陳藍：可複用航天運載工具，中國能後來居上嗎？
【文/觀察者網專欄作者 陳藍】
8月26日，新華社報道，由中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院自主研製的升力式亞軌道運載器重複使用飛行試驗獲得圓滿成功。
據悉，飛行試驗採用的運載器，經健康檢測維護後，在酒泉衞星發射中心再次點火垂直起飛，按照設定程序完成亞軌道飛行，平穩水平着陸於阿拉善右旗機場，成功實現我國亞軌道運載器的首次重複使用飛行。本次飛行試驗的圓滿成功，有力推動了我國航天運輸技術由一次性使用向重複使用的跨越式發展。
更早些的8月5日，新華社報道，我國在酒泉衞星發射中心，運用長征二號F運載火箭，成功發射一型可重複使用的試驗航天器，這是長征二號F運載火箭第18次執行發射任務。試驗航天器將在軌運行一段時間後，返回國內預定着陸場，其間，將按計劃開展可重複使用和在軌服務技術驗證，為和平利用太空提供技術支撐。
本月這兩條新聞字數都不多，但包含的信息很豐富，也很重要。
8月26日的發射是同一個飛行器的第二次試飛。首飛是在去年7月16日，當時也有報道。那麼這個“升力式亞軌道運載器”到底是什麼呢？根據多方面的公開資料判斷，這個飛行器應該是航天科技集團規劃的的三步走可重複使用運載系統的第一步——“火箭動力部分重複使用運載器”的第一級。
圖1：航天科技集團公開的可複用運載工具三步走線路圖（圖源：航天科技）
這個發射系統的第一級簡單説就是一架火箭飛機，但它是垂直髮射並能接近或超過100公里高度的卡門線，所以也可以稱為亞軌道航天飛機。而它的第二級則是常規的一次性火箭。它被捆綁在火箭飛機的側面一起發射。當到達亞軌道彈道頂端時，第二級火箭分離點火，帶着有效載荷飛往預定軌道。而第一級火箭飛機則再入滑翔返回，在大氣層中進行一定的機動，最後在跑道降落。
圖2：火箭動力部分重複使用運載器發射剖面（圖源：航天科技）
這個發射系統的關鍵技術包括第一級的亞軌道飛行器和第二級火箭的分離和點火，但主要難點都在前者。復飛成功，表明航天科技集團已經克服了所有難點，完全掌握了大型有翼亞軌道飛行器發射、再入、自主飛行和返回的相關技術，具有重大意義。如果一切順利，下一步就應該是兩級的軌道發射了。
那麼8月5日的發射又是什麼呢？它和可重複使用運載器有關聯嗎？我們知道，這次也是我國“可重複使用試驗航天器”的第二次發射。它於2020年9月4日首飛，由長征2F火箭送入軌道，2天后成功返回。顯然，它本身不是運載器，而是一架能進行軌道飛行的小型無人航天飛機，就是中國的X-37B。
我們在航天科技三步走的路線圖上看到，第二步和第三步的全複用運載器的第二級就是一架帶動力的小型航天飛機。目前太空中飛行的中國航天飛機尺寸還比較小，沒有配備入軌所需的動力系統，還不能直接用作運載系統的第二級。但它為實現兩級發射系統的全複用奠定了良好的技術基礎。
那麼，我國的可複用運載器和馬斯克SpaceX的獵鷹九號及星艦相比，哪個技術更先進、成本更低廉、競爭力更強？必須説，可複用航天運載系統有不同的技術途徑，各有優劣，在不同的發展階段，比較結果也不一樣。而我國除了前面介紹的這個火箭動力兩級部分複用系統外，幾乎涉足了所有不同的技術路線。下面按三種起降方式做一個簡單介紹。
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。但獵鷹九號未達到全複用的目標，目前只實現了一級複用和偶爾的整流罩複用。其實在SpaceX誕生之前，美國Kistler公司採用傘降加氣囊着落方案的K-1全複用火箭（1994-2010）已經接近成功。
第一枚火箭已經製造出來，但資金鍊斷裂斷送了它的前途。SpaceX的星艦將首次實現兩級全複用。如果輕質高強材料和發動機比衝取得長足進步，單級入軌可複用火箭在技術上也是可能的。美國民營公司的Roton全複用單級火箭（1996-2001）曾做過有益的探索。它的全尺寸大氣試驗機作為雕塑留在了莫哈維沙漠，記錄了這段歷史。
圖3：K-1全複用火箭（圖源：Rocketplane Kistler）
圖4：Roton單級入軌火箭（圖源：RotaryRocket）
中國最早探索的可複用火箭也是這個方式的。上世紀90年代末，中國採用傘降加氣囊的兩級可複用火箭方案就已經出現在論文上。SpaceX獵鷹九號對中國是壓力，也是加速研製的動力。長征八號回收型、長征六號X、民營公司的智神星一號、雙曲線二號和三號目前都在緊鑼密鼓地研製。甚至，在長征九號2022最新版上也看到了星艦的影子。相信用不了幾年，我們將會追上獵鷹九號的水平。
圖5：長征八號回收型（圖源：航天科技）
圖6：雙曲線二號和三號（圖源：星際榮耀）
垂直起降方案的優點在於能充分利用現有成熟的火箭技術。由於垂直受力為主，結構和氣動都能做到最簡最優。但它無法利用大氣升力，需要攜帶大量氧化劑，運載效率低下的問題無法根本解決。燃燒大量化石燃料導致的環保問題是另一個重大缺陷。即使星艦獲得成功，甚至未來實現單級入軌，這些問題依然存在。
垂直起飛、水平降落方式（航天飛機）
人類最早的可複用航天器，即美國航天飛機和前蘇聯暴風雪航天飛機便採用這一方式。但航天飛機的失敗是一味追求先進性、忽視經濟性的設計思路而非起降方式本身導致的，比如安全要求極高也極昂貴的載人設計、極為複雜並需要拆解進行維護的分級燃燒氫氧主發動機、由數萬片極為脆弱的防熱瓦構成的防熱系統、隱患多多的軌道器偏置設計，昂貴的固體助推器等等。上世紀90年代，NASA的X-33單級入軌航天飛機是再一次的嘗試。雖然解決了航天飛機的諸多缺陷，但NASA偏好新技術的激進策略再次導致了它的失敗。
圖7：航天飛機（圖源：NASA）
圖8：X-33（圖源：NASA）
中國航天科技的火箭動力二級可複用運載系統和美國已經取消的XS-1項目有點類似。它們的第一級都採用亞軌道航天飛機，第二級為一次性火箭，實現部分複用。由於大尺寸的第一級升力飛行器不需要入軌，避免了複雜外形飛行器的再入氣動和防熱難題。兩次試驗飛行取得成功，表明主要技術難題已經被攻克，項目已經取得重大突破。
圖9：XS-1可複用運載器（發射狀態）（圖源：NASA）
圖10：XS-1可複用運載器（釋放第二級）（圖源：NASA）
和垂直起降方案相比，垂直起飛水平降落（航天飛機）方式着陸過載更低、着陸機動能力（尤其是側向機動能力）更強、複用次數更多，更容易實現民航級的航班化運營。
水平起飛、水平降落方式（升級版航天飛機、空天飛機）
水平起降的可複用運載器可能是最理想的航天運載方案。它省去了投資不菲的固定發射場，獨立性強（對地面依賴少）、靈活性大，是最接近航空運輸的方式。採用吸氣發動機的話則可大大減少氧化劑的消耗，可以做到極低的成本，也更符合環保的理念。
不過，採用火箭動力水平起飛的一級飛行器（可看作升級版航天飛機）由於火箭發動機效率低下，都需要輔助起飛手段，和垂直髮射的航天飛機方案相比優勢不大，所以歷史上此類項目最終都無疾而終，比如俄羅斯的MAKS（1988-1991，安225空射）、NASA的X-34（1999-2001，空射）、美國Kellly公司的Astroliner（1996-1998，拖拽起飛）、美國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。
採用吸氣式組合發動機的水平起降空天飛機將是未來中美主攻方向。上世紀90年代，由於技術挑戰太大，美國取消了單級入軌的X-30空天飛機（國家空天飛機，又名東方快車）項目，英國取消了霍託項目。但霍託的發動機主研人員並未放棄，成立民營的“反應引擎”公司繼續研製（佩刀發動機和雲霄塔空天飛機），獲得了英國政府的支持，最終美國空軍加入了這個計劃，使得成功概率大為提高。
圖11：雲霄塔空天飛機（圖源：Reaction Engine）
圖12（圖源：航天科工）
中國航天科工的“騰雲”是我國最引人注矚目的空天飛機項目。它的一級為亞軌道空天飛機，二級為一次性火箭（未來可替換成小型航天飛機）。航天科工已宣佈完成衝壓組合發動機模態轉換飛行驗證，2025年前完成水平起降（亞軌道）飛行演示驗證，2030年進行入軌飛行。
航天科技西安航天動力研究所研製的組合發動機也在2020年完成試飛，向集團公司三步走的第三步邁出了一步。兩家公司兩個獨立項目齊頭並進，實現雙保險。中美空天飛機競賽，很可能中國捷足先登。
綜上所述，我國在三種不同技術路徑上都有可觀投入。在垂直起降方式上，美國具備先發優勢。SpaceX在垂直起落火箭上的優勢短期內隨着星艦的成熟可能還會擴大。必須承認，星艦採用了很多大膽創新的技術，使它可能取得極大的成本優勢。除了廣為人知的多機並聯、不鏽鋼艦體、筷子夾箭等外，再舉個不太為人所知的例子：星艦飛船高空再入階段結合了航天飛機的特點，利用翼面升力進行水平滑翔，降低了氣動加熱。我們落後了，但我們沒有放棄，也在努力追趕，縮小差距。由於沒有先發優勢，那麼跟隨就不失為一個有效策略。這也是中國民營航天火箭公司的一個機會。貼近需求、大膽創新、成本控制就是他們的優勢。我們期待有一天中國的SpaceX能脱穎而出。
然而，在垂直起飛、水平降落方式上，美國已經放棄，我們通過兩次升力式亞軌道飛行器的試飛，已經遙遙領先。在水平起降方式上，大家都在暗中發力。騰雲可能先於美英合作的雲霄塔試飛，但後者的單級入軌更先進，勝負還有待時日。
在中美可複用航天運載器的競賽中，中國能不能後來居上、彎道超車或變道超車？最近這些成功的發射給了我們極大的信心。給以足夠的時間，也許我們能看到又一次令人驚喜的逆襲。
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