飞行之梦
人类自从产生思想以来就一直在探索着未知的世界，而真正从科学的角度认识宇宙应该是在公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德在他的著作《论天》一书中，提到地球是圆形的论证。后来由哥白尼、布鲁诺、伽利略等科学先驱逐渐完善并丰富了科学理论，同时，人类的视野不断得到扩展，我们终于知道宇宙的浩瀚和无穷。
直到1961年，人类的足迹才进入太空，而到如今时光整整经历了50年。人类付出了太多的尝试和探索，取得了辉煌的成功，但也有惨痛的失败。半个世纪以来人类对宇宙的认识在航天技术的促进和支持下，达到了空前的发展程度。今天所取得的成就曾经是人类期盼几千年的梦想，当人类能够飞离地面的那一刻，就知道自己终究会有一天，能够在无边无际的宇宙苍穹中自由翱翔。
航空与航天
1903年12月17日，美国莱特兄弟驾驶的人类第一架飞行器——“飞行者一号”，创造了飞行距离36.5米，留空时间12秒的历史纪录，这是跨时代意义的一天，标志着人类动力飞行事业的开始。
发展航空技术是人类进入太空之前的必经之路。航天技术诞生在航空技术问世50年后，这是人类不断吸取经验获得的技术突破，从而实现质的飞跃的必然结果。应该说是航天是从航空孕育而生，而航天又是航空发展的必然趋势。
航天技术发展到现在其本身还有航空技术的精髓，两者有着共同的本质，从动力装置上看那就是都要依靠燃烧这种剧烈的氧化还原反应获得能量。区别在于氧化剂汲取的途径不同：航空器依靠大气中的氧化剂，航天器依靠自身携带的氧化剂。
那么飞行器如何实现“航空”与“航天”的兼容呢？
按照现在的判定依据，人类将飞行器在大气层内的飞行活动叫做航空；在大气层之外的飞行活动叫做航天。但是“空”和“天”的界限并不是这么绝对。通常航空器指的是从海平面高度在0～30千米范围内的飞行器，这段范围包括大气层中的对流层和平流层，那里有充足的氧气，几乎所有的航空器都工作在这个空域。而航天器则要工作在200～300千米的近地轨道及以上的宇宙空间中，飞行速度至少达到7.9km/s的第一宇宙速度，才不至于被地球引力接回地面。
在近空间中，依然存在极其稀薄的大气，气温随着高度的增加而迅速降低，普通的涡轮喷气（风扇）发动机无法正常工作，所以近空间飞行器就必须依靠全新概念的发动机。
目前，近空间飞行器的进气道多采用冲压进气方式；燃烧室采用超声速燃烧或者爆震燃烧方式，燃料多采用能燃速极快的碳氢化合物。近空间飞行器在巡航飞行时利用冲压方式汲取外界空气中的氧，所以它还是属于航空范畴。与传统的飞机相比，临近空间飞行器具备机动速度快，持续工作时间长，覆盖范围广，生存能力强等特点。无论是在军事还是民用领域都有很好的发展前景，目前很多国家都在开发这种新型飞行器。
在100千米以上的外层空间区域内大气密度已经非常低，无法从大气中汲取足够氧，因此飞行器只能自身携带氧化剂，也就是采用火箭发动机。
美国在2010年4月份和2011年5月份先后两次发射了HTV-2高超声速亚轨道飞行器，其在返回大气层滑翔的过程中，飞行速度可达20倍声速，这已经接近了第一宇宙速度（第一宇宙速度大约为海平面声速的25倍），从发射到飞行结束的整个过程也仅有30分钟左右的时间。英国维珍银河公司开发的“太空船二号”亚轨道飞行器也只能在110千米高空进行3～4分钟的无动力滑翔飞行，然后返回地面。
所以航空器要经过近空间的过渡，才能成为航天器，所有的航天器都必须借助航空技术来实现跨越大气层，因为航天器在发射初始段飞行在空气中和飞机面临的气动问题是相似的，航天技术的发展，也能促进航空技术的提升与完善。人类发展航天技术也就是发展空天技术。
空天飞机
美国航天飞机刚刚退役，新型无人轨道测试飞行器X-37B问世，它在返回大气层和着陆的过程中，也像飞机一样采用滑翔的方式。俄罗斯和欧洲曾经设计的新型载人飞船方案中，也有一些采用升力体外形。比如俄罗斯“快船”号，最大特点是将机翼和舱体融合，其本身的外形就可以产生供飞行的升力，在大气层内用于克服自重，不但提高机身的整体强度和飞行的升力系数，还可以降低气动干扰阻力。
随着航空航天技术的发展，融合式升力体外形的飞行器逐渐进入到航天领域，它们可具备在大气层内和近地轨道上的运行能力，也可以在临近空间和亚轨道空间机动，总之拥有比以往航天器和航空器更广阔的活动范围。现在人们把具备这种能力的飞行器叫做空天飞行器或者叫空天飞机。
空天飞行器，即具备在大气层内飞行又能在大气层外的宇宙空间飞行的飞行器。但是从目前的技术发展水平看，人类还不能畅游整个宇宙，所以空天飞行器可达到的宇宙空间仅限制在近地轨道范围内。
（1）X-33
1996年6月，NASA在组织的一场大型太空项目招标会上宣布，为了适应未来的航天运输需要，他们开始了下一代航天飞机的研制计划。NASA目标是开发一种可完全重复使用的单级入轨航天器，可将人员和物资送入太空，并且使发射成本降低90%。招标会吸引了洛克希德 马丁、波音和麦克唐纳 道格拉斯等各大美国顶级的航空航天公司。经过一番激烈的竞争，最终NASA选择了与洛克希德 马丁公司签署共同合作的协议。
洛克希德 马丁公司设计方案是X-33验证轨道飞行器，它具有三角状的气动外形，长21米，翼展23.5米，高5.88米，是可重复使用单级入轨航天器“冒险星”的1/2比例模型样机，如果X-33最终研制成功，它将取代火箭和航天飞机，成为更廉价、更安全的航天器。
但是，X-33计划在实施的过程中却遇到了难以解决的问题。1999年11月，技术人员在进行氢燃料装填试验时，导致X-33的一个氢燃料箱遭到破坏，虽然这是一起偶然的事故，不过科研人员很快发现这种采用石墨环氧轻质复合材料制成的氢燃料储箱结构强度无法达到设计要求。X-33利用的是两台氢氧直排塞式喷管火箭发动机，从起飞到入轨均以此动力装置工作，而不能利用外界大气中的氧来减少氧化剂的携带量，以减轻自重。
为了能满足发射时的重量要求，只能在推进剂储箱材料选用上加以改进。虽然这种石墨环氧复合材料具有很好的柔韧性，但其强度终究不如金属。洛克希德 马丁公司无奈作出临时修改，用更为普通的铝质燃料箱替代复合材料制成的燃料箱，这导致了飞行器自重超标，于是不得不对飞机结构和外形进行重新设计。而新的设计方案又很难满足实际需要，种种矛盾相互抵触，让研制计划无法进展下去。
最终，NASA于2001年3月宣布，终止耗资13亿美元的X-33项目。这是仅有的一种可以替代航天飞机并将航天飞机的技术加以传承和演化的新型航天器在孕育阶段中经历的短暂时光。
对于航天飞机技术尚且不够成熟，在其基础上研制空天飞机，人们会遇到更多的意想不到的困难。
（2）诠释空天飞机
也许是我们没有真正明白空天飞机真正应该是什么样的概念。但是我们目前应至少知道空天飞机所具备的一些必要的技术指标。
空天飞机应具备的第一项技术指标是：能够实现单级入轨，并可以重复使用。传统的运载火箭和航天飞机在将有效载荷送入近地轨道的过程中，为了能够减轻自重，把退出工作的火箭舱段、助推器、外挂燃料箱逐一抛掉，连同整流罩和逃逸救生装置等部件，都不能随所运载的航天器或轨道器进入太空，而最终坠入地面销毁。空天飞机应能够将上述一次性使用的部件，连同入轨器件部分融为一体，一并发射升空。在近地轨道执行任务完成后，完整无缺地返回地面，并且可以反复使用多次。而美国的X-37B轨道测试飞行器，采用了“宇宙神”5运载火箭的两级助推，距离单级入轨技术实现，还有很远的距离。因此X-37B不能算是真正意义的空天飞机，它只能是一种小型的无人航天飞机。德国设计的“桑格尔”空天飞机，采用两极入轨，第一级为载机，使用吸气式航空发动机，第二级为轨道器，采用氢氧火箭发动机。轨道器利用载机的助推进入轨道，虽然两极均可重复使用，但终究没能实现单级入轨，也没有达到真正空天飞机的必要条件之一。
空天飞机应具备的第二个必要技术指标是：必须有两种飞行模式，即航空模式和航天模式。空天飞机可以仅作为航空飞行器，此时和飞机的状态是一样的。也可作航天飞行器，实现在轨运行。因此它有更广泛的用途。这种飞行器在大气层内飞行状态应该与飞机一致，即利用推力获得速度产生升力，克服重力，推力克服气动阻力，而且要完全依靠本身驱动，不应该依赖其他助推装置。根据这一要求美国的X-33算不上是严格意义上的空天飞行器，它采用垂直发射的方式，飞行模式和飞机一样，利用推力克服重力，而不是用升力克服重力。像X-33和“桑格尔”这样在大气层飞行只是一个过渡，最终的目标是飞向太空，不在大气层内停留，这仅仅具备了航天的一种模式。
空天飞机应具备的第三个必要技术指标是：应装有适合在大气层内和宇宙空间中同时工作的动力装置，即空天组合发动机。当空天飞机在大气层内飞行时，空天组合发动机采用航空发动机模式，从外界吸取氧；当空天飞机入轨时，空天组合发动机采用火箭发动机模式，依靠自身携带的氧化剂工作。而且空天发动机在这两种工作模式下均使用相同的燃烧剂、燃烧室和喷管。发动机的循环系统要按照模式的不同进行转化。
但是现在设计的空天飞机方案中都有两套独立的动力装置。采用两级入轨模式的，一般在载机上配备航空发动机，在轨道器上配备火箭发动机，结果使它们只能在各自的空域内飞行。采用单级入轨模式的，一般是只装备火箭发动机，直接飞入太空在大气层几乎不作停留。像X-33仅采用两台氢氧塞锥喷管火箭发动机。单级入轨模式还有在飞行器上同时配备独立的航空发动机和火箭发动机，这种飞行器虽然可在大气层中飞行一段时间，但是在航空飞行段，火箭发动机不投入工作；而在入轨飞行段，航空发动机不投入工作，这大大降低了发动机的使用效率。要想避免上述三种情况各自的缺点，就应当配备具有两种模式组合的空天发动机。
（3）空天飞机的动力系统
X-33曾创造性地使用了氢氧直排式塞锥喷管火箭发动机，这种直排式塞锥喷管发动机分为上、下两排喷管，中间用一塞锥隔开。如果直接控制两排喷管的喷气量，在不同喷气比例下，会产生上升、下降和滚转等不同运动姿态，而无须像传统火箭采用的钟式喷管发动机的矢量转动结构，节省了发动机结构重量。
塞锥喷管发动机的最大特点是它的膨胀比具有高度补偿性。火箭发动机尾喷管使气流产生膨胀，压强降低，只有喷管出口气流压强降低到与外界大气压强一致的时候，气流才会达到完全膨胀的状态，此时火箭发动机拥有最大的推力和最高的推进效率。塞锥喷管喷出的气流流经塞锥一侧，受塞锥锥面限制压力，气流另一侧接触大气，由大气气压来调节压力。因此这种喷管的膨胀比变化取决于大气压力变化，而没有固定的喷管出口截面。随着高度的增加，气流接触大气的一侧会始终让气体压力膨胀到和大气压力一致，并随着高度增加而降低，这就让射流始终处于完全膨胀的状态。在燃烧室出口压力不变的情况下，膨胀比随高度增加而增加，这就叫做高度补偿性。
传统火箭发动机采用的钟式喷管有着固定的出口截面，发动机膨胀比不变，只有在特定高度下，才能使喷管出口压强等于外界气压，处于完全膨胀的状态。而塞锥喷管发动机却可在任何高度下，实现完全膨胀，这就让塞喷发动机比钟式喷管发动机具有更高的推进效率。
即使这样，X-33装备的高效率发动机还是不能克服飞机自身和燃料的重量，使之不能最终入轨。
如果采用单纯的火箭发动机模式，空天飞机必须自身携带氧化剂，则进一步加重了质量负担。所以空天飞机至少应采用吸气式发动机和火箭发动机组合模式的动力装置，可以从外界摄取部分氧来减少自身氧化剂的携带量，使自身重量减轻。
具有吸气式和火箭式组合模式发动机，通常有两套循环系统，这两套循环系统使用的是同一个燃烧室和尾喷管，燃料可以相同也可以不同。在飞行器起飞初始阶段，动力装置采用吸气模式工作，类似于航空发动机，但是吸气方式与传统的航空涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机却大不一样，这种吸气是以冲压方式进气的，因为冲压发动机没有风扇（压气机）和涡轮，可以减轻重量。但是冲压发动机不可能在低速飞行下工作，为了在起飞段对飞行器进行加速，还需建造地面助推发射器，一般是磁悬浮牵引装置，飞行器可以不依靠自身的燃料获得起飞速度，降低燃料携带量。
