上世紀60年代美國試製的三種升力體(ti) 飛行器。

圖中央的飛機為(wei) X-15。

X-24B

載人龍飛船

據新華社報道，中國在酒泉衛星發射中心成功發射可重複使用航天器，在軌飛行兩(liang) 天後，航天器於(yu) 6日成功返回預定著陸場。這次試驗的成功，標誌著中國可重複使用航天器技術研究取得重要突破，後續可為(wei) 和平利用太空提供更加便捷、廉價(jia) 的往返方式。

可重複使用航天器都有哪些類型？經曆了哪些發展過程？這裏我們(men) 就來做一些梳理。
 

1 由X-15開創的空天飛機技術

汽車是我們(men) 常用的代步工具，但如果汽車完成一次旅程後就不得不被拋棄，那麽(me) 使用汽車的費用將超出大部分人的承受範圍。從(cong) 太空時代伊始到現在，人們(men) 一直試圖研製出可以重複使用的航天器。近年來，可重複使用航天器呈現遍地開花的局麵，為(wei) 人類更深入廣泛地利用太空開辟了新道路。

可重複使用航天器的研發，最早可以追溯到上世紀六十年代美國的X-15試驗飛行器。上世紀五十年代末，人們(men) 同時在探索兩(liang) 種進入太空的途徑。一種是利用運載火箭，從(cong) 地麵將飛船發射升空，進入近地的航天軌道。這種方式和我們(men) 今天常見的太空飛行方式類似，不久後便取得了成功和大規模的應用。另一種則是將在稠密大氣之內(nei) 飛行的飛機改造成能夠在超高空飛行甚至進入太空亞(ya) 軌道的飛機。這是目前仍在發展的空天飛機的雛形。X-15便是空天飛機的最早嚐試。

大氣層內(nei) 飛行的飛機一般采用與(yu) 空氣相互作用獲得推力的發動機，而在大氣稀薄的超高空飛行時，這種發動機無法產(chan) 生足夠的推力，空氣中的氧氣也無法維持發動機運轉。因此，X-15采用了液體(ti) 火箭發動機，以酒精（後期改進為(wei) 無水氨）和液氧為(wei) 推進劑，混合燃燒後從(cong) 發動機尾部噴管中高速噴出，推進飛機飛行的能量和動量都來自於(yu) 推進劑本身，能夠為(wei) X-15提供數百千牛的推力。而在稀薄大氣中飛行時，傳(chuan) 統飛機與(yu) 空氣相互作用的翼麵也無法發揮作用，因此，X-15采用了反衝(chong) 控製係統，利用小型高比衝(chong) 發動機在各個(ge) 方向施加的推力，控製飛機的飛行姿態。

雖然具備了諸多航天器的特征，但X-15仍然具有在大氣層中飛行所必需的機翼。不過，X-15的機翼經過了空氣動力學特別設計，可以讓其在超高音速的飛行狀態下保持穩定。X-15並不通過自身的動力從(cong) 機場起飛，而是通過B-52轟炸機充當的大型母機攜帶到約13000米高度釋放，之後開始自主飛行，利用火箭發動機提高自己的速度和高度。美國以80公裏高度作為(wei) 太空和大氣層的邊界。X-15在服役過程中，曾多次飛過這個(ge) 界限進入亞(ya) 軌道。

X-15的最高飛行高度為(wei) 108公裏，而一般的戰鬥機升限高度僅(jin) 在20公裏左右，民航飛機則更低。X-15還飛出了相當驚人的2.02公裏/秒的最高飛行速度。雖然火箭發射航天器的成功，迫使X-15不得不下馬，但是這種飛行器驗證了在大氣層與(yu) 太空邊界的臨(lin) 近空間飛行的可能性。目前美軍(jun) 正在進行測試的X-37B空天飛機，和各國未來的空天飛機計劃，都與(yu) X-15的試驗有聯係。母機空中釋放的發射方式也為(wei) 後來的飛行器、航天器所采用。例如，維京銀河公司正在試驗的亞(ya) 軌道飛船，就是采用母機半空釋放飛船的發射方式，未來有望使亞(ya) 軌道太空旅遊成為(wei) 可能。
 

2 升力體(ti) 飛行器與(yu) 航天飛機

升力體(ti) 飛行器是另一種可重複使用航天器采用的方案。飛機等固定翼飛行器，通過翼麵和大氣的作用產(chan) 生升力，托舉(ju) 飛行器在大氣中飛行，而升力體(ti) 飛行器則利用自身特別的外形，在機身上直接產(chan) 生升力。研發升力體(ti) 飛行器的目的，並非希望使用這種飛行器代替飛機，而是希望利用升力體(ti) 飛行器解決(jue) 載人航天器在返回大氣層時的控製問題。在上世紀六七十年代，美國的“阿波羅”飛船和蘇聯的“聯盟”飛船使用的都是太空艙構型。太空艙在返回地麵時，基本無法控製自己的飛行軌跡，隻能沿著脫離軌道時進入的彈道落地。而升力體(ti) 飛行器則可以可控飛行，降落到預定的機場，或者臨(lin) 時調整到備降場地。

最有代表性的升力體(ti) 飛行器是美國的X-24A、X-24B、M2-F3、HL-10等試驗飛行器。以今天的眼光看，這些升力體(ti) 飛行器的外形略顯呆萌，尾部仍然保留的機翼是為(wei) 了飛行姿態的穩定和控製，並非用來獲取升力。在試驗過程中，這些飛行器同樣在母機上釋放，通過火箭發動機等自身動力進行飛行試驗。在航天飛機計劃發展過程中，航天飛機軌道器本來有可能采取升力體(ti) 結構，但在進一步的設計過程中，工程師們(men) 發現升力體(ti) 外形無法與(yu) 航天飛機必須配備的燃料箱較好地綁定在一起，因此放棄了對升力體(ti) 方案的使用，轉而采用三角翼方案。

不過，X-24A等升力體(ti) 飛行器，試驗了航天飛機的“必選動作”。1969年，X-24A進行了一次無動力再入試驗，飛機從(cong) 母機釋放後不打開發動機，僅(jin) 通過滑翔飛行的方式降落在機場上。這正是航天飛機返回地麵時所使用的方式，因此X-24A的試驗成功也為(wei) 航天飛機計劃的開展鋪平了道路。

進入新世紀後，一些新研發的載人航天飛行器采用了升力體(ti) 飛行器的構造，以實現較為(wei) 可控和低損耗的返回過程，進而實現飛行器的可重複使用。美國內(nei) 華達山脈公司自2010年開始，借助NASA“商業(ye) 載人航天計劃”的資助，開始了“追夢者”飛船的研發。按照設計方案，這種飛船每次可以搭載3-7名宇航員，也可以經過改裝後用於(yu) 貨運飛行。在發射時，飛船將被安裝在大力神5等大推力火箭頂部進入太空。而返回時，則可以通過自身升力體(ti) 的外形自主著陸。這種外形酷似小號航天飛機的飛行器，在經過NASA兩(liang) 輪資助後，最終未能入選商業(ye) 載人航天計劃的首批飛船。不過，內(nei) 華達山脈公司已經拿到了未來幾年的空間站貨運飛行合同，升力體(ti) 飛行器也有望借助這種飛船實現真正的太空飛行。而歐空局計劃在未來自主實施的載人航天計劃，也以升力體(ti) 飛行器為(wei) 飛船的基本構型。
 

3 艙體(ti) 式飛船被再度重視

在航天飛機出現前，人們(men) 主要使用由多個(ge) 艙體(ti) 構成的飛船進行載人飛行。航天飛機計劃成功實施後，一度有取代艙體(ti) 式飛船的趨勢。在航天飛機設計之初，人們(men) 曾經憧憬航天飛機機隊維持每年50次以上飛行的出勤率，每次飛行低至數百萬(wan) 美元的飛行成本；每艘航天飛機在完成一次任務後，僅(jin) 有1%的部件需要更新，經過兩(liang) 個(ge) 星期的整備就能重返太空，核心發動機可以使用數十次。然而，實際情況卻是每次飛行後的實際維護工作遠高於(yu) 預期，需要更換大量的部件、消耗約2000小時的時間，航天飛機的飛行維護成本也隨之一飛衝(chong) 天。

在吸取了航天飛機結構功能過於(yu) 複雜的教訓後，各國的設計師們(men) 都認識到，載人航天器本身主要是航天員往返天地的運輸工具，不能在載人功能之外為(wei) 其賦予太多的其他功能。因此，在設計新一代飛船時，他們(men) 不約而同地又采用了艙體(ti) 式飛船的總體(ti) 設計方案，又都賦予了新飛船可重複使用的功能。

以可重複使用航天器為(wei) 主要“賣點”的美國SPACEX公司，在之前獲得成功的貨運型龍飛船的基礎上，設計了載人型龍飛船。在經過多輪PK後，載人型龍飛船成為(wei) 了NASA商業(ye) 載人航天計劃的首批飛船，在今年5月30日執行了航天飛機停飛後美國載人航天的首次複飛任務。載人型龍飛船一次最多可以將7名宇航員送入太空，在不對接的情況下可以獨立在太空中飛行一周。按照SPACEX對外公布的信息，載人型龍飛船可重複使用約10次。但在現階段的合同中，所有任務都會(hui) 使用全新製造的飛船。

波音公司的CST-100星際客機是商業(ye) 載人航天計劃的另一種飛船，同樣具備可回收重複使用的能力，設計的最大重用次數在10次左右。在著陸過程中，飛船乘員艙底部的防熱罩將在約1500米高度時被拋棄，露出布置在防熱罩內(nei) 的緩衝(chong) 氣囊。在落地前，緩衝(chong) 氣囊將充氣展開，為(wei) 落地提供緩衝(chong) 。

NASA自行研製的下一代載人“獵戶座”飛船，也是一種具有重複使用能力的飛船。龍飛船和CST-100飛船主要用於(yu) 往來於(yu) 國際空間站的飛行，而“獵戶座”則瞄準載人登月乃至登陸火星的任務需求，具備以第二宇宙速度直接再入大氣層的能力，艙體(ti) 的防輻射性能也考慮了深空飛行中更加惡劣的環境。

特別值得一提的是，我國今年5月成功發射和返回的新一代載人飛船試驗船，返回艙也是可重複使用的。它采用金屬結構與(yu) 防熱結構分開的設計方式，返回後隻需要更換防熱結構即可，金屬結構和艙內(nei) 設備能重複使用。新一代飛船能夠以第二宇宙速度再入大氣層，還能在返回過程中克服電離氣體(ti) 形成的“黑障”現象，使飛船與(yu) 地麵始終保持聯係。


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