8月26日，新華社報(bào)道，由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院自主研制的升力式亞軌道運(yùn)載器重復(fù)使用飛行試驗(yàn)獲得圓滿成功。

　　據(jù)悉，飛行試驗(yàn)采用的運(yùn)載器，經(jīng)健康檢測(cè)維護(hù)后，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心再次點(diǎn)火垂直起飛，按照設(shè)定程序完成亞軌道飛行，平穩(wěn)水平著陸于阿拉善右旗機(jī)場(chǎng)，成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)亞軌道運(yùn)載器的首次重復(fù)使用飛行。本次飛行試驗(yàn)的圓滿成功，有力推動(dòng)了我國(guó)航天運(yùn)輸技術(shù)由一次性使用向重復(fù)使用的跨越式發(fā)展。

　　更早些的8月5日，新華社報(bào)道，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，運(yùn)用長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭，成功發(fā)射一型可重復(fù)使用的試驗(yàn)航天器，這是長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭第18次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。試驗(yàn)航天器將在軌運(yùn)行一段時(shí)間后，返回國(guó)內(nèi)預(yù)定著陸場(chǎng)，其間，將按計(jì)劃開(kāi)展可重復(fù)使用和在軌服務(wù)技術(shù)驗(yàn)證，為和平利用太空提供技術(shù)支撐。

　　本月這兩條新聞字?jǐn)?shù)都不多，但包含的信息很豐富，也很重要。

　　8月26日的發(fā)射是同一個(gè)飛行器的第二次試飛。首飛是在去年7月16日，當(dāng)時(shí)也有報(bào)道。那么這個(gè)“升力式亞軌道運(yùn)載器”到底是什么呢？根據(jù)多方面的公開(kāi)資料判斷，這個(gè)飛行器應(yīng)該是航天科技集團(tuán)規(guī)劃的的三步走可重復(fù)使用運(yùn)載系統(tǒng)的第一步——“火箭動(dòng)力部分重復(fù)使用運(yùn)載器”的第一級(jí)。

　　圖1：航天科技集團(tuán)公開(kāi)的可復(fù)用運(yùn)載工具三步走線路圖（圖源：航天科技）

　　這個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的第一級(jí)簡(jiǎn)單說(shuō)就是一架火箭飛機(jī)，但它是垂直發(fā)射并能接近或超過(guò)100公里高度的卡門(mén)線，所以也可以稱為亞軌道航天飛機(jī)。而它的第二級(jí)則是常規(guī)的一次性火箭。它被捆綁在火箭飛機(jī)的側(cè)面一起發(fā)射。當(dāng)?shù)竭_(dá)亞軌道彈道頂端時(shí)，第二級(jí)火箭分離點(diǎn)火，帶著有效載荷飛往預(yù)定軌道。而第一級(jí)火箭飛機(jī)則再入滑翔返回，在大氣層中進(jìn)行一定的機(jī)動(dòng)，最后在跑道降落。

　　圖2：火箭動(dòng)力部分重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)射剖面（圖源：航天科技）

　　這個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括第一級(jí)的亞軌道飛行器和第二級(jí)火箭的分離和點(diǎn)火，但主要難點(diǎn)都在前者。復(fù)飛成功，表明航天科技集團(tuán)已經(jīng)克服了所有難點(diǎn)，完全掌握了大型有翼亞軌道飛行器發(fā)射、再入、自主飛行和返回的相關(guān)技術(shù)，具有重大意義。如果一切順利，下一步就應(yīng)該是兩級(jí)的軌道發(fā)射了。

　　那么8月5日的發(fā)射又是什么呢？它和可重復(fù)使用運(yùn)載器有關(guān)聯(lián)嗎？我們知道，這次也是我國(guó)“可重復(fù)使用試驗(yàn)航天器”的第二次發(fā)射。它于2020年9月4日首飛，由長(zhǎng)征2F火箭送入軌道，2天后成功返回。顯然，它本身不是運(yùn)載器，而是一架能進(jìn)行軌道飛行的小型無(wú)人航天飛機(jī)，就是中國(guó)的X-37B。

　　我們?cè)诤教炜萍既阶叩穆肪€圖上看到，第二步和第三步的全復(fù)用運(yùn)載器的第二級(jí)就是一架帶動(dòng)力的小型航天飛機(jī)。目前太空中飛行的中國(guó)航天飛機(jī)尺寸還比較小，沒(méi)有配備入軌所需的動(dòng)力系統(tǒng)，還不能直接用作運(yùn)載系統(tǒng)的第二級(jí)。但它為實(shí)現(xiàn)兩級(jí)發(fā)射系統(tǒng)的全復(fù)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　那么，我國(guó)的可復(fù)用運(yùn)載器和馬斯克SpaceX的獵鷹九號(hào)及星艦相比，哪個(gè)技術(shù)更先進(jìn)、成本更低廉、競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)？必須說(shuō)，可復(fù)用航天運(yùn)載系統(tǒng)有不同的技術(shù)途徑，各有優(yōu)劣，在不同的發(fā)展階段，比較結(jié)果也不一樣。而我國(guó)除了前面介紹的這個(gè)火箭動(dòng)力兩級(jí)部分復(fù)用系統(tǒng)外，幾乎涉足了所有不同的技術(shù)路線。下面按三種起降方式做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

　　垂直起飛、垂直降落方式（可回收火箭）

　　這是目前最成功、也是成熟的方式，代表作就是SpaceX的獵鷹九號(hào)。但獵鷹九號(hào)未達(dá)到全復(fù)用的目標(biāo)，目前只實(shí)現(xiàn)了一級(jí)復(fù)用和偶爾的整流罩復(fù)用。其實(shí)在SpaceX誕生之前，美國(guó)Kistler公司采用傘降加氣囊著落方案的K-1全復(fù)用火箭（1994-2010）已經(jīng)接近成功。

　　第一枚火箭已經(jīng)制造出來(lái)，但資金鏈斷裂斷送了它的前途。SpaceX的星艦將首次實(shí)現(xiàn)兩級(jí)全復(fù)用。如果輕質(zhì)高強(qiáng)材料和發(fā)動(dòng)機(jī)比沖取得長(zhǎng)足進(jìn)步，單級(jí)入軌可復(fù)用火箭在技術(shù)上也是可能的。美國(guó)民營(yíng)公司的Roton全復(fù)用單級(jí)火箭（1996-2001）曾做過(guò)有益的探索。它的全尺寸大氣試驗(yàn)機(jī)作為雕塑留在了莫哈維沙漠，記錄了這段歷史。

　　圖3：K-1全復(fù)用火箭（圖源：Rocketplane Kistler）

　　圖4：Roton單級(jí)入軌火箭（圖源：RotaryRocket）

　　中國(guó)最早探索的可復(fù)用火箭也是這個(gè)方式的。上世紀(jì)90年代末，中國(guó)采用傘降加氣囊的兩級(jí)可復(fù)用火箭方案就已經(jīng)出現(xiàn)在論文上。SpaceX獵鷹九號(hào)對(duì)中國(guó)是壓力，也是加速研制的動(dòng)力。長(zhǎng)征八號(hào)回收型、長(zhǎng)征六號(hào)X、民營(yíng)公司的智神星一號(hào)、雙曲線二號(hào)和三號(hào)目前都在緊鑼密鼓地研制。甚至，在長(zhǎng)征九號(hào)2022最新版上也看到了星艦的影子。相信用不了幾年，我們將會(huì)追上獵鷹九號(hào)的水平。

　　圖5：長(zhǎng)征八號(hào)回收型（圖源：航天科技）

　　圖6：雙曲線二號(hào)和三號(hào)（圖源：星際榮耀）

　　垂直起降方案的優(yōu)點(diǎn)在于能充分利用現(xiàn)有成熟的火箭技術(shù)。由于垂直受力為主，結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)都能做到最簡(jiǎn)最優(yōu)。但它無(wú)法利用大氣升力，需要攜帶大量氧化劑，運(yùn)載效率低下的問(wèn)題無(wú)法根本解決。燃燒大量化石燃料導(dǎo)致的環(huán)保問(wèn)題是另一個(gè)重大缺陷。即使星艦獲得成功，甚至未來(lái)實(shí)現(xiàn)單級(jí)入軌，這些問(wèn)題依然存在。

　　垂直起飛、水平降落方式（航天飛機(jī)）

　　人類最早的可復(fù)用航天器，即美國(guó)航天飛機(jī)和前蘇聯(lián)暴風(fēng)雪航天飛機(jī)便采用這一方式。但航天飛機(jī)的失敗是一味追求先進(jìn)性、忽視經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)思路而非起降方式本身導(dǎo)致的，比如安全要求極高也極昂貴的載人設(shè)計(jì)、極為復(fù)雜并需要拆解進(jìn)行維護(hù)的分級(jí)燃燒氫氧主發(fā)動(dòng)機(jī)、由數(shù)萬(wàn)片極為脆弱的防熱瓦構(gòu)成的防熱系統(tǒng)、隱患多多的軌道器偏置設(shè)計(jì)，昂貴的固體助推器等等。上世紀(jì)90年代，NASA的X-33單級(jí)入軌航天飛機(jī)是再一次的嘗試。雖然解決了航天飛機(jī)的諸多缺陷，但NASA偏好新技術(shù)的激進(jìn)策略再次導(dǎo)致了它的失敗。

　　中國(guó)航天科技的火箭動(dòng)力二級(jí)可復(fù)用運(yùn)載系統(tǒng)和美國(guó)已經(jīng)取消的XS-1項(xiàng)目有點(diǎn)類似。它們的第一級(jí)都采用亞軌道航天飛機(jī)，第二級(jí)為一次性火箭，實(shí)現(xiàn)部分復(fù)用。由于大尺寸的第一級(jí)升力飛行器不需要入軌，避免了復(fù)雜外形飛行器的再入氣動(dòng)和防熱難題。兩次試驗(yàn)飛行取得成功，表明主要技術(shù)難題已經(jīng)被攻克，項(xiàng)目已經(jīng)取得重大突破。

　　和垂直起降方案相比，垂直起飛水平降落（航天飛機(jī)）方式著陸過(guò)載更低、著陸機(jī)動(dòng)能力（尤其是側(cè)向機(jī)動(dòng)能力）更強(qiáng)、復(fù)用次數(shù)更多，更容易實(shí)現(xiàn)民航級(jí)的航班化運(yùn)營(yíng)。

　　水平起飛、水平降落方式（升級(jí)版航天飛機(jī)、空天飛機(jī)）

　　水平起降的可復(fù)用運(yùn)載器可能是最理想的航天運(yùn)載方案。它省去了投資不菲的固定發(fā)射場(chǎng)，獨(dú)立性強(qiáng)（對(duì)地面依賴少）、靈活性大，是最接近航空運(yùn)輸?shù)姆绞?。采用吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的話則可大大減少氧化劑的消耗，可以做到極低的成本，也更符合環(huán)保的理念。

　　不過(guò)，采用火箭動(dòng)力水平起飛的一級(jí)飛行器（可看作升級(jí)版航天飛機(jī)）由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)效率低下，都需要輔助起飛手段，和垂直發(fā)射的航天飛機(jī)方案相比優(yōu)勢(shì)不大，所以歷史上此類項(xiàng)目最終都無(wú)疾而終，比如俄羅斯的MAKS（1988-1991，安225空射）、NASA的X-34（1999-2001，空射）、美國(guó)Kellly公司的Astroliner（1996-1998，拖拽起飛）、美國(guó)Rocketplane公司的探路者（1996-2001，空中加油）、歐洲航天局的Hopper/鳳凰（1998-2004，滑道加速）等。

　　采用吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī)的水平起降空天飛機(jī)將是未來(lái)中美主攻方向。上世紀(jì)90年代，由于技術(shù)挑戰(zhàn)太大，美國(guó)取消了單級(jí)入軌的X-30空天飛機(jī)（國(guó)家空天飛機(jī)，又名東方快車）項(xiàng)目，英國(guó)取消了霍托項(xiàng)目。但霍托的發(fā)動(dòng)機(jī)主研人員并未放棄，成立民營(yíng)的“反應(yīng)引擎”公司繼續(xù)研制（佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)和云霄塔空天飛機(jī)），獲得了英國(guó)政府的支持，最終美國(guó)空軍加入了這個(gè)計(jì)劃，使得成功概率大為提高。

　　中國(guó)航天科工的“騰云”是我國(guó)最引人注矚目的空天飛機(jī)項(xiàng)目。它的一級(jí)為亞軌道空天飛機(jī)，二級(jí)為一次性火箭（未來(lái)可替換成小型航天飛機(jī)）。航天科工已宣布完成沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換飛行驗(yàn)證，2025年前完成水平起降（亞軌道）飛行演示驗(yàn)證，2030年進(jìn)行入軌飛行。

　　航天科技西安航天動(dòng)力研究所研制的組合發(fā)動(dòng)機(jī)也在2020年完成試飛，向集團(tuán)公司三步走的第三步邁出了一步。兩家公司兩個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目齊頭并進(jìn)，實(shí)現(xiàn)雙保險(xiǎn)。中美空天飛機(jī)競(jìng)賽，很可能中國(guó)捷足先登。

　　綜上所述，我國(guó)在三種不同技術(shù)路徑上都有可觀投入。在垂直起降方式上，美國(guó)具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)。SpaceX在垂直起落火箭上的優(yōu)勢(shì)短期內(nèi)隨著星艦的成熟可能還會(huì)擴(kuò)大。必須承認(rèn)，星艦采用了很多大膽創(chuàng)新的技術(shù)，使它可能取得極大的成本優(yōu)勢(shì)。除了廣為人知的多機(jī)并聯(lián)、不銹鋼艦體、筷子夾箭等外，再舉個(gè)不太為人所知的例子：星艦飛船高空再入階段結(jié)合了航天飛機(jī)的特點(diǎn)，利用翼面升力進(jìn)行水平滑翔，降低了氣動(dòng)加熱。我們落后了，但我們沒(méi)有放棄，也在努力追趕，縮小差距。由于沒(méi)有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，那么跟隨就不失為一個(gè)有效策略。這也是中國(guó)民營(yíng)航天火箭公司的一個(gè)機(jī)會(huì)。貼近需求、大膽創(chuàng)新、成本控制就是他們的優(yōu)勢(shì)。我們期待有一天中國(guó)的SpaceX能脫穎而出。

　　然而，在垂直起飛、水平降落方式上，美國(guó)已經(jīng)放棄，我們通過(guò)兩次升力式亞軌道飛行器的試飛，已經(jīng)遙遙領(lǐng)先。在水平起降方式上，大家都在暗中發(fā)力。騰云可能先于美英合作的云霄塔試飛，但后者的單級(jí)入軌更先進(jìn)，勝負(fù)還有待時(shí)日。

　　在中美可復(fù)用航天運(yùn)載器的競(jìng)賽中，中國(guó)能不能后來(lái)居上、彎道超車或變道超車？最近這些成功的發(fā)射給了我們極大的信心。給以足夠的時(shí)間，也許我們能看到又一次令人驚喜的逆襲。

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