空天飛機：未來天地運輸的新路徑

美國「三強」欲展翅高飛

空天飛機既可承擔發射衛星、空間站送貨、太空應急救援等任務，也可開展運送航天員、太空旅遊等業務。

雖然太空梭已經退役多時，但世界航天界卻並沒有放棄空天飛機這種具有可重複使用、在機場降落等優勢的航天運輸系統。美國成功研製並測試了X-37B、正在研製XS-1和「追夢者」。

太空梭與「追夢者」的模擬對比圖

2017年5月，美國空軍的X-37B第四次太空試驗結束，在軌運行718天，再次刷新了可重複使用軌道機動飛行器在軌駐留的時間記錄，這期間還完成了多次軌道調整。同年9月，SpaceX公司使用獵鷹9火箭成功發射X-37B，開啟了其第五次太空試驗任務。

X-378在跑道上

美國的實驗性太空梭（XS-1）項目的主要目的是為了研製一種可重複使用的助推器，以具備快速反應和低成本的航天發射能力，能在10天內飛行10次，將2.3噸的有效載荷送入低地球軌道且單次發射成本不到500萬美元。

2017年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）對外宣布，選定波音公司作為XS-1項目的承研商，開展XS-1項目第二階段和第三階段的工作。據悉，第二階段將在2019年前完成技術驗證機的設計、研製和地面試驗。第三階段將在2020年完成12~15次飛行試驗。

美國XS-1概念圖

波音公司將此項目方案命名為「鬼怪快車」，所設計的助推飛行器將能垂直起飛，裝載衛星的上面級將放置於助推的載機上方，投放上面級後，該亞軌道助推飛行器將會滑翔返回，並在跑道上著陸。

「追夢者」是由美國內華達山脈公司研製的一種依靠火箭發射升空、能像飛機那樣水平著陸返回的飛行器，被認為是美國下一代的太空梭。它採用升力體外形，這種設計是源於上世紀80年代美國宇航局研發的HL-20空天飛機。

「追夢者」的主要任務是為國際空間站運送貨物和人員，並具備可重複使用和商業化運營能力，可以從軌道再入、滑翔並著陸在任何一個商用機場跑道上，其未來潛在的任務也不少，包括向其他軌道設施運送人員和貨物，可作為政府、科研機構、企業的短期自主軌道實驗室，或用於開展太空旅遊。

「追夢者」可直接置於多種火箭的頂端，又可按照「宇宙神」「阿里安」的整流罩尺寸進行機翼摺疊，放置於整流罩內，首次發射初步計劃在2019年下半年由宇宙神5火箭執行。

2017年，「追夢者」進行了一系列地面與飛行測試。尤其是在11月11日進行的第二次空投試驗中，「追夢者」順利著陸，試驗獲得圓滿成功。

多國方案亦爭奇鬥豔

俄羅斯正在開展名為多用途空天系統（MAKS）的研究，預計2030年左右投入使用。

MAKS空天飛機長19.3米、高8.6米、翼展長13.3米、自重27噸，可以運輸18噸的載荷，今後還可能使用運載能力更強的雙機身飛機，而第二級有載人型、一次性使用型和無人運貨型3種型號。

英國正在發展基於佩刀發動機的雲霄塔空天飛機。它是一種單級入軌航天器，外形與普通飛機相似，機身長近90米，依靠兩個名為佩刀的噴氣與火箭混合式發動機驅動。

雲霄塔空天飛機藝術想像團

在「雲霄塔」飛行的初始階段，它就像噴氣式飛機，從大氣中吸入氧氣助燃，能達到26公里的高度和5倍聲速。之後，又轉換為火箭發動機的模式，消耗所攜帶的液氫和液氧燃料，速度可達25倍聲速，直到最後進入軌道。

「雲霄塔」規劃中的主要用途是發射衛星，或者攜帶12噸貨物和航天員抵達國際空間站。在現在的商業航天大潮下，它宣稱未來可以搭載30~40名乘客開展太空旅行。

英國維珍銀河公司的第二艘亞軌道太空飛機——「太空船2號」在2016年底完成了第二次飛行試驗，它的外形就像一架輕型飛機，機身直徑約2.3米、長約21米，可搭載2名飛行員和6名乘客。

印度目前也在研製一款採用兩級入軌方案的空天飛機，該方案與德國曾經發展的桑格爾空天飛機非常相似，因此其研製的技術難度和風險自然會降低不少。他們希望2030年前這款空天飛機能研製成功，重複使用次數不少於10次，發射成本能降低到2000美元/公斤以內。

2016年5月23日，印度成功發射了重複使用運載器-技術驗證飛行器，它在與運載火箭分離後上升到65公里的高度，隨後返回並成功濺落到制定海域，試驗取得成功，為印度的空天飛機研製邁出了第一步。

他們的這次試驗主要是測試飛行器在高超聲速飛行狀態下的氣動、熱防護以及制動控制等相關技術。之後，他們還將開展驗證飛行器陸地機場著陸技術等一系列試驗，為印度未來低成本進入太空打下基礎。

我國也在積極開展可重複使用、天地往返的空天飛機的相關研究。

印度重複使用運載器-技術驗證飛行器

不忘初心方得始終

上文所提到的幾型空天飛機雖然都屬於可水平返回式空天飛機，但又有各自的「門派」。

總的來說，大致可以分為三派：

一是火箭助力派，即空天飛機放在火箭頂部或整流罩內，自己實現二級入軌及返回，如X-37B、「追夢者」等；

二是運載器派，即作為運載器水平或垂直發射，到一定高度後把背載的飛行器發射入軌後返回，如XS-1、MAKS等；

三是獨立瀟洒派，自己完成火箭的所有任務後返回，如「雲霄塔」等。

這三大「門派」的難度可以說都不小，尤其是後兩大「門派」，所以「雲霄塔」的主要投入都集中在混合式發動機的研製方面。

回顧美國可重複使用運載器的發展道路，也是比較坎坷崎嶇。太空梭成本高昂，最終的效果可以說是「已忘初心」，絲毫沒有體現可重複使用而降成本的優勢，且安全性欠缺。而此前水平起降的國家空天飛機、垂直起降水平降落的X-33、垂直起飛垂直降落的DC-X等都未修成正果。

除了研製難度大之外，空天飛機因受結構和氣動設計要求的限制，導致其可搭載的載荷重量較小。而目前運載火箭加飛船的方式有著更高的效率，而隨著今後火箭回收和可重複使用技術的成熟，有望進一步降低成本。

由此可見，在具體空天飛機方案論證，技術攻關和研製中，都需要勿忘可重複、降成本的初心，才會方得始終。

作者：王婷婷

來源：中國航天報 · 飛天科普周刊

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