从技术途径来看,桑格尔空天飞行器设计过程中绕开了难度较大的单级入轨方案,选择了一子级吸气动力、二子级火箭动力的两级入轨方案,技术难度小、可行性较强,在当时乃至现在的技术水平下都是一个非常务实的选择。其中,一子级飞行器与常规飞行器相比,其任务过程跨大空域宽速域加速飞行。通过对桑格尔一子级方案的分析,主要得到以下启示。

1)对于推进系统,一子级选择了涡轮/亚燃冲压的组合动力形式,为0～6.8 Ma速域下的飞行提供了原理可行的解决方案。但从后来的认识来看,在宽速域下涡轮与冲压之间模态转换阶段性能接续性较差,存在一定的推力“陷阱”,难以满足飞行器的需要。针对这一问题,一方面,需要进一步拓宽涡轮和冲压工作区间,发展高速涡轮或在一定的质量代价内引入预冷技术,向上拓展涡轮发动机的工作上限,并发展进气道/喷管调节技术,向下拓展冲压发动机的工作下限; 另一方面,还可探索新的组合动力形式,如引入火箭动力,在模态转换阶段提供接续推力,或引入超燃冲压动力,解决高超声速阶段的动力问题,从而可降低亚燃冲压的设计马赫数,并采用火箭引射技术,进一步提高低马赫数下的性能。此外,桑格尔方案中提出的进气道/尾喷管调节技术,在如今宽速域推进系统的研究中广泛应用,根据设计需要实现发动机的灵活调节成为组合动力技术发展的主要趋势。

2)在气动设计中,桑格尔一子级基于机体推进一体化设计思想有效缓解了飞行器宽域范围内推阻匹配矛盾,是非常巧妙的设计思路,是实现高超声速飞行的关键,后来也被证明是吸气式高超声速飞行器实现高超声速推进的重要突破。但同时,一体化设计也带来了气动性能与发动机性能的强烈非线性耦合,导致气动、动力、控制及其他相关系统相互关联、互相渗透,在一定程度上增加了相关系统的关联性、复杂性与设计难度,成为高超声速飞行技术的研究热点。此外,宽速域下动压变化范围大,导致飞行过程中升力匹配也存在较大困难。在升重平衡约束下,低速下动压低、质量大,升力面需求大,而在高速下动压增大、质量减小,需要的升力面逐渐减小,该问题至今仍是宽域飞行器高升阻比研究的难点之一。

3)对于结构热防护系统,关键在于在设计要求内尽量利用结构材料的使用裕度,从而提高运载能力。在重复使用、轻量化、防隔热、低成本等多条件耦合要求下,桑格尔设计人员开展了精细化设计,对飞行器进行了大量仿真,基于当时的材料体系大胆采用了逼近极限工作状态下的钛合金作为一子级大面积热结构的首选材料。虽然从如今的材料体系来看,复合材料等新型技术的成熟使其具备更多的选择,但桑格尔这种逼近极限的设计思想值得参考。此外,还创新提出了多层金属热结构设计技术,可采用多种金属相互搭配组合,具有很强的可设计性,为现有金属热防护系统的设计提供了一定参考。

4)从总体方案的技术可实现性来看,最终制约方案进展的是组合动力问题。气动、材料结构、控制方面在当时都有基本可行的解决方案,均不存在难以攻克的技术问题,但组合动力方案还只是设想阶段,需要进一步开展研究和试验验证。由于动力水平的制约,在当时的技术条件下空天飞行是不可实现的,技术问题是造成桑格尔方案停止的主要原因。此外,空天飞行器的研制花费巨大,也是一个国家综合国力的体现,桑格尔方案的停止也与资金问题有关。这也表明以当时的技术水平和德国发展条件,尚不足以支撑完成空天飞行器这一复杂庞大的系统工程。

5)从桑格尔方案研究的经验教训来看,要想完成大工程目标,在技术上不能存在短板,需要对研究进行统筹、全面的安排。对于意义重大且花费巨大的工程,需要由国家行为主导,以国家意志联合国内相关优势单位,并开展广泛的国际合作,从而有力推动技术发展。

空天飞行器飞行空域大、速域宽、飞行剖面复杂、飞行力热环境恶劣,因此必然面临着动力、气动、结构材料、制导控制、制造、试验等众多领域的基础科学问题与关键技术的挑战,实现难度巨大。面向空天飞行器发展面临的技术难点,梳理了以下发展思路:

1)需明确顶层发展路线。按照先开展单项关键技术验证、再开展集成演示、最后能力形成的思路,形成了由小到大、由部分重复使用到完全重复使用、先两级入轨后单级入轨的整体路线,持续推进空天飞行器技术逐步向前发展。

2)必须加强基础研究。进一步开展组合发动机多模态燃烧组织机理、多场耦合作用下耐高温轻质材料失效演化机理、临近空间稀薄气体效应和高温气体效应、多场耦合动力学建模等基础科学问题的研究,为空天飞行器的发展夯实基础。

3)发展宽速域组合循环发动机。动力的选择对空天飞行器的发展具有重要意义,当前国内外组合循环发动机研究类型呈多样性,包括TBCC、RBCC、SABRE/PATR等,需在组合循环发动机相关关键技术攻关和原理性飞行试验验证的基础上,提出具有中国特色的发展路线,并进一步解决工程化应用问题,支撑空天飞行器的工程研制。