发展空天飞机的主要目的是想降低空天之间的运输费用?其途径归纳起来主要有三条:一是充分利用大气层中的氧,以减少飞行器携带的氧化剂,从面减轻起飞重量;二是整个飞行器全部重复使用,除消耗推进剂外不抛弃任何部件;三是水平起飞,水平降落,简化起飞(发射)和降落(返回)所需的场地设施和操作程序,减少维修费用?
但是,经过几年的研究分析,科学家们发规,过去的估计过于乐观?实际上?上述三条途径知易而行难?需要解决的关键技术难度决非短时间内能突破,这些关键技术有:
新构思的吸气式发动机
因为,空天飞机的飞行范围为从大气层内到大气层外,速度从0到M=25,如此大的跨度和工作环境变化是目前现有的所有单一类型的发动机都不可能胜任的,从而也就使为空天飞机研制全新的发动机成为整个项目的关键?
众所周知,喷气式发动机需要在大气层中吸入空气,无需携带氧化剂,但无法在大气层外工作,且实用速度较小;而火箭发动机自带氧化剂,可以工作在大气层内外,使用速度范围较广,但携带的氧化剂较笨重,比冲小?
目前设想的空天飞机的动力一般为采用超音速燃烧冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+火箭发动机的组合动力方式?但超燃冲压发动机的研制上存在相当多的技术问题,而多种发动机的组合方式又使结构变得过于复杂和不可靠?
计算空气动力学分析
航天飞机返回再入大气层的空气动力学问题,曾经耗费了科学家们多年的心血,作了约10万小时的风洞试验?空天飞机的空气动力学问题比航天飞机复杂得多?因为飞机速度变化大,马赫数从0变化到25;飞行高度变化大,从地面到几百公里高的外层空间;返回再入大气层时下行时间长,航天飞机只有十几分钟,空天飞机则为l~2小时?
解决空气动力学问题的基本手段是风洞?目前,就连美国也不具备马赫数可以跨越这样大范围的试验风洞?即使有了风洞还需要作上百万小时的试验,那意味着就是昼夜不停地试验,也需要花费100多年的时间?于是,只能求助于计算机,用计算方法来解决,而对那维尔斯托克斯方程的求解目前尚存在,许多理论上和计算速度上的问题?
发动机和机身一体化设计
当空天飞机以6倍于音速以上的速度在大气层中飞行时,空气阻力将急剧上升,所以其外形必须高度流线化?亚音速飞机常采用的翼吊式发动机已不能使用?需要将发动机与机身合并,以构成高度流线化的整体外形?即让前机身容纳发动机吸人空气的进气道,让后机身容纳发动机排气的喷管?这就叫做“发动机与机身一体化”?
在一体化设计中,最复杂的是要使进气道与排气喷管的几何形状,能随飞行速度的变化而变化,以便调节进气量,使发动机在低速时能产生额定推力,而在高速时又可降低耗油量,还要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能,以使它在返回再入大气层的过程中,能经受住高速气流和气动力热的作用,这样才不致发生明显变形,才可多次重复使用?
防热结构与材料
空天飞机需要多次出人大气层,每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热,特别是以高超音速返回再入大气层时,气动加热会使其表面达到极高的温度?机头处温度约为1800℃,机翼和尾翼前缘温度约为1460℃,机身下表面约为980℃,上表面约为760℃?因此,必须有一个重量轻?性能好?能重复使用的防热系统?
空天飞机在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力?振动?空气动力等的作用,在返回再入阶段要经受颤振?科振?起落架摆振等的作用?在这种情况下,防热系统既要保持良好的气动外形,又要能长期重复使用,维护方便,所以其技术难度是相当大的?
目前的航天飞机,由于受气动加热的时间短,表面覆盖氧化硅防热瓦即可达到满意的防热效果,但对空天飞机则远远不够?
如果单靠增加防热层厚度来解决问题,则将使重量大大增加,而且防热层还不能被烧坏,否则会影响重复使用?一个较简单的解决办法是在机头?机翼前缘等局部高温区,使用传热效率特别高的吸热管来吸热,以便把热量转移到温度较低的部位?
更好的办法是采用主动式冷却防热系统,也就是把机体结构与防热系统一体化,即把机体结构设计成夹层式或管道式,让推进剂在夹层内或管道内流动,使它吸走空气对结构外表面摩擦所生成的热量?
为了满足空天飞机的防热要求,目前正在研究用快速固化粉末冶金工艺制造纯度很高?质量很轻的耐高温合金?美国已研制出高速固化钛硼合金,它在高温下的强度可达到目前使用的钛合金在室温下的强度,这种合金适宜用来制造机身内层结构骨架?
机头与机翼等温度最高的部位,要求采用碳复合材料,这种复合材料表面有碳化硅涂层,重量轻,耐高温性能好?此外,还需要研究金属基复合材料,例如碳化硅纤维增强的钛复合材料等?这种材料应该兼有碳化硅的耐高温性能,又具有钛合金的高强度特性?
空天飞机技术难度大,所需投资多,研制周期长,所以将来进入全尺寸样机研制,势必也会象空间站那样采取国际合作的方式?
喷气式发动机是那年，那个国家，那个人发明的？
（1）润滑作用
发动机运转时，在相对运动的机件中间保持一定的油膜储存在各表面间，使部件之间不直接产生摩擦，从而使摩擦系数降低，减小了摩擦损失和减轻了活动件表面磨损，提高了发动机的有效功率，确保了零件的使用寿命。
（2）冷却作用
发动机工作时，产生大量的热量，热能转变动能，进行做功后。做功后的多余热量必须及时的散发掉。否则，将因温度过高而损害机件。润滑油带走部分机件中的热量，以保持工作部位的温度不致过高。
（3）清洗作用
发动机工作时，润滑油能把集结在机件上的污垢和摩擦产生的微小颗粒带走，以保持机件的清洁和减小摩损。
（4）封闭作用
润滑油能封闭活塞与汽缸之间的间隙。润滑油形成的油膜能增加密封度，以防止串气，并且弥补微小间隙，防止噪音的产生。
:润滑方式:
1、压力润滑?
压力润滑是以一定的压力把机油供人摩擦表面的润滑方式。这种方式主要用于主轴承、连杆轴承及凸轮轴承等负荷较大的摩擦表面的润滑。
2、飞溅润滑?
利用发动机工作时运动件溅泼起来的油滴或汕雾润滑摩擦表面的润滑方式，称飞溅润滑。该力式主要用来润滑负荷较轻的气缸壁面和配气机构的凸轮、挺柱、气门杆以及摇臂等零件的工作表面。
3、润滑脂润滑
通过润滑脂嘴定期加注润滑脂来润滑零什的工作表面，如水泵及发电机轴承等。
喷气式发动机的产生，给世界航空工业带来了一场革命。由于它采用了全新的工作原理，可为飞机提供远远超过其前辈――活塞式发动机的强大动力，而且它还摒弃了前者所“难以割舍”的痼疾――螺旋桨，因而大幅度提高了飞机的性能。如今，喷气技术已经得到了越来越广泛的应用，不论是军用还是民用飞机，甚至某些航模也采用小型脉冲喷气发动机作为自己的动力装置。然而，当英国人弗兰克．惠特尔爵士将这只“丑小鸭”刚刚带到世界上来时，却颇费了一番周折。 1907年6月1日，惠特尔出生于英格兰南部的考文垂。在第一次世界大战中，童年的惠特尔亲眼看到战斗飞机的空中格斗，从而对空战产生了浓厚兴趣。 16岁时，惠特尔考入英国皇家空军见习学校，毕业后到克兰威尔的皇家空军学院学习。在校期间，他就发现驱动螺旋桨的活塞式发动机满足不了飞机高空高速飞行的需要，并在毕业论文中提出了新型推进系统涡轮喷气发动机的工作原理：先将空气吸人，再经过双面离心压气机压缩，然后在单管燃烧室内喷油燃烧；燃烧后的高压燃气驱动涡轮带动压气机，同时高速从尾喷管喷出，从而产生推力推进飞机。他推导出了发动机热力学的基本方程，并且提出飞机的巡航高度可以达到35000米。 惠特尔的设想，令人耳目一新，但由于在1929年，人们的思想仍固囿于传统的活塞式发动机的模式中，没有人相信他的设计能够实现，惠特尔跑了几家厂商，均被婉言谢绝。其设计方案也被漠然置之。由于无人采用，因此惠特尔的燃气涡轮喷气发动机方案只得先申请专利。这时，他年仅23岁。 1935年，机遇终于来了，在原克兰威尔皇家军学院的一位学友威廉斯的安排下，一家由银行家组成的商行决定资助新办的“动力喷气有限公司”，试制惠特尔发明的涡轮喷气发动机。惠特尔也进入这家公司工作。这年6月，惠特尔开始设计第一台涡轮喷气发动机。 1937年4月13日，这台双面离心式压气机、10个单管燃烧室的燃气涡轮喷气发动机在试车台上运转起来；转速达到了11750转／分，发出推力545公斤(5340牛顿)。该发动机从设计、制造到运转成功，仅花了不到两年的间。 当皇家空军部的军官看到第一台燃气涡轮喷气发动机确实在成功运行和可以工作时，才答应给予资金支持；翌年3月，空军与惠特尔签订了合同，用一台改进的发动机装备飞机。接着罗斯特飞机公司与他签订了合同，制造惠特尔W1型涡轮喷气发动机装E－28/39飞机，作为飞行试验。 但是，由于长期辛劳，惠特尔的身体状况已经变得很坏，再加上第一台发动机运转一直不稳定，啸声极大，难以正常工作，所有的合作者都离他而去，惠特尔的精神几乎达到崩溃的地步。1938年4月，惠特尔制造了第二台发动机，并稳定工作了两个小时，但最后还是解体了。 1939年，二战爆发，英国若一开始就大力支持惠特尔的研究，这时可能已占有压倒的空中优势，但事实并非如此。到了1940年7月，惠特尔的发动机终于可以稳定工作，41年5月，英国第一架喷气式飞机E－28/39试飞，并演示给邱吉尔，却不邀请喷气发动机的发明者惠特尔。 这一切延续到了1945年8月，德国的Me－262喷气式战斗机率先投入使用，这种飞机速度远远超过同期最优秀的活塞式战斗机，令同盟国感到震惊。尽管由于此时已近二战结束，法西斯已回天无术，少量的喷气式战斗机也未能起到多大作用，惠特尔还是感到十分痛心，毕竟在这场竞赛中，他在大部分时间处于领先的，是官僚们耽误了他。 1948年，英国政府终于公开承认了惠特尔的贡献，授予他勋章和奖金，并封他为爵士，晋升准将。全世界许多国家、城市、大学、专业学会也给他无数的奖章和名誉学位。1976年惠特尔移居美国，成为一名大学教授，安静地住在乡间。 世界第一架喷气式战斗机是由德国于1939年首先研制出的。安装有德国的科学家冯·奥亨研制的喷气发动机的He—178型飞机是世界上第一架喷气式飞机。该机于1939年8月27日首次试飞。最早投入批量生产并转变被部队的喷气式战斗机是英国的‘流星“式战斗机和德国的梅塞施密特ME-262型战斗机。Me-262首次试飞在11942年7月18日，时速达850公里，这比当时所有活塞式战斗机要快得多。1943年11月，希特勒观看了这种飞机表演后说： “我们总算有了可以用于闪电作战的轰炸机了！”而坚决不同意将其作为战斗机使用。直到1944年秋天，Me—262才得以作为战斗机投入使用。尽管Me－262取得了辉煌的战线，但它已不策挽回纳粹德国的败局了。 1949年7月27日,世界第一架喷气式客机德哈维兰彗星号在哈特菲尔德机场进行它的处女航,驾驶这架飞机的是上校试飞员约翰·康宁厄姆.
