李会超

2020年9月4日，我国酒泉卫星发射中心成功发射“可重复使用航天器”，在轨道飞行两天后，此航天器于9月6日成功返回预定着陆场，实验圆满成功。这标志着我国可重复使用航天器技术研究取得重要突破，可为宇航员往返太空提供更便捷、廉价的方式。

“可重复使用航天器”究竟是何方神器呢？简而言之，它就是宇宙飞船。从诞生到现在，可重复使用航天器曾有过不止一种类型。

由X-15开创的空天飞机技术

为什么要发展可重复使用航天器技术呢？举个例子，我们如今出行常开汽车，但如果汽车只能用一次就得报废，想第二次开车就得再买一辆新车的话，相信谁都开不起汽车这种东西。而早期传统的航天器就是一次性的。所以從太空时代刚刚开始，人类就一直致力于研制可以重复使用的航天器，最早可以追朔到上世纪60年代美国的X-15试验飞行器。

上世纪50年代末，人类在同时探索两种进入太空的方式，一种是利用运载火箭从地面将飞船发射到近地轨道，这种方式和我们今天常见的太空飞行方式类似，且在被提出不久后便取得了成功，得到大规模的应用；另一种则是将在稠密大气之内飞行的飞机改造成能够在超高空飞行甚至进入太空亚轨道的飞机，这是目前仍在发展的空天飞机的雏形。X-15便是空天飞机的最早尝试。

在大气层内飞行的飞机，装备的是与空气相互作用获得推力的发动机，因而在大气稀薄的超高空飞行时，这种发动机无法产生足够的推力，空气中的氧气也无法维持发动机运转。因此，X-15采用了液体火箭发动机，以酒精（后期改进为无水氨）和液氧为推进剂，混合燃烧后从发动机尾部喷管中高速喷出，推进飞机飞行的能量和动量都来自于推进剂本身，能够为X-15提供数百千牛的推力。

此外，传统飞机靠其专用翼面与空气相互作用，于空气充足的高空自由翱翔；但在稀薄的大气中飞行时，传统飞机的翼面也没有足够的空气来发挥作用。因此，X-15采用了反冲控制系统，利用小型高比冲发动机在各个方向施加的推力，控制飞机的飞行姿态。

X - 1 5的机翼经过空气动力学特别设计，可以让其在超高音速的飞行状态下保持稳定。不过，X-15并不通过自身的动力从机场起飞，而是先搭乘B-52轰炸机到达13000米高空，然后再脱离B-52，利用火箭发动机进一步提高自己的速度和高度，开始自主飞行。X-15的最高飞行高度为108千米，而一般的战斗机升限高度仅在20千米左右，民航飞机则更低。X-15还飞出了相当惊人的2.02千米/秒的最快飞行速度。

虽然火箭发射航天器的成功，迫使X-15不得不下马，但是这种飞行器验证了在大气层与太空边界的临近空间飞行的可能性。目前美军正在进行测试的X-37B空天飞机，和各国未来的空天飞机计划，都与X-15的试验有联系。母机空中释放的发射方式也为后来的飞行器、航天器所采用。

升力体飞行器与航天飞机

升力体飞行器是另一种可重复使用航天器采用的方案。

飞机通过固定翼翼面与大气相互作用产生升力，而升力体飞行器则利用自身特别的外形在机身上直接产生升力。研发升力体飞行器的目的，主要在于希望能解决载人航天器在返回大气层时的控制问题。

在上世纪六七十年代，美国的“阿波罗”飞船和苏联的“联盟”飞船都被设计为太空舱构型。太空舱在返回地面时，基本无法控制自己的飞行轨迹，只能沿着脱离轨道时进入的弹道落地。而升力体飞行器则可以在返回地面的过程中实现可控飞行，降落到预定的机场，或临时调整到备降场地。这就实现了从“听天由命”到“我命由我不由天”的质的转变！

最有代表性的升力体飞行器是美国的X-24A、X-24B、M2-F3、HL-10等试验飞行器，这些升力体飞行器的尾部仍然保留了机翼，但并非用于获取升力，而是用于稳定和控制飞行姿态。在试验过程中，这些飞行器同样采用先搭乘母机到高空，然后以火箭发动机等自身动力进行飞行的方式。在航天飞机计划发展过程中，航天飞机轨道器本来有可能采取升力体结构，但后来工程师们发现升力体外形无法与航天飞机必须配备的燃料箱较好地绑定在一起，因此放弃了对升力体方案的使用，转而采用三角翼方案。

1 9 6 9年，升力体飞行器X-24A进行了一次无动力再入试验，当它从母机释放后不打开发动机，仅通过滑翔飞行的方式降落在机场上，这正是航天飞机返回地面时所使用的方式。X-24A的这次试验取得了成功，为航天飞机计划的开展铺平了道路。

进入新世纪后，一些新研发的载人航天飞行器采用了升力体飞行器的构造，以使返回过程变得较为可控且损耗较低，进而实现飞行器的可重复使用。2010年，美国内华达山脉公司借助NASA“商业载人航天计划”的资助，开始了“追梦者”飞船的研发。按照设计方案，这种飞船每次可以搭载3-7名宇航员，也可以经过改装后用于货运飞行。在发射时，飞船将被安装在大力神5等大推力火箭顶部进入太空；而返回时，则可以通过自身升力体的外形自主着陆。但这种外形酷似小号航天飞机的飞行器，在经过NASA两轮资助后，最终未能入选商业载人航天计划的首批飞船之列。不过，内华达山脉公司已经拿到了未来几年的空间站货运飞行合同，升力体飞行器也有望实现真正的太空飞行。

舱体式飞船被再度重视

在航天飞机出现前，人们主要使用由多个舱体构成的飞船进行载人飞行；航天飞机计划成功实施后，一度有取代舱体式飞船的趋势。在航天飞机设计之初，人们曾经憧憬航天飞机机队维持每年50次以上飞行的出勤率，每次飞行只需耗费低至数百万美元的飞行成本；每艘航天飞机在完成一次任务后，仅有1%的部件需要更新，且经过两个星期的整备就能重返太空，核心发动机可以使用数十次。

然而，实际情况却是航天飞机每次飞行后的实际维护工作远高于预期，需要消耗约2000小时来更换大量的部件，飞行维护成本也随之一飞冲天。

在吸取了航天飞机结构功能过于复杂的教训后，各国的设计师们都认识到，载人航天器的主要用途是作为航天员往返天地的运输工具，不应在载人之外赋予其太多的其他功能。因此，在设计新一代飞船时，他们不约而同地又采用了舱体式飞船的总体设计方案，赋予了新飞船可重复使用的功能。

以可重复使用航天器为主要“卖点”的美国SPACEX公司，在之前获得成功的货运型龙飞船的基础上，设计了载人型龙飞船。经过多轮PK后，载人型龙飞船成为了NASA商业载人航天计划的首批飞船，并于2020年5月30日执行了自航天飞机停飞后美国载人航天的首次复飞任务。载人型龙飞船一次最多可以将7名宇航员送入太空，在不对接的情况下可以独立在太空中飞行一周。按照SPACEX对外公布的信息，载人型龙飞船可重复使用约10次。

波音公司的CST-100星际客机是商业载人航天计划的另一种飞船，同样具备可回收重复使用的能力，设计的最大重用次数在10次左右。在返回地面的过程中，这种飞船的乘员舱底部防热罩将在约1500米高度时被抛弃，露出布置在防热罩内的缓冲气囊。在落地前，缓冲气囊将充气展开，为落地提供缓冲。

NASA自行研制的下一代载人“猎户座”飞船，也是一种具有重复使用能力的飞船。与主要用于往来地面和国际空间站的龙飞船及CST-100飞船不同，“猎户座”瞄准载人登月乃至登陆火星，具备以第二宇宙速度直接再入大气层的能力，舱体将会具备可以应对深空中更加恶劣环境的防辐射性能。

2020年5月，我国成功发射和返回的新一代载人飞船试验船，返回舱也是可重复使用的。它采用金属结构与防热结构分开的设计方式，返回后只需要更换防热结构即可，金属结构和舱内设备能重复使用。这种新一代载人飞船能够以第二宇宙速度再入大氣层，还能在返回过程中克服电离气体形成的“黑障”现象，使飞船与地面始终保持联系。