基本簡介
美國空軍的X-37B空天飛機原型機被稱之為“軌道試驗飛行器1號”，將於2010年4月上演處女航。空天飛機是航空太空梭的簡稱，是一種新型的尚在研發階段的既能航空又能航天的航天運輸系統，集飛行器，太空運載工具及太空飛行器於一身，也可以作為載人太空飛行器，可重複使用。空天飛機上同時有飛機發動機和火箭發動機，它起飛時也不使用火箭助推器，可以像普通飛機一樣從飛機場上起飛，以高超音速在大氣層飛行，並直接進入太空，成為太空飛行器，降落時可以像普通飛機一樣在飛機場降落。空天飛機將是21世紀世界各國爭奪制空權和制天權的關鍵武器裝備之一。目前美國、俄羅斯、中國、日本、德國都在研究空天飛機，其中美國已經研製成功，並已於2010年試飛。
主要用途
空天飛機能自由往返於天地之間，凡是太空梭能幹的事，它幾乎都能勝任。它可以把大的衛星送入地球軌道，一次投放多顆衛星更是它的拿手活兒；它能對在軌道上運行的衛星進行維修或回收，也可以對敵國的衛星實施破壞，甚至收為己有；它能向空間站運送或接回太空人和各種物資；更重要的是它還能執行各種諸如攔截、偵察和轟炸等軍事任務。空天飛機飛行速度很快，便於實現全球範圍內的快速客運，地球上任何兩個城市間的飛行時間都用不了2個小時。
歷史探索
空天飛機20世紀60年代初，就有人對空天飛機作過一些探索性試驗，當時它被稱為“跨大氣層飛行器”。由於當時的技術、經濟條件相差太遠，且套用需求不明確，因而中途夭折；80年代中期，在美國的“阿爾法”號永久性空間站計畫的刺激下，一些國家對發展載人航天事業的熱情普遍高漲，積極參加阿爾法號空間站的建造。據估計，空間站建成後，為了開發和利用太空資源。向空間站運送人員、物資和器材等任務每年將達到數千次之多。這些任務如果用一次性運載火箭、載人飛船或太空梭來完成，那么一年的運輸費用將達到上百億美元。為了尋求一種經濟的天地往返運或系統，美、英、德、法、日等國紛紛推出了可重複使用的天地往返運輸系統方案。
1986年，美國提出研製代號為X-30的完全重複使用的單級水平起陣的“國家航空太空梭”，其特點是採用組合式超音速燃燒衝壓噴氣發動機。英國提出了一種名叫“霍托爾”（或譯“霍托克”，意為“水平起落航空太空梭”）的單級水平起降空天飛機，其特點是採用一種全新的空氣液化循環發動機。80年代末，這股空天飛機熱達到了高潮，同時也激起了中國航空航天專家的很大興趣。
20世紀90年代，德國提出兩級水平起降空天飛機“桑格爾”，第一級實際上相當於一架超音速運輸機，第二級是以火箭發動機為動力的有翼飛行器。兩級都能分別水平著陸。法國和日本也提出過自己的空天飛機構想。
2010年4月，由美國波音公司研製的無人且可重複使用的太空飛機，由火箭發射進入太空，是第一架既能在地球軌道上飛行、又能進入大氣層的航空器，同時結束任務後還能自動返回地面，被認為是未來太空戰鬥機的雛形。其最高速度能達到音速的25倍以上，常規軍用雷達技術無法捕捉。它已發展出X-37A和X-37B兩個版本，X-37B已成功地連續飛行469天。
主要技術
空氣動力學理論分析
美國X-37B軌道試驗飛行器圖解太空梭返回再入大氣層的空氣動力學問題，曾經耗費了科學家們多年的心血，作了約10萬小時的風洞試驗。空天飛機的空氣動力學問題比太空梭複雜得多。因為飛機速度變化大，馬赫數從0變化到25；飛行高度變化大，從地面到幾百公里高的外層空間；返回再入大氣層時下行時間長，太空梭只有十幾分鐘，空天飛機則為l～2小時。
解決空氣動力學問題的基本手段是風洞。目前，就連美國也不具備馬赫數可以跨越這樣大範圍的試驗風洞。即使有了風洞還需要作上百萬小時的試驗，那意味著就是晝夜不停地試驗，也需要花費100多年的時間。於是，只能求助於計算機，用計算方法來解決，而對那維爾斯托克斯方程的求解目前尚存在，許多理論上和計算速度上的問題。
發動機和機身一體化
當空天飛機以6倍於音速以上的速度在大氣層中飛行時，空氣阻力將急劇上升，所以其外形必須高度流線化。亞音速飛機常採用的翼吊式發動機已不能使用．需要將發動機與機身合併，以構成高度流線化的整體外形。即讓前機身容納發動機吸人空氣的進氣道，讓後機身容納發動機排氣的噴管。這就叫做“發動機與機身一體化”。在一體化設計中，最複雜的是要使進氣道與排氣噴管的幾何形狀，能隨飛行速度的變化而變化，以便調節進氣量，使發動機在低速時能產生額定推力，而在高速時又可降低耗油量，還要保證進氣道有足夠的剛度和耐高溫性能，以使它在返回再入大氣層的過程中，能經受住高速氣流和氣動力熱的作用，這樣才不致發生明顯變形，才可多次重複使用。
防熱結構與材料
空天飛機需要多次出人大氣層，每次都會由於與空氣的劇烈摩擦而產生大量氣動加熱，特別是以高超音速返回再入大氣層時，氣動加熱會使其表面達到極高的溫度。機頭處溫度約為1800℃，機翼和尾翼前緣溫度約為1460℃，機身下表面約為980℃，上表面約為760℃。因此，必須有一個重量輕、性能好、能重複使用的防熱系統。空天飛機在起飛上升階段要經受發動機的衝擊力、振動、空氣動力等的作用，在返回再入階段要經受顫振、科振、起落架擺振等的作用。在這種情況下，防熱系統既要保持良好的氣動外形，又要能長期重複使用，維護方便，所以其技術難度是相當大的。
目前的太空梭，由於受氣動加熱的時間短，表面覆蓋氧化矽防熱瓦即可達到滿意的防熱效果，但對空天飛機則遠遠不夠。如果單靠增加防熱層厚度來解決問題，則將使重量大大增加，而且防熱層還不能被燒壞，否則會影響重複使用。一個較簡單的解決辦法是在機頭、機翼前緣等局部高溫區，使用傳熱效率特別高的吸熱管來吸熱，以便把熱量轉移到溫度較低的部位。更好的辦法是採用主動式冷卻防熱系統，也就是把機體結構與防熱系統一體化，即把機體結構設計成夾層式或管道式，讓推進劑在夾層內或管道內流動，使它吸走空氣對結構外表面摩擦所生成的熱量。
為了滿足空天飛機的防熱要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工藝製造純度很高、質量很輕的耐高溫合金。美國已研製出高速固化鈦硼合金，它在高溫下的強度可達到目前使用的鈦合金在室溫下的強度，這種合金適宜用來製造機身內層結構骨架。
機頭與機翼等溫度最高的部位，要求採用碳複合材料，這種複合材料表面有碳化矽塗層，重量輕，耐高溫性能好。此外，還需要研究金屬基複合材料，例如碳化矽纖維增強的鈦複合材料等。這種材料應該兼有碳化矽的耐高溫性能，又具有鈦合金的高強度特性。
空天飛機技術難度大，所需投資多，研製周期長，所以將來進入全尺寸樣機研製，勢必也會象空間站那樣採取國際合作的方式。
動力裝置
研製空天飛機最關鍵技術是動力裝置。它的動力裝置必須能在極廣的範圍內工作，即從起飛時速度為零一直加速到入軌時速度（高達25馬赫數）的飛行範圍內能有效地工作。它應具備兩種功能：一是火箭發動機，用於大氣層外的推進；一是吸氣式發動機，用於大氣層內的推進。吸氣式發動機要在大馬赫數條件下工作。利用衝壓作用對空氣進行壓縮液化。為本身提供液燃料。單一類型的發動機是無法同時完成這兩個任務的。目前正在研製一種多循環工作制的組合發動機，但技術難度很大。可以說，發動機研製成功與否，將決定空天飛機的命運。重大意義
商業價值
空天飛機隨著航天活動規模的擴大，估計在21世紀，僅美國送入軌道的總重量達9萬噸，因此，每年的運輸量將猛增到數萬噸。但是，目前最先進的航天運輸工具——美國現在的太空梭，運送每公斤有效載荷進入地球軌道的費用達11607美元（1986年美元值）。因此，大幅度降低航天運輸費用，已成為開展大規模航天活動的關鍵問題之一。
此外，用空天飛機發射、維修和回收衛星，不需要規模龐大、設備複雜的航天發射場和長達一兩個月的發射前準備，也不受發射視窗的限制。它完成一次飛行任務後，經一周的維護就能再次起飛，能適應頻繁發射的需要，它的投入使用，將使人類可以方便地進入空間，“登天”就不再成為難事了。
軍事價值
在軍事上，這種空天飛機既可作為全球高超音速運輸、洲際轟炸和戰略偵察，又可作為航天運載工具或太空兵器，有可能成為一般轟炸機、戰鬥機和飛彈所“不可比擬”的攻擊和防禦力量。美國擬議中的空天飛機方案主要有兩種：一種是擬用作跨太平洋飛行的高超音速運輸機，稱“東方快車”，能以5～6倍音速在3萬米的高度作巡航飛行，只需兩小時可從美國杜勒斯機場飛至日本東京；另一種為“跨大氣層飛行器”，可作軌道飛行（飛入地球低軌道的速度為25倍音速），也可在次軌道作氣動力機動，然後在回升到軌道上以軌道速度航行。
優缺點
優點空天飛機能自由往返於天地之間，凡是太空梭能幹的事，它幾乎都能勝任。它可以把大的衛星送入地球軌道，一次投放多顆衛星更是它的拿手活兒；它能對在軌道上運行的衛星進行維修或回收，當然也可以對敵國的衛星實施破壞，甚至收為己有；它能向空間站運送或接回太空人和各種物資；更重要的是它還能執行各種諸如攔截、偵察和轟炸等軍事任務，成為頗具威力的空天兵器。
空天飛機飛行速度很快，便於實現全球範圍內的快速客運，地球上任何兩個城市間的飛行時間都用不了2個小時。美國設計的一種空天飛機，乘客305人，可在32公里高度和1.2萬公里航程內巡航，其巡航速度高達5馬赫數。 儘管太空梭比起一次使用的運載火箭前進了一大步，但仍有諸如故障頻繁，費用昂貴等許多不足。而空天飛機與太空梭不同，它的地面設施簡單，維護使用方便，操作費用低，在普通的大型機場上就能水平起飛和降落，具有一般航線班機的飛行頻率。這種飛機的外型與大型客機相似，更多地具有飛機的優點。它以液氫為燃料，在大氣層飛行時，充分利用大氣中的氧氣。加之它可以上百次的重複使用，真正實現了高效能和低費用的優點。據估算，用它發射近地衛星費用只有太空梭的1/5，而發射地球同步衛星費用則可減少一半。這使空天飛機在即將到來的空間商務競爭中立於不敗之地。
空天飛機的最大優點是運輸費用只有太空梭的十分之一，並且不需要規模龐大、設備複雜的航天發射場，僅需要一個機場就可以了。空天飛機完成一次飛行後，經過一星期的維護就能再次起飛。人們可以像坐飛機一樣進行宇宙旅行。即使不上太空，乘坐它去大洋彼岸去看望朋友也很方便。並且在軍事價值上還可以改裝為空天戰鬥機，空天轟炸機及空天運輸機等類型的飛機。而且空天飛機的突防力強，可以輕易突破敵人的防禦系統並且進攻敵人，摧毀敵人的裝備設施。
缺點
空天飛機與太空梭一樣，同樣也是有缺點的。雖然構想中的空天飛機似乎很完美無缺，但是結果與太空梭還是一樣缺點多多。空天飛機有以下的缺點：1.研發門檻高。2.研製周期較長。3.成本及造價高。4.研製風險大。5.技術難度高。因此，一般而言空天飛機不適合剛起步的航天國家研發。
對比區別
太空梭，其原意為太空往返航班。美國人在完成阿波羅登月計畫後，緊接著實施空間站計畫，1973年5月發射了“天空實驗室”實驗性空間站，並為此研製了太空梭，作為可重複使用的天地往返運輸系統，逐步取代了一次性使用的運載火箭。在當時的技術條件下，要使整個太空梭系統都能重複使用，有很大困難。因此，美國將其分為三部分：軌道飛行器可重複使用100次，固體火箭助推器可重複使用20次，外掛燃料箱為一次性使用。但是，直到1981年4月，太空梭才試飛成功，而且以後的飛行表明，並沒有達到降低運輸費用的目的。主要是為解決防熱、安全等技術問題，並需降低發射、維護費用。除美國外，世界上計畫進行太空梭研製的還有：蘇聯(俄羅斯)的“暴風雪”號太空梭，其軌道飛行器可重複使用，它由一次性使用的“能源”號火箭發射，返回時像飛機一樣水平著陸；1988年10月，無人駕駛軌道試飛成功後，計畫被取消。歐洲航天局的“赫爾墨斯”太空梭計畫，也放慢了步伐。日本計畫的“希望”號無人駕駛太空梭，也只進行了縮比模型試驗。
實現空天飛機的技術難度比太空梭更大，主要是三種動力裝置的組合和切換，高強度、耐高溫的材料(高速飛行時，其頭錐溫度可達2760℃，機翼前緣達1930℃，機身下也可達1260℃)和具有人工智慧的控制系統等。這些都需要進行大量的研究和技術攻關。
技術難度和資金短缺，使各國的空天飛機計畫難有進展。如英國的“霍托”號空天飛機，最終也與德國的“桑格爾”空天飛機一樣，先由大型飛機馱至高空，然後從飛機上起飛進入太空。美國也決定重新確定國家空天飛機(NASP)計畫進程，暫不研製X－30驗證機，而先研究解決技術問題。
空天飛機試驗分為兩種情況，一種是純粹空天飛機試驗，如美國國家航空航天局，計畫對新研製的極超音速X-43A無人機進行最後一次試飛，以驗證其技術性能和指標。這一次試飛的目標，是為檢測這種飛機能否在10倍音速的條件下飛行。另一種是以最先進的普通戰鬥機進行執行某些航天任務的試驗，以使這類普通戰鬥機帶有某種空天飛機的特徵。例如，繼美國利用L－1011型運載飛機和B－52飛行實驗室承載“飛馬座”運輸航天系統，將重量為347公斤的STEP－1型衛星送上地球軌道。俄羅斯也計畫利用米格－31重型殲擊機發射小型衛星，即把米格－31作為向低軌道發射衛星的第一級“可返回式火箭”。米格－31可以將8~10噸的火箭攜帶到20多公里的高度，保證其發射初速達到3000公里/小時。
上述情況反映出一種趨勢，不僅存在著太空梭向普通飛機轉換的工業路線，而且也存在著普通飛機向太空梭轉換的工業路線，使高性能軍用飛機向著兼具航天功能的方向發展。這種趨勢預示著未來高性能戰鬥機將具有航天功能，這將是第六代戰鬥機所要實現的革命性跨越。可多次使用的航天發射載具——空天飛機將是建立外層空間基地的主力軍。
