國外可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

于霞 孫伶俐 單文杰（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

可重復(fù)使用運(yùn)載器是指能夠穿越大氣層進(jìn)入太空，自由地往返于地球與太空之間，具有重復(fù)使用性，并能夠按照需要較長時間地在空間軌道停留或機(jī)動，執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射、在軌服務(wù)等各種類型的任務(wù)，既可軍用也可民用的多用途航天器。它代表著未來運(yùn)載器的發(fā)展方向，拓展了航天運(yùn)輸系統(tǒng)的概念內(nèi)涵，其在大幅降低進(jìn)入空間成本的同時，還具有安全性、可靠性和響應(yīng)性等方面的優(yōu)勢。人類發(fā)展航天運(yùn)輸系統(tǒng)的夢想目標(biāo)之一，就是研制出能像飛機(jī)那樣水平起飛和降落，并可多次重復(fù)使用的航天運(yùn)載器。為此，世界各國均不同程度地投入經(jīng)費(fèi)，開展了可重復(fù)使用運(yùn)載器研究。

1 美國可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展現(xiàn)狀

美國在可重復(fù)使用運(yùn)載器方面的研究開展時間最早，且具有良好的持續(xù)性，投入的經(jīng)費(fèi)最多，取得了豐碩的研究成果，代表了世界可重復(fù)使用運(yùn)載器的先進(jìn)水平。

20世紀(jì)60年代，由美國航空航天局（NASA）牽頭，聯(lián)合美國空軍、海軍和北美航空公司共同開展了X－15高超聲速研究項(xiàng)目，波音公司為美國空軍研制了X－20載人航天轟炸機(jī)，兩項(xiàng)計劃的實(shí)施為美國航天飛機(jī)的發(fā)展提供了珍貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研制經(jīng)驗(yàn)，尤其是X－20還成為后來航天飛機(jī)的“先行者”。

1969年，鑒于當(dāng)時一次性運(yùn)載火箭費(fèi)用昂貴、飛船運(yùn)載能力低而不能滿足空間站建設(shè)的需求，美國提出建造一種可重復(fù)使用航天運(yùn)載器的計劃。1972年，美國正式把研制航天飛機(jī)“空間運(yùn)輸系統(tǒng)”（STS）列入計劃，確定了航天飛機(jī)設(shè)計方案，并于5年之后研制出創(chuàng)業(yè)號航天飛機(jī)軌道器進(jìn)行機(jī)載試驗(yàn)。1981年4月12日，第一架載人航天飛機(jī)哥倫比亞號正式登上太空舞臺，成為航天技術(shù)發(fā)展史上的重要里程碑。2011年7月，阿特蘭蒂斯號航天飛機(jī)進(jìn)行了最后一次發(fā)射，執(zhí)行美國航天飛機(jī)項(xiàng)目第135次也是最后一次飛行，至此，美國為期30年的航天飛機(jī)計劃終結(jié)。航天飛機(jī)是第一個實(shí)現(xiàn)部分可重復(fù)使用的航天器，不僅驗(yàn)證了發(fā)展可重復(fù)使用技術(shù)的可行性，也為重復(fù)使用技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。航天飛機(jī)軌道器采用的大機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保了其軌道器準(zhǔn)確降落在跑道上，其主發(fā)動機(jī)能夠在65%～109%推力之間進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，而且可重復(fù)使用50次，這種發(fā)動機(jī)技術(shù)在今天仍處于世界領(lǐng)先水平。

20世紀(jì)八九十年代，美國還提出了多個可重復(fù)使用運(yùn)載器計劃：X－30超高速國家空天飛機(jī)計劃中的單級入軌飛行器飛行速度為Ma=12～25；“三角快帆”（Delta Clipp er）計劃旨在研制一種垂直起落、單級入軌、完全可重復(fù)使用的運(yùn)載器系統(tǒng)，麥道航宇公司為其研制的“三角快帆試驗(yàn)機(jī)”（DC－X），驗(yàn)證了該火箭的發(fā)射、機(jī)動、懸停和著陸能力；洛馬公司研制的無人單級入軌可重復(fù)使用航天運(yùn)載器“冒險星”（Venture star）的1∶2縮比原型機(jī)X－33，采用垂直發(fā)射方式，能在飛行跑道上著陸，動力系統(tǒng)采用波音公司特別開發(fā)的J2S火箭發(fā)動機(jī)；X－34是一種無人可重復(fù)使用的亞軌道航天運(yùn)載器，其主要任務(wù)是驗(yàn)證大幅度降低航天運(yùn)輸成本的技術(shù)可行性，為此制造了3個空射試驗(yàn)平臺，進(jìn)行了3次系留飛行試驗(yàn)。然而，上述計劃都因存在著諸多技術(shù)難題以及資金耗費(fèi)巨大而被叫停。

美國空軍在20世紀(jì)90年代末開始實(shí)施“軍用空間飛機(jī)” （MSP）計劃。它是一種可重復(fù)使用的運(yùn)載系統(tǒng)，支持美國空軍航天司令部的各種空間作戰(zhàn)任務(wù)。該系統(tǒng)由“空間行動飛行器”（SOV）、“空間機(jī)動飛行器”（SMV）、“模塊化嵌入級”（MIS）、“通用空中飛行器”（CAV）等組成，其中SMV是一種可重復(fù)使用小型無人軌道機(jī)動飛行器，具備長期在軌駐留與變軌機(jī)動能力，可執(zhí)行多種任務(wù)，包括戰(zhàn)術(shù)偵察、監(jiān)視、空間目標(biāo)識別、軌道轉(zhuǎn)移和空間作戰(zhàn)。

X－33（左）、Venture star（中）、航天飛機(jī)（右）比較

X－34可重復(fù)使用運(yùn)載器

可部分重復(fù)使用的暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)

2001年秋，美國開始實(shí)施“國家航空航天倡議”（NAI）計劃，擬有效地綜合航空與航天技術(shù)，以提供先進(jìn)的快速打擊、空間發(fā)射、持續(xù)的情報、監(jiān)視與偵察能力。為此，研制了X－37B軌道試驗(yàn)飛行器。X－37B還在NAI計劃中承擔(dān)進(jìn)出空間的任務(wù)。X－37B大小約為美國航天飛機(jī)的1/4，采用與航天飛機(jī)軌道器相似的帶翼體設(shè)計方案，但具有一對傾斜尾翼；采用新型防熱材料；尾部裝有火箭發(fā)動機(jī)，采用一甲基肼和四氧化二氮作為推進(jìn)劑。截止到2012年11月，X－37B軌道試驗(yàn)飛行器已進(jìn)行過2次飛行試驗(yàn)，均獲得成功，突破了傳統(tǒng)技術(shù)的許多“禁區(qū)”。

2001年，美國國防部還提出了“作戰(zhàn)快速響應(yīng)太空”（ORS）概念并逐步推進(jìn)，旨在提高現(xiàn)有航天能力的戰(zhàn)時快速響應(yīng)，并研制出配套的經(jīng)濟(jì)上可承受的運(yùn)載器和小衛(wèi)星，以及相關(guān)的地面指揮與控制系統(tǒng)，目標(biāo)是在幾小時或幾天內(nèi)完成衛(wèi)星或武器系統(tǒng)的發(fā)射。為實(shí)現(xiàn)ORS能力，美國在2002年初實(shí)施了“快速反應(yīng)、小載荷、經(jīng)濟(jì)上可承擔(dān)的發(fā)射”（RASCAL）系統(tǒng)研制計劃，2003年，美國空軍進(jìn)行了為期1年的“作戰(zhàn)快速響應(yīng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)”技術(shù)途徑研究，并在此基礎(chǔ)上決定研制部分可重復(fù)使用的混合型運(yùn)載器（HLV）。2005年開始其工程研制計劃—“經(jīng)濟(jì)可承受快速響應(yīng)航天運(yùn)輸”（ARES）計劃。HLV由一個亞軌道可重復(fù)使用第一級和一個一次性使用上面級構(gòu)成。但RASCAL計劃和ARES計劃都因研制費(fèi)用大大超出預(yù)期而落馬。

繼RASCAL計劃和ARES計劃之后，2009年5月，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)界發(fā)布了可重復(fù)使用助推系統(tǒng)（RBS）方案征求書；2011年12月5日，授予安德魯、波音、洛馬公司為期5年的不定期交貨/不定量合同，用于研制可重復(fù)使用助推器系統(tǒng)驗(yàn)證器并進(jìn)行飛行試驗(yàn)；RBS系統(tǒng)包括一個可重復(fù)使用第一級和一次性使用上面級?？芍貜?fù)使用的第一級垂直發(fā)射，把上面級運(yùn)送至分離點(diǎn)后，利用火箭動力進(jìn)行轉(zhuǎn)向機(jī)動后再直接返回到發(fā)射場附近機(jī)場，在跑道上像飛機(jī)一樣著陸。

此外，美國私營企業(yè)也進(jìn)行了可重復(fù)使用運(yùn)載器研制，比較典型的有：美國太空探索技術(shù)（SpaceX）公司研發(fā)的獵鷹－9（Falcon－9）垂直起降重復(fù)使用火箭，目前正通過實(shí)施“蚱蜢”計劃進(jìn)行亞軌道飛行試驗(yàn)；凱斯勒（Kistler）公司研制的K－1火箭為兩級可重復(fù)使用火箭，采用AJ－26發(fā)動機(jī)，具有設(shè)計簡潔和高可靠性等特點(diǎn)，每級火箭都配有飛行器健康管理軟件系統(tǒng)。

2 其他國家的可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展現(xiàn)狀

除美國之外，蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲、印度及日本等國家也投入資金對可重復(fù)使用運(yùn)載器進(jìn)行了研究。

蘇聯(lián)/俄羅斯

1978年，蘇聯(lián)為給和平號空間站提供大型運(yùn)輸系統(tǒng)，開始研制可部分重復(fù)使用的暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)，1988年成功進(jìn)行了首次不載人飛行試驗(yàn)，在無人駕駛的條件下自動返航并準(zhǔn)確降落在狹長跑道上。在此基礎(chǔ)上，俄羅斯在20世紀(jì)90年代初開展了“鷹”重復(fù)使用運(yùn)載器研究計劃，其多家宇航公司提出9種或垂直或水平起飛的可重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的概念。

進(jìn)入21世紀(jì)，俄羅斯推出“快船”（Klip er/Clip p er）方案，它由可多次使用的返回艙和一次使用的軌道艙、服務(wù)艙組成，采用折疊翼，即在飛船重返地球大氣層準(zhǔn)備降落時，返回艙的艙翼展開，以使飛船像飛機(jī)一樣著陸，主要用于“國際空間站”相關(guān)人員和物資的運(yùn)輸，以取代聯(lián)盟號飛船。但后來由于邀請美國、歐洲及中國進(jìn)行合作未果，研制經(jīng)費(fèi)缺口過大而下馬。此外，俄羅斯還提出在新型“安加拉”（Angara）運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上研制可重復(fù)使用助推器貝加爾號。2010年，俄羅斯組織對幾家大型火箭生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計的可重復(fù)使用的新型火箭系統(tǒng)進(jìn)行評估，可重復(fù)使用火箭太空系統(tǒng)－1（MPKC－1）是垂直點(diǎn)火的部分可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，其使用次數(shù)可達(dá)10次以上，機(jī)動能力很強(qiáng)。

歐洲

20世紀(jì)80年代以來，歐洲先后在國家層面上啟動了重復(fù)使用運(yùn)載器的研制計劃。1984年，法國率先提出了部分重復(fù)使用的“赫爾梅斯”（Hermes）小型航天飛機(jī)研制計劃。隨后不久，英國與德國又各自提出了水平起降、單級入軌的“霍托爾”（HOTOL）空天飛機(jī)計劃和可兩級入軌的“桑格爾”（Sanger）空天飛機(jī)計劃。1994年起歐洲航天局提出未來歐洲“航天運(yùn)輸研究計劃”（FESTIP），它包括近20種概念設(shè)計方案。4年后該計劃結(jié)束，歐洲航天局緊接著進(jìn)行了“未來運(yùn)載器技術(shù)計劃”（FLTP），用于可重復(fù)使用運(yùn)載器方案的選擇和確定，并在此計劃的基礎(chǔ)上于2001年提出FLPP，并對未來10年的歐洲可重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展進(jìn)行了規(guī)劃，決定研制下一代運(yùn)載器（NGL）。

近年，英國還提出一種“云霄塔”（Skylon）單級入軌空天飛機(jī)方案，它采用混合動力、可重復(fù)使用、水平起降，目前處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和方案論證階段。

印度

印度發(fā)展航天技術(shù)的最終目標(biāo)是建立空間站和星際基地，而發(fā)展單級入軌、水平起降的可重復(fù)使用運(yùn)載器（SSTO－RLV）和載人航天是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必由之路。根據(jù)上述思路，印度的可重復(fù)使用運(yùn)載器計劃分為3個階段：研制可重使用運(yùn)載器技術(shù)驗(yàn)證機(jī)（RLV－TD），攻克高超聲速再入等關(guān)鍵技術(shù)；在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上研制兩級入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器（TSTO－RLV）；研制SSTO－RLV。目前正處于第一階段的研制工作，印度空間研究組織（ISRO）已經(jīng)規(guī)劃了一系列飛行試驗(yàn)。

日本

日本在可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展方面不遺余力，投入了大量經(jīng)費(fèi)。1997年制定了可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展計劃，遵循循序漸進(jìn)的發(fā)展思路，圍繞“霍普”（HOPE）小型航天飛機(jī)計劃開展演示驗(yàn)證項(xiàng)目，先后成功進(jìn)行了軌道再入飛行試驗(yàn)（OREX）、高超聲速飛行試驗(yàn)（HYFLEX）以及自動著陸飛行試驗(yàn)（ALFLEX），對防熱、再入飛行等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)和試驗(yàn)。

日本的HOPE－X小型航天飛機(jī)概念圖

3 可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展趨勢

從世界各國可重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展歷程及發(fā)展現(xiàn)狀來看，可重復(fù)使用運(yùn)載器領(lǐng)域的發(fā)展趨勢有以下3個方面。

（1）百折不撓

綜觀美國、俄羅斯、歐洲、日本及印度等國家和地區(qū)的可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，其研制并不是那么一帆風(fēng)順，美國從20世紀(jì)60年代開始就涉足了可重復(fù)使用運(yùn)載器的研制，實(shí)現(xiàn)可部分重復(fù)使用的航天飛機(jī)在歷經(jīng)30年輝煌后終因成本太高及安全性不夠而退出了太空舞臺。20世紀(jì)八九十年代提出的X－30超高速國家空天飛機(jī)計劃，無人駕駛、單級入軌可重復(fù)使用航天運(yùn)載器Venture star計劃，無人駕駛、可重復(fù)使用亞軌道低成本航天運(yùn)載器X－34，以及Delta Clipper計劃，都因存在著諸多技術(shù)難題以及資金耗費(fèi)巨大而被叫停。進(jìn)入21世紀(jì)之后提出的RASCAL計劃和ARES計劃也都因研制經(jīng)費(fèi)缺口過大而被迫下馬。俄羅斯提出的Klip er項(xiàng)目等也都不得不終止。

但是，值得注意的是，美、俄等國家和地區(qū)在先后開展的研制計劃中積累了諸多經(jīng)驗(yàn)，并將這些既有成果運(yùn)用到后續(xù)相關(guān)可重復(fù)使用運(yùn)載器研制計劃中去，保持了技術(shù)基礎(chǔ)的延續(xù)性。同時，世界各國也堅定不移地把可重復(fù)使用運(yùn)載器作為未來航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，均充分認(rèn)識到可重復(fù)使用運(yùn)載器的重要性。它不僅能夠滿足未來的商業(yè)發(fā)射需求，推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時在未來軍事航天中也擁有巨大的應(yīng)用價值。因此，即使研制歷程一波三折，仍不遺余力地提出相關(guān)計劃并投入巨額費(fèi)用，不斷驗(yàn)證動力、熱防護(hù)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制、著陸裝置等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）循序漸進(jìn)

從國外幾十年的可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展歷程來看，可重復(fù)使用運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展具有高成本、高風(fēng)險性，其研制成功仍然有待各項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)的突破，未來還需要較長時間的研究。世界各國認(rèn)識到并遵循技術(shù)發(fā)展規(guī)律，在飛行演示驗(yàn)證階段進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)并驗(yàn)證，努力打牢技術(shù)基礎(chǔ)，并不急于進(jìn)行工程研制。

日本高速飛行驗(yàn)證機(jī)（第一階段）構(gòu)想圖

美國航天飛機(jī)的研制正是借鑒了X－15、X－20這兩項(xiàng)飛行試驗(yàn)計劃積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)。美國通過一系列演示驗(yàn)證項(xiàng)目，持續(xù)不斷地增加新技術(shù)儲備，積累了新概念飛行器的研制經(jīng)驗(yàn)。日本一直圍繞HOPE小型航天飛機(jī)計劃開展演示驗(yàn)證，依次進(jìn)行了軌道再入、高超聲速飛行以及自動著陸飛行試驗(yàn)，對可重復(fù)使用運(yùn)載器研制中的防熱、再入飛行等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，不斷提高技術(shù)成熟度。

（3）由多級入軌部分重復(fù)使用向單級入軌完全可重復(fù)使用方向發(fā)展

縱觀各國可重復(fù)使用運(yùn)載器的研制歷程，經(jīng)歷了一個從單級入軌完全可重復(fù)使用到多級入軌部分可重復(fù)使用的發(fā)展思路。20世紀(jì)八九十年代，美國提出的X－33，歐洲提出的HOTOL計劃等，都是單級入軌重復(fù)使用方案，但都因技術(shù)難度過大、投入經(jīng)費(fèi)過多而終止。世界各國在認(rèn)識到可重復(fù)使用運(yùn)載器的研制難度后，紛紛轉(zhuǎn)變發(fā)展思路，把多級入軌部分重復(fù)使用作為近期研究目標(biāo)，如美國提出的SMV計劃，俄羅斯提出的Kliper計劃等。

但是，水平起降單級入軌方案一直是各國航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展方向，在制定實(shí)際發(fā)展方針的基礎(chǔ)上，以單級入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器運(yùn)載器為需求牽引，對涉及的核心關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，通過演示驗(yàn)證來逐步提高技術(shù)成熟度，期望未來能夠具備類似飛機(jī)一樣自由進(jìn)出空間的能力。