可复用航天运载工具，中国能后来居上吗？

【文/观察者网专栏作者 陈蓝】
8月26日，新华社报道，由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院自主研制的升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验获得圆满成功。
据悉，飞行试验采用的运载器，经健康检测维护后，在酒泉卫星发射中心再次点火垂直起飞，按照设定程序完成亚轨道飞行，平稳水平着陆于阿拉善右旗机场，成功实现我国亚轨道运载器的首次重复使用飞行。本次飞行试验的圆满成功，有力推动了我国航天运输技术由一次性使用向重复使用的跨越式发展。
更早些的8月5日，新华社报道，我国在酒泉卫星发射中心，运用长征二号F运载火箭，成功发射一型可重复使用的试验航天器，这是长征二号F运载火箭第18次执行发射任务。试验航天器将在轨运行一段时间后，返回国内预定着陆场，其间，将按计划开展可重复使用和在轨服务技术验证，为和平利用太空提供技术支撑。
本月这两条新闻字数都不多，但包含的信息很丰富，也很重要。
8月26日的发射是同一个飞行器的第二次试飞。首飞是在去年7月16日，当时也有报道。那么这个“升力式亚轨道运载器”到底是什么呢？根据多方面的公开资料判断，这个飞行器应该是航天科技集团规划的的三步走可重复使用运载系统的第一步——“火箭动力部分重复使用运载器”的第一级。

图1：航天科技集团公开的可复用运载工具三步走线路图（图源：航天科技）
这个发射系统的第一级简单说就是一架火箭飞机，但它是垂直发射并能接近或超过100公里高度的卡门线，所以也可以称为亚轨道航天飞机。而它的第二级则是常规的一次性火箭。它被捆绑在火箭飞机的侧面一起发射。当到达亚轨道弹道顶端时，第二级火箭分离点火，带着有效载荷飞往预定轨道。而第一级火箭飞机则再入滑翔返回，在大气层中进行一定的机动，最后在跑道降落。

图2：火箭动力部分重复使用运载器发射剖面（图源：航天科技）
这个发射系统的关键技术包括第一级的亚轨道飞行器和第二级火箭的分离和点火，但主要难点都在前者。复飞成功，表明航天科技集团已经克服了所有难点，完全掌握了大型有翼亚轨道飞行器发射、再入、自主飞行和返回的相关技术，具有重大意义。如果一切顺利，下一步就应该是两级的轨道发射了。
那么8月5日的发射又是什么呢？它和可重复使用运载器有关联吗？我们知道，这次也是我国“可重复使用试验航天器”的第二次发射。它于2020年9月4日首飞，由长征2F火箭送入轨道，2天后成功返回。显然，它本身不是运载器，而是一架能进行轨道飞行的小型无人航天飞机，就是中国的X-37B。
我们在航天科技三步走的路线图上看到，第二步和第三步的全复用运载器的第二级就是一架带动力的小型航天飞机。目前太空中飞行的中国航天飞机尺寸还比较小，没有配备入轨所需的动力系统，还不能直接用作运载系统的第二级。但它为实现两级发射系统的全复用奠定了良好的技术基础。
那么，我国的可复用运载器和马斯克SpaceX的猎鹰九号及星舰相比，哪个技术更先进、成本更低廉、竞争力更强？必须说，可复用航天运载系统有不同的技术途径，各有优劣，在不同的发展阶段，比较结果也不一样。而我国除了前面介绍的这个火箭动力两级部分复用系统外，几乎涉足了所有不同的技术路线。下面按三种起降方式做一个简单介绍。
垂直起飞、垂直降落方式（可回收火箭）
这是目前最成功、也是成熟的方式，代表作就是SpaceX的猎鹰九号。但猎鹰九号未达到全复用的目标，目前只实现了一级复用和偶尔的整流罩复用。其实在SpaceX诞生之前，美国Kistler公司采用伞降加气囊着落方案的K-1全复用火箭（1994-2010）已经接近成功。
第一枚火箭已经制造出来，但资金链断裂断送了它的前途。SpaceX的星舰将首次实现两级全复用。如果轻质高强材料和发动机比冲取得长足进步，单级入轨可复用火箭在技术上也是可能的。美国民营公司的Roton全复用单级火箭（1996-2001）曾做过有益的探索。它的全尺寸大气试验机作为雕塑留在了莫哈维沙漠，记录了这段历史。

图3：K-1全复用火箭（图源：Rocketplane Kistler）

图4：Roton单级入轨火箭（图源：RotaryRocket）
中国最早探索的可复用火箭也是这个方式的。上世纪90年代末，中国采用伞降加气囊的两级可复用火箭方案就已经出现在论文上。SpaceX猎鹰九号对中国是压力，也是加速研制的动力。长征八号回收型、长征六号X、民营公司的智神星一号、双曲线二号和三号目前都在紧锣密鼓地研制。甚至，在长征九号2022最新版上也看到了星舰的影子。相信用不了几年，我们将会追上猎鹰九号的水平。

图5：长征八号回收型（图源：航天科技）

图6：双曲线二号和三号（图源：星际荣耀）
垂直起降方案的优点在于能充分利用现有成熟的火箭技术。由于垂直受力为主，结构和气动都能做到最简最优。但它无法利用大气升力，需要携带大量氧化剂，运载效率低下的问题无法根本解决。燃烧大量化石燃料导致的环保问题是另一个重大缺陷。即使星舰获得成功，甚至未来实现单级入轨，这些问题依然存在。
垂直起飞、水平降落方式（航天飞机）
人类最早的可复用航天器，即美国航天飞机和前苏联暴风雪航天飞机便采用这一方式。但航天飞机的失败是一味追求先进性、忽视经济性的设计思路而非起降方式本身导致的，比如安全要求极高也极昂贵的载人设计、极为复杂并需要拆解进行维护的分级燃烧氢氧主发动机、由数万片极为脆弱的防热瓦构成的防热系统、隐患多多的轨道器偏置设计，昂贵的固体助推器等等。上世纪90年代，NASA的X-33单级入轨航天飞机是再一次的尝试。虽然解决了航天飞机的诸多缺陷，但NASA偏好新技术的激进策略再次导致了它的失败。

图7：航天飞机（图源：NASA）

图8：X-33（图源：NASA）
中国航天科技的火箭动力二级可复用运载系统和美国已经取消的XS-1项目有点类似。它们的第一级都采用亚轨道航天飞机，第二级为一次性火箭，实现部分复用。由于大尺寸的第一级升力飞行器不需要入轨，避免了复杂外形飞行器的再入气动和防热难题。两次试验飞行取得成功，表明主要技术难题已经被攻克，项目已经取得重大突破。

图9：XS-1可复用运载器（发射状态）（图源：NASA）

图10：XS-1可复用运载器（释放第二级）（图源：NASA）
和垂直起降方案相比，垂直起飞水平降落（航天飞机）方式着陆过载更低、着陆机动能力（尤其是侧向机动能力）更强、复用次数更多，更容易实现民航级的航班化运营。
水平起飞、水平降落方式（升级版航天飞机、空天飞机）
水平起降的可复用运载器可能是最理想的航天运载方案。它省去了投资不菲的固定发射场，独立性强（对地面依赖少）、灵活性大，是最接近航空运输的方式。采用吸气发动机的话则可大大减少氧化剂的消耗，可以做到极低的成本，也更符合环保的理念。
不过，采用火箭动力水平起飞的一级飞行器（可看作升级版航天飞机）由于火箭发动机效率低下，都需要辅助起飞手段，和垂直发射的航天飞机方案相比优势不大，所以历史上此类项目最终都无疾而终，比如俄罗斯的MAKS（1988-1991，安225空射）、NASA的X-34（1999-2001，空射）、美国Kellly公司的Astroliner（1996-1998，拖拽起飞）、美国Rocketplane公司的探路者（1996-2001，空中加油）、欧洲航天局的Hopper/凤凰（1998-2004，滑道加速）等。
采用吸气式组合发动机的水平起降空天飞机将是未来中美主攻方向。上世纪90年代，由于技术挑战太大，美国取消了单级入轨的X-30空天飞机（国家空天飞机，又名东方快车）项目，英国取消了霍托项目。但霍托的发动机主研人员并未放弃，成立民营的“反应引擎”公司继续研制（佩刀发动机和云霄塔空天飞机），获得了英国政府的支持，最终美国空军加入了这个计划，使得成功概率大为提高。

图11：云霄塔空天飞机（图源：Reaction Engine）

图12：腾龙空天飞机（图源：航天科工）
中国航天科工的“腾龙”是我国最引人注瞩目的空天飞机项目。它的一级为亚轨道空天飞机，二级为一次性火箭（未来可替换成小型航天飞机）。航天科工已宣布完成冲压组合发动机模态转换飞行验证，2025年前完成水平起降（亚轨道）飞行演示验证，2030年进行入轨飞行。
航天科技西安航天动力研究所研制的组合发动机也在2020年完成试飞，向集团公司三步走的第三步迈出了一步。两家公司两个独立项目齐头并进，实现双保险。中美空天飞机竞赛，很可能中国捷足先登。
综上所述，我国在三种不同技术路径上都有可观投入。在垂直起降方式上，美国具备先发优势。SpaceX在垂直起落火箭上的优势短期内随着星舰的成熟可能还会扩大。必须承认，星舰采用了很多大胆创新的技术，使它可能取得极大的成本优势。除了广为人知的多机并联、不锈钢舰体、筷子夹箭等外，再举个不太为人所知的例子：星舰飞船高空再入阶段结合了航天飞机的特点，利用翼面升力进行水平滑翔，降低了气动加热。我们落后了，但我们没有放弃，也在努力追赶，缩小差距。由于没有先发优势，那么跟随就不失为一个有效策略。这也是中国民营航天火箭公司的一个机会。贴近需求、大胆创新、成本控制就是他们的优势。我们期待有一天中国的SpaceX能脱颖而出。
然而，在垂直起飞、水平降落方式上，美国已经放弃，我们通过两次升力式亚轨道飞行器的试飞，已经遥遥领先。在水平起降方式上，大家都在暗中发力。腾龙可能先于美英合作的云霄塔试飞，但后者的单级入轨更先进，胜负还有待时日。
在中美可复用航天运载器的竞赛中，中国能不能后来居上、弯道超车或变道超车？最近这些成功的发射给了我们极大的信心。给以足够的时间，也许我们能看到田忌赛马的故事重演。
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