中國可重複使用航天器在軌飛行兩天都幹了些啥_風聞

原創 張聚恩 聚恩君  第428篇《關於可重複使用航天器的學習筆記》

據新華社報道，中國在酒泉衞星發射中心成功發射的可重複使用航天器，在軌飛行兩天後，於9月6日成功返回預定着陸場。這次試驗的成功，標誌着中國可重複使用航天器技術研究取得重要突破，後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。

這是我國空天事業的一次新突破，國人為之歡欣，世界為之關注，外界做出了不少推測與分析。由於特別的機緣，我深知成功來自我國航空航天界多年的共同奮鬥，喜悦之情難以言表。藉此機會梳理一下認知，整理一些資料，形成一則學習筆記，與大家分享與討論。不當之處，敬請指正。

一、從“卡門線”説到“可重複使用”

新華社的報道里，“可重複使用航天器”是關鍵詞，其中的“可重複使用”也是此次試驗最重要價值所在。“可重複使用”有“部分可重複使用”和“完全可重複使用”兩類。分別指在完成上次飛行任務後，飛行器系統的部分或全部具備下一次使用或執飛的基本能力，而無需作重大修整。

幾乎所有的飛機，都是完全可重複使用的飛行器。而對於航天器而言，不管是部分可重複使用，還是完全可重複使用，難度都很大。為什麼是這樣，需要從飛行的自然環境和卡門線説起。

在地球表面生活的人類，周圍被空氣包裹。這些看不見、摸不着的空氣，像一隻無形的手，藉助空氣動力產生的升力，將各種各樣的航空器、包括幾百噸重的飛機“託舉”起來，馭風而翔。

大氣層很厚，超過1000km。大氣呈非均勻分佈，對流層（地表向上20km內）聚集了全部大氣質量的四分之三。越往高處，空氣密度越小，達到一定高度後，稀薄的大氣將難以產生支持飛行器飛行的足夠升力；飛行器只有靠提高速度，才可能獲得足夠升力來支撐自身重量。

在大氣密度連續變化的分佈裏，100km成了一個奇妙的高度。這裏的空氣密度僅為海平面空氣密度的220萬分之一。經錢學森的老師、著名科學家馮•卡門計算，這個高度是軌道飛行器的最低高度，即達到第一宇宙速度7.9千米每秒的飛行器，可以持續軌道運行，而不會被地球引力吸向地面。

這個高度被稱為“卡門線”，成了航空與航天之間的科學分界線（因為在物理上漸變的高度域裏並沒有這樣一條線）。卡門線之下為“空”，是航空器的運行空間，但現在的航空器還達不到這個高度，多在20-30km以下飛行。卡門線之上為“天”，是航天器的運行空間。多數時候人們説的“衝出大氣層”“再入大氣層”，都是相對於卡門線而言的。

衝出卡門線的航天器，如需維持在地球軌道上穩定運行，所需要的那個最低速 度，就是軌道速度。軌道速度因軌道高度的不同而不同。以低地球軌道運行的空間站為例，其軌道速度約為28000km每小時。

就數量而言，絕大部分航天器是永不返回的，如衞星和天體探測器（如哈勃望遠鏡、SP+太陽探測器、我國2020年7月發射的“天問1號”火星探測器等）等。這也是航空與航天的一個很大不同。但由於兩個重大應用場景，使可重複使用航天器的需求凸顯。一是隨着地球軌道“空間站”的建立，天地往返運輸成為必需；二是軌道試驗器的重要性日增，此類飛行器需要具備返回的能力，也就產生了重複使用的要求。

為解決天地往返運輸問題，美國先後制定了航天飛機和空天飛機計劃，有成功有失敗，部分實現了可重複使用的目標。但在航天飛機退役後，因沒有天地運輸工具，而不得不依靠俄羅斯。直到馬斯克的獵鷹9和龍飛船出現，才解決了這一問題。俄羅斯雖然也研製了暴風雪號航天飛機，並未真正使用，選取的解決之道是無人或載人飛船，如聯盟號，承擔與空間站對接和往返運輸的使命，相對穩健，但設備的重複使用程度不高。

不管取什麼方式，走什麼路線，此類航天器都很複雜，也都很貴重，很“燒錢”。製造成本動輒數十億美元，就連美國這樣的經濟強國都難以承受。航天的打打停停除了競爭使然外，在很大程度是經濟的不堪重負。如果能夠重複使用，那怕部分重複使用，將會使這些裝備與系統的成本下降，項目的經濟可承受性得到改善，從而推動此類活動更多、更好的開展。

滿足可重複使用要求，就意味着在全部任務過程裏，飛行器不可出現任何影響功能完整性的毀損。其中，最大風險出現在返回時再入大氣層，飛行器以極高速度飛行，與大氣摩擦引起強烈氣動熱，產生極高熱量，機身表面會造成高温，甚至超過1500攝氏度，如不採用防熱材料和特殊構造，飛行器表面和結構會遭致破壞，甚至熔化。

一方面，可重複使用很重要，另一方面，又很難。就這樣，在需求與可能之間，交織出空天事業未了奮鬥的新篇章，今天仍在繼續，未來也不會止休。中國作為一個不甘落伍的後來者，加入了這項事業，並在較短時間裏，取得了令國人自豪、世人矚目的成就，跨進航天大國之列，正向航天強國的目標大步進軍。

二、關於航天飛機與空天飛機

在各方猜測與分析中，認為這次試驗成功的是一架航天飛機或空天飛機的居多。故而，我們需要回溯，在人類的太空探索中，兩種特殊的“飛機”——“航天飛機”和“空天飛機”的來由與進展情況。

1969年4月，美國航空航天局（NASA）提出建造一種可重複使用的空間運輸系統（STS）的設想，1972年1月該任務被正式列入計劃。項目方案集火箭、飛船和飛機技術於一體，系統由軌道器、助推器和燃料箱三部分組成。飛行器的英文名為Space Shuttle，意為“太空快車”，譯作“航天飛機”。為實現再入大氣層時的平穩滑翔和水平降落，軌道器採用飛機構型，擁有寬大機翼，並要求有限次重複使用。

1986年，美國又制定“國家航空航天飛機計劃”（NASP，The National Aerospace Plane），提出研製一種完全可重複使用的新空天飛行器。這種飛行器將飛機、運載器、航天器的功能集為一體，不採用航天飛機那樣使用火箭垂直起飛方式，而設想像飛機一樣在跑道上水平起飛、水平降落、單級入軌（SSTO）。飛行器英文名Space Airplane或Aerospace Plane，意即“太空飛機”或航空航天飛機。這是“空天飛機”概念的由來。

美國的“航天飛機”

蘇聯的“暴風雪”號

顯然，設想裏的空天飛機要比航天飛機難得多。在後來的工程實踐中，“航天飛機”項目雖付出了巨大的犧牲，還是取得了劃時代的成功。而“空天飛機”項目由於技術太過複雜，經過十年探索，雖也取得一定的技術成果，但項目整體以失敗告終。

在1980年代到90年代，美國先後製造了5架航天飛機（另有一架“企業”號測試機），用以執行往返於近地軌道和地面之間的載人飛行，共計執飛135次。同期，蘇聯也研發了“暴風雪”號航天飛機，1988年進行過一次無人駕駛飛行。後因技術經濟與蘇聯政局變化等複雜原因，項目擱淺，而轉向以空間站及其作為往返運輸工具的聯盟號飛船等的研發與應用，走出了自己的道路。

由於當時的技術水平限制，美國航天飛機的可靠性不足。1986年和2003年發生了兩次重大空難，分別造成兩架航天飛機高空解體和在升空過程中爆炸，致14名宇航員罹難。兩次空難都發生在空氣較稠密的大氣層，是對高難度的航天器可重複使用性的反面明證。同時，由於過高的維護和使用成本，終使航天飛機在2011年全部退役。

造成航天飛機停用的原因，還有原來設想的每架使用壽命100次執飛的目標落空，因重複使用帶來的經濟性改善的預設也無法實現。航天飛機單架造價約30億美元，5架135次飛行，分攤到每次執飛的製造成本就高達1.1億美元。加上維護和檢修，每架次飛行都需要數億美元。這成為無法承受之重。

下表列出了美國航天飛機的概況。

美國航天飛機一覽表

名稱哥倫比亞挑戰者發現亞特蘭蒂斯奮進執飛次數2810393325累計飛行天數30162365294296累計軌道圈數4808995583046484647最長飛行時間17天15小時8天5小時15天2小時13天20小時16天15小時首次飛行1981041219830404198408301985100319920507末次飛行2003011619860128201102242011070820110516狀況

2月1日返回大氣層70km高空解體

7名宇航員罹難

升空73秒後爆炸，7名宇航員罹難退役退役退役

有趣的是，“航天飛機”和“空天飛機”雖不符合傳統的“飛機”定義，但都採用了飛機構型，都擁有了“飛機”的中譯名。從技術和功能看，二者都兼具大氣層內外飛行的能力。但航天飛機採用火箭動力，垂直髮射，在大氣層內實施穿越式無動力滑翔飛行；而空天飛機雖然並未成功，按其設想，採用融合航空航天技術的組合式動力，以實現在卡門線內外自由飛行，且能夠完全可重複使用。

國際航空航天界並沒有對這兩種特殊“飛機”做過嚴格定義，但既然它們事實上都有大氣層內外的飛行能力，稱它們是**“可重複使用空天飛行器”**可能更為貼切。或者，再簡單一點，不用“航天飛機”這個詞，而直接統稱為“空天飛機”，使“空天飛機”泛指所有能進行大氣層內外飛行的飛行器，包括滑翔飛行和動力飛行，似乎也是可以的。

實際上，業內業外，要準確區分這兩個概念是有難度的，由此也帶來了一些混亂。譬如。在搜狗百科和百度百科等公共媒體裏，都把美國的X-37B稱為世界首款空天飛機。按照NASP計劃對“空天飛機”的定義，這顯然不對，因為X-37B是藉助運載火箭垂直起飛的，僅此一點，就不能稱其為“空天飛機”。但如果按照泛指的“空天飛機”概念，就説得過去了，當然還是不能稱為"首款"。這次媒體上的各種信息，説航天飛機和空天飛機的都有，原因也在於此。

三、關於X37B和龍飛船

在航天飛機退出、空天飛機失敗之後，為了滿足太空探索需求，圍繞新型可重複使用空天飛行器的研發活動並未停歇，本世紀以來形成一個新潮。X-37B、獵鷹和龍飛船都是在這樣的情勢下出現的。

綜合各方資訊，X-37B是一種完全自動化的試驗飛行器，尺寸為航天飛機軌道器四分之一大小。其在軌運行與操作能力，在大氣中的滑翔飛行，再入大氣層、着陸返回性能，都與航天飛機相似，其在軌時間、機動與變軌能力，則超出老式航天飛機。它的可重複使用性也已得到初步證明。

X-37B始於由美國國防預先研究計劃局（DARPA）和NASA於1998年資助而啓動的X-37研究項目。該項目吸取了NASP的失敗教訓，確立了一個可行的目標與路線，總體進展順利。X-37試驗機於2005年搭載英國維珍公司的“白騎士”運載飛機進行了首次空中飛行試驗。2006年由B-52飛機運載升空，投放後利用自動控制技術飛行和降落。在2006年項目交空軍負責後，其軍事色彩驟增。

項目承製商波音公司製造了兩架X-37B試驗機，交替使用。第六次飛行的是否為第三架新機，尚未可知。據介紹，X-37B機長8.931米，高2.926米，翼展4.3米，重5.4噸。有效載荷2噸。無舷窗，有一對機翼和一對V型尾翼。X-37B能在176-800千米的近地軌道飛行，每90分鐘繞地球一圈。

X-37B已先後完成5次太空飛行。2010年4月22日首次執飛，發射後進入到高度430-450 千米、傾角28至40度的軌道。據分析，前三次主要考核飛行器本身與在軌控制狀況，驗證結構佈局設計、控制技術、長期待軌的任務管理與能源等。

此外，各次飛行均擔負有特定任務，但披露不多，第四、第五次的任務有所報道。據説還有對非友好航天器物的抵近觀察。現在第六次已經升空，試驗任務中包括在軌釋放衞星和利用微波進行向地面的能量傳輸。前一項不算新任務，後一項則很有深意。

為提高系統的安全性和可靠性，確證可多次重複使用，須切實解決再入時的防熱問題。結構設計和材料是解決問題的關鍵。X-37B的頭部採用鎢合金，機身採用鈦合金和鋁合金複合結構；機翼前緣採用新的耐高温材料，以取代老式航天飛機上使用的碳瓦。

X-37B的前四次發射都是使用洛克希德·馬丁公司與波音公司聯合研製的“阿特拉斯”5型火箭，第五次發射使用了SpaceX公司的“獵鷹”9號運載火箭。此次試驗的在軌時間達到780天，創單次任務在軌時長的世界記錄。下表列出了X-37B的一些試驗飛行情況。

X-37B試驗飛行情況

序號升空-返回時間在軌天數試驗內容（部分）120100422-201112-3224飛行器本身，其它不詳220110305-20120616469飛行器本身，其它不詳320121211-20141017675飛行器本身，其它不詳420150520-20170507718霍爾推進器，材料研究等520170407-20191026780有效載荷寄宿平台適用性等620200517-軌道釋放衞星，微波傳能等

在X-37B研發試驗的同時，為了解決在航天飛機退役後，缺乏空間運輸工具，向國際空間站運送人員物資需依賴俄羅斯的問題，美國NASA利用奧巴馬執政期間扶持民營企業的政策，大力支持SpaceX公司承擔商用太空飛船的開發。“龍”飛船計劃應運而生，這也是世界上第一次由私人公司研發航天飛船。

2010年12月8日，“龍”飛船搭載“獵鷹9號”火箭，成功首飛。2012年5月25日，“龍”飛船與國際空間站成功對接，成為有史以來首艘造訪空間站的商業飛船。經空間站內的宇航員數日卸載飛船貨物，又裝上運回地球的物品後，飛船於31日成功返回。迄今，貨運“龍”飛船共執行了19次空間站補給任務。

2020年5月30日， 載人“龍”飛船搭乘“獵鷹9號”火箭發射升空。這是自2011年以來美國首次從本土將宇航員送往國際空間站。2020年8月2日，搭載兩名美國宇航員的“龍”飛船返回地球，完成首次從空間站返回地球的載人飛行任務。

以X-37B和龍飛船為核心裝備，加上可重複使用的獵鷹系列火箭，美國空天事業在21世紀迎來新格局。前者側重於軍事用途，重點放在軌道運行與試驗上；後者側重於民用太空，主攻天地往返運輸，已經擺脱了對俄羅斯“聯盟”號飛船的依賴。

四、關於我國的本次試驗

根據相關報道及上述簡介，我國此次試飛的可重複使用空天飛行器應該不是像“龍”飛船那樣的太空運輸工具，而是類似X-37B的可重複使用小型軌道試驗飛行器。此次飛行試驗在以下幾個方面引起世界關注。

第一，**由美國軍方聯合太空作戰中心和北美航空航天防禦司令部負責運營的“太空追蹤”網站證實，該試驗機進入了太空軌道，且停留了兩天。**這表明我方的宣示真實可信。以此為基礎，今後若有任務需求，進一步延長在軌天數已無根本性技術障礙。而在軌時間是一項重要指標，在軌時間越長，潛在應用價值就越高。

第二，如若返回後狀態良好或基本良好，則表明該試驗器的防熱系統經受了考驗。從結構到狀態管理，從材料到工藝，所組成的一個新技術集羣被證明已經基本突破。這將為後續研發，真正實現多次重複使用，完成低成本太空運輸以及提升其它潛在應用價值，提供基本和重要的支撐。這是一個堪稱跨越性的技術進步。

第三，據分析，這種試驗機完全可能在太空實現機動，進行變軌變速，又能在大氣層中通過機翼和機身產生升力，像傳統飛機一樣滑翔飛行。在進一步完善性能後，可以以較低的成本和較短的準備時間，承擔與空間站對接、運送人員與物資的任務，還將顯現其獨有的潛在軍事應用價值。

第四，據美國“空間新聞”網站文章，稱我國的試驗飛行器在軌釋放了一個物體，被認為是一個人造軌道飛行器，美方已對其編號。這表明，已掌握開合式貨艙、空間機械臂、姿態與軌道控制等技術，我國的無人空天飛行器將具備在軌部署衞星或其它飛行器的能力，這將為空間能力體系的建設提供一個新的手段。

四條之外，一言以蔽之，我們在地球軌道試驗器以及可重複使用技術方面的重大突破，一舉打破了美國在此領域的獨佔，不僅有可能快速滿足民用需要，如天地往返運輸、在軌衞星佈設、各種軌道科學實驗等，而且展示出無窮的應用想象，可能進化出更多的實際應用，這是最根本的意義。

結束語

隨着更多信息的披露，我國這次可重複使用空天飛行器的技術細節和達到的水平，將會被更深入地認識。但確定無疑的是，在向太空探索、實現空天一體的進軍中，我國又取得了重要的進步，這對於和平利用空間、挖掘潛在軍事價值，都具有很高價值和深遠意義。

值此全球政治軍事環境惡化、競爭挑戰空前嚴峻之時，這款可重複使用空天飛行器試驗飛行成功的佳音，無疑將大大提振國人團結奮鬥的信心和鬥志。在自主創新發展的道路上，我們已經取得一個又一個技術突破，正在一步步地紮實前行。相信沿着既定的路線，航空航天界精誠團結，攜手並肩，攻艱克難，矢志奮戰，我們必將取得比肩強者、震驚世界的更大成就，空天強國的理想一定能夠實現。