它的巨大的推进剂贮箱白白扔掉了；二是航天飞机垂直发射，需要大推力火箭发动机、专用发射台和复杂的发射勤务保障；三是航天飞机运载能力有余而货舱容积不足，常常不能满载（29.5吨）飞行。
为了寻求经济的、有效的往返于天地之间的运输系统，以取代昂贵的运载火箭和航天飞机，英国、美国、德国和日本等国都纷纷提出一种研制航空航天飞机的计划。
航空航天飞机简称空天飞机。顾名思义就知道，它是一种既能在大气层内航行，又能在大气外航行的飞行器。在大气层内飞行时，它像一架高超音速飞机，能在1小时内从欧洲飞到澳大利亚，在两小时内从华盛顿飞抵东京；在执行航天任务时，它能把数吨重的有效载荷送入近地轨道，然后返回地面。据估计，每次发射费用将降低到目前的运载火箭和航天飞机发射费用的1/5～1/10。
空天飞机的发射费用能大幅度降低，其中的奥妙主要在于它尽量利用大气层中的氧来助燃，减少飞机上自带的氧化剂，这样就能减轻航天飞机的结构重量和起飞重量。例如，拿发射同样重量的有效载荷来说，空天飞机的起飞重量只需要航天飞机的1/5～1/3。
为了利用空气中的氧，空天飞机就必须使用航空用的吸气式发动机，吸取空气与燃料燃烧，产生推力。但是到了太空以后，吸气式发动机就无能为力了，这时就只能依靠自带燃料和氧化剂的火箭发动机来推进。
所以，空天飞机的第一个特点是它既要有吸气式发动机，又要带火箭发动机。最好的方法是研制一种既有吸气发动机，又有火箭发动机这样两种功能的复合发动机。
研制什么样的吸气式发动机或吸气、火箭双功能复合发动机，是发展空天飞机面临的最大课题。发动机专家们为此绞尽脑汁，提出许多方案。其中最理想的是英国“霍托尔”空天飞机的发动机方案。它带有一套空气液化装置，利用飞机上携带的液氢燃料的低温，将吸入的空气制冷液化，并分离出液态氧，输入火箭发动机与液氢燃料。飞出大气层后，由自带的氧化剂助燃。这个方案原理简单，令人神往，但是工程上能否实现，还是个谜。
美国研究的“国家航空航天飞机”的发动机方案是组合式超音速冲压发动机，它能从飞行速度为零时开始工作，一直到速度达到25倍音速。但是这种发动机技术难度大，美国从上世纪50年代末就开始研究，至今还没有取得成功。
空天飞机的第二个特点是完全重复使用，除了在航行中必须消耗的推进剂以外，没有其他任何抛弃部分；第三个特点是水平起飞，水平着陆，可以充分利用普通机场，而不必兴建专门的发射场和配置复杂的发射保障设施。这两个特点，都可以使空天飞机的发射费用进一步降低。
