来源：航空知识杂志社

据新华社报道，中国在酒泉卫星发射中心成功发射的可重复使用航天器，在轨飞行两天后，于9月6日成功返回预定着陆场。

这次试验的成功，标志中国可重复使用航天器技术研究取得重要突破，后续在利用太空时提供更加便捷、廉价的往返方式。

这是我国空天事业的一次新突破，国人为之欢欣，世界为之关注，外界做出了不少推测与分析。由于特别的机缘，我深知成功来自我国航空航天界多年的共同奋斗，喜悦之情难以言表。借此机会梳理一下认知，整理一些资料，形成一则学习笔记，与大家分享与讨论。不当之处，敬请指正。

No.1 从“卡门线”说到“可重复使用”

新华社的报道里，“可重复使用航天器”是关键词，其中的“可重复使用”也是此次试验最重要价值所在。“可重复使用”有“部分可重复使用”和“完全可重复使用”两类。分别指在完成上次飞行任务后，飞行器系统的部分或全部具备下一次使用或执飞的基本能力，而无需作重大修整。

神秘的卡门线

几乎所有的飞机，都是完全可重复使用的飞行器。而对于航天器而言，不管是部分可重复使用，还是完全可重复使用，难度都很大。为什么是这样，需要从飞行的自然环境和卡门线说起。

在地球表面生活的人类，周围被空气包裹。这些空气，像一只无形的手，借助空气动力产生的升力，将航空器和大飞机“托举”起来，驭风而翔。

大气层很厚，超过1000km。大气呈非均匀分布，对流层（地表向上20km内）聚集了全部大气质量的四分之三。越往高处，空气密度越小，达到一定高度后，稀薄的大气将难以产生支持飞行器飞行的足够升力；飞行器只有靠提高速度，才可能获得足够升力来支撑自身重量。

在大气密度连续变化的分布里，100km成了一个奇妙的高度。这里的空气密度仅为海平面空气密度的220万分之一。经钱学森的老师、著名科学家冯•卡门计算，这个高度是轨道飞行器的最低高度，即达到第一宇宙速度7.9千米每秒的飞行器，可以持续轨道运行，而不会被地球引力吸向地面。

这个高度被称为“卡门线”，成了航空与航天之间的科学分界线（因为在物理上渐变的高度域里并没有这样一条线）。卡门线之下为“空”，是航空器的运行空间，但现在的航空器还达不到这个高度，多在20-30km以下飞行。卡门线之上为“天”，是航天器的运行空间。多数时候人们说的“冲出大气层”“再入大气层”，都是相对于卡门线而言的。

地球轨道“空间站”、轨道试验器的应用

需要航天器具备可重复使用的能力

冲出卡门线的航天器，如需维持在地球轨道上稳定运行，所需要的那个最低速度，就是轨道速度。轨道速度因轨道高度的不同而不同。以低地球轨道运行的空间站为例，其轨道速度约为28000km每小时。

就数量而言，绝大部分航天器是永不返回的，如卫星和天体探测器（如哈勃望远镜、SP+太阳探测器、我国2020年7月发射的“天问1号”火星探测器等）等。这也是航空与航天的一个很大不同。但由于两个重大应用场景，使可重复使用航天器的需求凸显。一是随着地球轨道“空间站”的建立，天地往返运输成为必需；二是轨道试验器的重要性日增，此类飞行器需要具备返回的能力，也就产生了重复使用的要求。

图片来自全景CSP_icetray

为解决天地往返运输问题，美国先后制定了航天飞机和空天飞机计划，有成功有失败，部分实现了可重复使用的目标。但在航天飞机退役后，因没有天地运输工具，而不得不依靠俄罗斯。直到马斯克的猎鹰9和龙飞船出现，才解决了这一问题。俄罗斯虽然也研制了暴风雪号航天飞机，并未真正使用，选取的解决之道是无人或载人飞船，如联盟号，承担与空间站对接和往返运输的使命，相对稳健，但设备的重复使用程度不高。

猎鹰 9 火箭

不管取什么方式，走什么路线，此类航天器都很复杂，也都很贵重，很“烧钱”。制造成本动辄数十亿美元，就连美国这样的经济强国都难以承受。航天的打打停停除了竞争使然外，在很大程度是经济的不堪重负。如果能够重复使用，那怕部分重复使用，将会使这些装备与系统的成本下降，项目的经济可承受性得到改善，从而推动此类活动更多、更好的开展。

满足可重复使用要求，就意味着在全部任务过程里，飞行器不可出现任何影响功能完整性的毁损。其中，最大风险出现在返回时再入大气层，飞行器以极高速度飞行，与大气摩擦引起强烈气动热，产生极高热量，机身表面会造成高温，甚至超过1500摄氏度，如不采用防热材料和特殊构造，飞行器表面和结构会遭致破坏，甚至熔化。

一方面，可重复使用很重要，另一方面，又很难。就这样，在需求与可能之间，交织出空天事业未了奋斗的新篇章，今天仍在继续，未来也不会止休。中国作为一个不甘落伍的后来者，加入了这项事业，并在较短时间里，取得了令国人自豪、世人瞩目的成就，跨进航天大国之列，正向航天强国的目标大步进军。

No.2 关于航天飞机与空天飞机

在各方猜测与分析中，认为这次试验成功的是一架航天飞机或空天飞机的居多。故而，我们需要回溯，在人类的太空探索中，两种特殊的“飞机”——“航天飞机”和“空天飞机”的来由与进展情况。

“空天飞机”概念的由来

1969年4月，美国航空航天局（NASA）提出建造一种可重复使用的空间运输系统（STS）的设想，1972年1月该任务被正式列入计划。项目方案集火箭、飞船和飞机技术于一体，系统由轨道器、助推器和燃料箱三部分组成。飞行器的英文名为Space Shuttle，意为“太空快车”，译作“航天飞机”。为实现再入大气层时的平稳滑翔和水平降落，轨道器采用飞机构型，拥有宽大机翼，并要求有限次重复使用。

1986年，美国又制定“国家航空航天飞机计划”（NASP，The National Aerospace Plane），提出研制一种完全可重复使用的新空天飞行器。这种飞行器将飞机、运载器、航天器的功能集为一体，不采用航天飞机那样使用火箭垂直起飞方式，而设想像飞机一样在跑道上水平起飞、水平降落、单级入轨（SSTO）。飞行器英文名Space Airplane或Aerospace Plane，意即“太空飞机”或航空航天飞机。

美国的“航天飞机”

苏联的“暴风雪”号

显然，设想里的空天飞机要比航天飞机难得多。在后来的工程实践中，“航天飞机”项目虽付出了巨大的牺牲，还是取得了划时代的成功。而“空天飞机”项目由于技术太过复杂，经过十年探索，虽也取得一定的技术成果，但项目整体以失败告终。

在1980年代到90年代，美国先后制造了5架航天飞机（另有一架“企业”号测试机），用以执行往返于近地轨道和地面之间的载人飞行，共计执飞135次。同期，苏联也研发了“暴风雪”号航天飞机，1988年进行过一次无人驾驶飞行。后因技术经济与苏联政局变化等复杂原因，项目搁浅，而转向以空间站及其作为往返运输工具的联盟号飞船等的研发与应用，走出了自己的道路。

由于当时的技术水平限制，美国航天飞机的可靠性不足。1986年和2003年发生了两次重大空难，分别造成两架航天飞机高空解体和在升空过程中爆炸，致14名宇航员罹难。两次空难都发生在空气较稠密的大气层，是对高难度的航天器可重复使用性的反面明证。同时，由于过高的维护和使用成本，终使航天飞机在2011年全部退役。

挑战者号航天飞机于美国东部时间1986年1月28日上午11时39分，发射在美国佛罗里达州的上空。升空后，因其右侧固体火箭助推器（SRB）的O型环密封圈失效，毗邻的外部燃料舱在泄漏出的火焰的高温烧灼下结构失效，使高速飞行中的航天飞机在空气阻力的作用下于发射后的第73秒解体，机上7名宇航员全部罹难。

造成航天飞机停用的原因，还有原来设想的每架使用寿命100次执飞的目标落空，因重复使用带来的经济性改善的预设也无法实现。航天飞机单架造价约30亿美元，5架135次飞行，分摊到每次执飞的制造成本就高达1.1亿美元。加上维护和检修，每架次飞行都需要数亿美元。这成为无法承受之重。

美国航天飞机的概况

有趣的是，“航天飞机”和“空天飞机”虽不符合传统的“飞机”定义，但都采用了飞机构型，都拥有了“飞机”的中译名。从技术和功能看，二者都兼具大气层内外飞行的能力。但航天飞机采用火箭动力，垂直发射，在大气层内实施穿越式无动力滑翔飞行；而空天飞机虽然并未成功，按其设想，采用融合航空航天技术的组合式动力，以实现在卡门线内外自由飞行，且能够完全可重复使用。

国际航空航天界并没有对这两种特殊“飞机”做过严格定义，但既然它们事实上都有大气层内外的飞行能力，称它们是“可重复使用空天飞行器”可能更为贴切。或者，再简单一点，不用“航天飞机”这个词，而直接统称为“空天飞机”，使“空天飞机”泛指所有能进行大气层内外飞行的飞行器，包括滑翔飞行和动力飞行，似乎也是可以的。

实际上，业内业外，要准确区分这两个概念是有难度的，由此也带来了一些混乱。譬如。在搜狗百科和百度百科等公共媒体里，都把美国的X-37B称为世界首款空天飞机。按照NASP计划对“空天飞机”的定义，这显然不对，因为X-37B是借助运载火箭垂直起飞的，仅此一点，就不能称其为“空天飞机”。但如果按照泛指的“空天飞机”概念，就说得过去了，当然还是不能称为"首款"。这次媒体上的各种信息，说航天飞机和空天飞机的都有，原因也在于此。

No.3 关于X37B和龙飞船

在航天飞机退出、空天飞机失败之后，为了满足太空探索需求，围绕新型可重复使用空天飞行器的研发活动并未停歇，本世纪以来形成一个新潮。X-37B、猎鹰和龙飞船都是在这样的情势下出现的。

X-37B是一种完全自动化的试验飞行器

综合各方资讯，X-37B是一种完全自动化的试验飞行器，尺寸为航天飞机轨道器四分之一大小。其在轨运行与操作能力，在大气中的滑翔飞行，再入大气层、着陆返回性能，都与航天飞机相似，其在轨时间、机动与变轨能力，则超出老式航天飞机。它的可重复使用性也已得到初步证明。

X-37B始于由美国国防预先研究计划局（DARPA）和NASA于1998年资助而启动的X-37研究项目。该项目吸取了NASP的失败教训，确立了一个可行的目标与路线，总体进展顺利。X-37试验机于2005年搭载英国维珍公司的“白骑士”运载飞机进行了首次空中飞行试验。2006年由B-52飞机运载升空，投放后利用自动控制技术飞行和降落。在2006年项目交空军负责后，其军事色彩骤增。

美国x-37b空天飞机——穿梭于空间的幽灵

项目承制商波音公司制造了两架X-37B试验机，交替使用。第六次飞行的是否为第三架新机，尚未可知。据介绍，X-37B机长8.931米，高2.926米，翼展4.3米，重5.4吨。有效载荷2吨。无舷窗，有一对机翼和一对V型尾翼。X-37B能在176-800千米的近地轨道飞行，每90分钟绕地球一圈。

X-37B已先后完成5次太空飞行。2010年4月22日首次执飞，发射后进入到高度430-450 千米、倾角28至40度的轨道。据分析，前三次主要考核飞行器本身与在轨控制状况，验证结构布局设计、控制技术、长期待轨的任务管理与能源等。

此外，各次飞行均担负有特定任务，但披露不多，第四、第五次的任务有所报道。据说还有对非友好航天器物的抵近观察。现在第六次已经升空，试验任务中包括在轨释放卫星和利用微波进行向地面的能量传输。前一项不算新任务，后一项则很有深意。

为提高系统的安全性和可靠性，确证可多次重复使用，须切实解决再入时的防热问题。结构设计和材料是解决问题的关键。X-37B的头部采用钨合金，机身采用钛合金和铝合金复合结构；机翼前缘采用新的耐高温材料，以取代老式航天飞机上使用的碳瓦。

X-37B的前四次发射都是使用洛克希德·马丁公司与波音公司联合研制的“阿特拉斯”5型火箭，第五次发射使用了SpaceX公司的“猎鹰”9号运载火箭。此次试验的在轨时间达到780天，创单次任务在轨时长的世界记录。

X-37B的一些试验飞行情况

“龙”飞船计划的诞生

在X-37B研发试验的同时，为了解决在航天飞机退役后，缺乏空间运输工具，向国际空间站运送人员物资需依赖俄罗斯的问题，美国NASA利用奥巴马执政期间扶持民营企业的政策，大力支持SpaceX公司承担商用太空飞船的开发。“龙”飞船计划应运而生，这也是世界上第一次由私人公司研发航天飞船。

2010年12月8日，“龙”飞船搭载“猎鹰9号”火箭，成功首飞。2012年5月25日，“龙”飞船与国际空间站成功对接，成为有史以来首艘造访空间站的商业飞船。经空间站内的宇航员数日卸载飞船货物，又装上运回地球的物品后，飞船于31日成功返回。迄今，货运“龙”飞船共执行了19次空间站补给任务。

2020年5月30日，载人“龙”飞船搭乘“猎鹰9号”火箭发射升空。这是自2011年以来美国首次从本土将宇航员送往国际空间站。2020年8月2日，搭载两名美国宇航员的“龙”飞船返回地球，完成首次从空间站返回地球的载人飞行任务。

以X-37B和龙飞船为核心装备，加上可重复使用的猎鹰系列火箭，美国空天事业在21世纪迎来新格局。前者侧重于军事用途，重点放在轨道运行与试验上；后者侧重于民用太空，主攻天地往返运输，已经摆脱了对俄罗斯“联盟”号飞船的依赖。

No.4 关于我国的本次试验

根据相关报道及上述简介，我国此次试飞的可重复使用空天飞行器应该不是像“龙”飞船那样的太空运输工具，而是类似X-37B的可重复使用小型轨道试验飞行器。此次飞行试验在以下几个方面引起世界关注。

由美国军方联合太空作战中心和北美航空航天防御司令部负责运营的“太空追踪”网站证实，该试验机进入了太空轨道，且停留了两天。这表明我方的宣示真实可信。以此为基础，今后若有任务需求，进一步延长在轨天数已无根本性技术障碍。而在轨时间是一项重要指标，在轨时间越长，潜在应用价值就越高。
如若返回后状态良好或基本良好，则表明该试验器的防热系统经受了考验。从结构到状态管理，从材料到工艺，所组成的一个新技术集群被证明已经基本突破。这将为后续研发，真正实现多次重复使用，完成低成本太空运输以及提升其它潜在应用价值，提供基本和重要的支撑。这是一个堪称跨越性的技术进步。
据分析，这种试验机完全可能在太空实现机动，进行变轨变速，又能在大气层中通过机翼和机身产生升力，像传统飞机一样滑翔飞行。在进一步完善性能后，可以以较低的成本和较短的准备时间，承担与空间站对接、运送人员与物资的任务，还将显现其独有的潜在军事应用价值。
据美国“空间新闻”网站文章，称我国的试验飞行器在轨释放了一个物体，被认为是一个人造轨道飞行器，美方已对其编号。这表明，已掌握开合式货舱、空间机械臂、姿态与轨道控制等技术，我国的无人空天飞行器将具备在轨部署卫星或其它飞行器的能力，这将为空间能力体系的建设提供一个新的手段。

四条之外，一言以蔽之，我们在地球轨道试验器以及可重复使用技术方面的重大突破，一举打破了美国在此领域的独占，不仅有可能快速满足民用需要，如天地往返运输、在轨卫星布设、各种轨道科学实验等，而且展示出无穷的应用想象，可能进化出更多的实际应用，这是最根本的意义。

结束语

随着更多信息的披露，我国这次可重复使用空天飞行器的技术细节和达到的水平，将会被更深入地认识。但确定无疑的是，在向太空探索、实现空天一体的进军中，我国又取得了重要的进步，这对于和平利用空间、挖掘潜在军事价值，都具有很高价值和深远意义。

值此全球政治军事环境恶化、竞争挑战空前严峻之时，这款可重复使用空天飞行器试验飞行成功的佳音，无疑将大大提振国人团结奋斗的信心和斗志。在自主创新发展的道路上，我们已经取得一个又一个技术突破，正在一步步地扎实前行。相信沿着既定的路线，航空航天界精诚团结，携手并肩，攻艰克难，矢志奋战，我们必将取得比肩强者、震惊世界的更大成就，空天强国的理想一定能够实现。

关于可重复使用航天器的学习笔记