國外可重復使用運載器發展現狀和趨勢

于霞 孫伶俐 單文杰（中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

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

1 美國可重復使用運載器發展現狀

美國在可重復使用運載器方面的研究開展時間最早，且具有良好的持續性，投入的經費最多，取得了豐碩的研究成果，代表了世界可重復使用運載器的先進水平。

20世紀60年代，由美國航空航天局（NASA）牽頭，聯合美國空軍、海軍和北美航空公司共同開展了X－15高超聲速研究項目，波音公司為美國空軍研制了X－20載人航天轟炸機，兩項計劃的實施為美國航天飛機的發展提供了珍貴的試驗數據和研制經驗，尤其是X－20還成為后來航天飛機的“先行者”。

1969年，鑒于當時一次性運載火箭費用昂貴、飛船運載能力低而不能滿足空間站建設的需求，美國提出建造一種可重復使用航天運載器的計劃。1972年，美國正式把研制航天飛機“空間運輸系統”（STS）列入計劃，確定了航天飛機設計方案，并于5年之后研制出創業號航天飛機軌道器進行機載試驗。1981年4月12日，第一架載人航天飛機哥倫比亞號正式登上太空舞臺，成為航天技術發展史上的重要里程碑。2011年7月，阿特蘭蒂斯號航天飛機進行了最后一次發射，執行美國航天飛機項目第135次也是最后一次飛行，至此，美國為期30年的航天飛機計劃終結。航天飛機是第一個實現部分可重復使用的航天器，不僅驗證了發展可重復使用技術的可行性，也為重復使用技術領域的發展奠定了基礎。航天飛機軌道器采用的大機翼結構設計，確保了其軌道器準確降落在跑道上，其主發動機能夠在65%～109%推力之間進行連續調節，而且可重復使用50次，這種發動機技術在今天仍處于世界領先水平。

20世紀八九十年代，美國還提出了多個可重復使用運載器計劃：X－30超高速國家空天飛機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、完全可重復使用的運載器系統，麥道航宇公司為其研制的“三角快帆試驗機”（DC－X），驗證了該火箭的發射、機動、懸停和著陸能力；洛馬公司研制的無人單級入軌可重復使用航天運載器“冒險星”（Venture star）的1∶2縮比原型機X－33，采用垂直發射方式，能在飛行跑道上著陸，動力系統采用波音公司特別開發的J2S火箭發動機；X－34是一種無人可重復使用的亞軌道航天運載器，其主要任務是驗證大幅度降低航天運輸成本的技術可行性，為此制造了3個空射試驗平臺，進行了3次系留飛行試驗。然而，上述計劃都因存在著諸多技術難題以及資金耗費巨大而被叫停。

美國空軍在20世紀90年代末開始實施“軍用空間飛機” （MSP）計劃。它是一種可重復使用的運載系統，支持美國空軍航天司令部的各種空間作戰任務。該系統由“空間行動飛行器”（SOV）、“空間機動飛行器”（SMV）、“模塊化嵌入級”（MIS）、“通用空中飛行器”（CAV）等組成，其中SMV是一種可重復使用小型無人軌道機動飛行器，具備長期在軌駐留與變軌機動能力，可執行多種任務，包括戰術偵察、監視、空間目標識別、軌道轉移和空間作戰。

X－33（左）、Venture star（中）、航天飛機（右）比較

X－34可重復使用運載器

可部分重復使用的暴風雪號航天飛機

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

2001年，美國國防部還提出了“作戰快速響應太空”（ORS）概念并逐步推進，旨在提高現有航天能力的戰時快速響應，并研制出配套的經濟上可承受的運載器和小衛星，以及相關的地面指揮與控制系統，目標是在幾小時或幾天內完成衛星或武器系統的發射。為實現ORS能力，美國在2002年初實施了“快速反應、小載荷、經濟上可承擔的發射”（RASCAL）系統研制計劃，2003年，美國空軍進行了為期1年的“作戰快速響應航天運輸系統”技術途徑研究，并在此基礎上決定研制部分可重復使用的混合型運載器（HLV）。2005年開始其工程研制計劃—“經濟可承受快速響應航天運輸”（ARES）計劃。HLV由一個亞軌道可重復使用第一級和一個一次性使用上面級構成。但RASCAL計劃和ARES計劃都因研制費用大大超出預期而落馬。

繼RASCAL計劃和ARES計劃之后，2009年5月，美國空軍研究實驗室向工業界發布了可重復使用助推系統（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，用于研制可重復使用助推器系統驗證器并進行飛行試驗；RBS系統包括一個可重復使用第一級和一次性使用上面級。可重復使用的第一級垂直發射，把上面級運送至分離點后，利用火箭動力進行轉向機動后再直接返回到發射場附近機場，在跑道上像飛機一樣著陸。

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

2 其他國家的可重復使用運載器發展現狀

除美國之外，蘇聯/俄羅斯、歐洲、印度及日本等國家也投入資金對可重復使用運載器進行了研究。

蘇聯/俄羅斯

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

進入21世紀，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、服務艙組成，采用折疊翼，即在飛船重返地球大氣層準備降落時，返回艙的艙翼展開，以使飛船像飛機一樣著陸，主要用于“國際空間站”相關人員和物資的運輸，以取代聯盟號飛船。但后來由于邀請美國、歐洲及中國進行合作未果，研制經費缺口過大而下馬。此外，俄羅斯還提出在新型“安加拉”（Angara）運載火箭基礎上研制可重復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企業設計的可重復使用的新型火箭系統進行評估，可重復使用火箭太空系統－1（MPKC－1）是垂直點火的部分可重復使用的運載火箭，其使用次數可達10次以上，機動能力很強。

歐洲

20世紀80年代以來，歐洲先后在國家層面上啟動了重復使用運載器的研制計劃。1984年，法國率先提出了部分重復使用的“赫爾梅斯”（Hermes）小型航天飛機研制計劃。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）空天飛機計劃和可兩級入軌的“桑格爾”（Sanger）空天飛機計劃。1994年起歐洲航天局提出未來歐洲“航天運輸研究計劃”（FESTIP），它包括近20種概念設計方案。4年后該計劃結束，歐洲航天局緊接著進行了“未來運載器技術計劃”（FLTP），用于可重復使用運載器方案的選擇和確定，并在此計劃的基礎上于2001年提出FLPP，并對未來10年的歐洲可重復使用運載器的發展進行了規劃，決定研制下一代運載器（NGL）。

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

印度

印度發展航天技術的最終目標是建立空間站和星際基地，而發展單級入軌、水平起降的可重復使用運載器（SSTO－RLV）和載人航天是實現這一目標的必由之路。根據上述思路，印度的可重復使用運載器計劃分為3個階段：研制可重使用運載器技術驗證機（RLV－TD），攻克高超聲速再入等關鍵技術；在現有技術的基礎上研制兩級入軌可重復使用運載器（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）已經規劃了一系列飛行試驗。

日本

日本在可重復使用運載器發展方面不遺余力，投入了大量經費。1997年制定了可重復使用運載器發展計劃，遵循循序漸進的發展思路，圍繞“霍普”（HOPE）小型航天飛機計劃開展演示驗證項目，先后成功進行了軌道再入飛行試驗（OREX）、高超聲速飛行試驗（HYFLEX）以及自動著陸飛行試驗（ALFLEX），對防熱、再入飛行等關鍵技術進行攻關和試驗。

日本的HOPE－X小型航天飛機概念圖

3 可重復使用運載器發展趨勢

從世界各國可重復使用運載器的發展歷程及發展現狀來看，可重復使用運載器領域的發展趨勢有以下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的可重復使用運載器發展歷程可以發現，其研制并不是那么一帆風順，美國從20世紀60年代開始就涉足了可重復使用運載器的研制，實現可部分重復使用的航天飛機在歷經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世紀八九十年代提出的X－30超高速國家空天飛機計劃，無人駕駛、單級入軌可重復使用航天運載器Venture star計劃，無人駕駛、可重復使用亞軌道低成本航天運載器X－34，以及Delta Clipper計劃，都因存在著諸多技術難題以及資金耗費巨大而被叫停。進入21世紀之后提出的RASCAL計劃和ARES計劃也都因研制經費缺口過大而被迫下馬。俄羅斯提出的Klip er項目等也都不得不終止。

但是，值得注意的是，美、俄等國家和地區在先后開展的研制計劃中積累了諸多經驗，并將這些既有成果運用到后續相關可重復使用運載器研制計劃中去，保持了技術基礎的延續性。同時，世界各國也堅定不移地把可重復使用運載器作為未來航天運輸系統的發展方向之一，均充分認識到可重復使用運載器的重要性。它不僅能夠滿足未來的商業發射需求，推動科學技術的發展，同時在未來軍事航天中也擁有巨大的應用價值。因此，即使研制歷程一波三折，仍不遺余力地提出相關計劃并投入巨額費用，不斷驗證動力、熱防護、制導導航與控制、著陸裝置等方面的關鍵技術。

（2）循序漸進

從國外幾十年的可重復使用運載器發展歷程來看，可重復使用運載技術的發展具有高成本、高風險性，其研制成功仍然有待各項重大關鍵技術的突破，未來還需要較長時間的研究。世界各國認識到并遵循技術發展規律，在飛行演示驗證階段進行關鍵技術攻關并驗證，努力打牢技術基礎，并不急于進行工程研制。

日本高速飛行驗證機（第一階段）構想圖

美國航天飛機的研制正是借鑒了X－15、X－20這兩項飛行試驗計劃積累的寶貴經驗。美國通過一系列演示驗證項目，持續不斷地增加新技術儲備，積累了新概念飛行器的研制經驗。日本一直圍繞HOPE小型航天飛機計劃開展演示驗證，依次進行了軌道再入、高超聲速飛行以及自動著陸飛行試驗，對可重復使用運載器研制中的防熱、再入飛行等關鍵技術進行驗證，不斷提高技術成熟度。

（3）由多級入軌部分重復使用向單級入軌完全可重復使用方向發展

縱觀各國可重復使用運載器的研制歷程，經歷了一個從單級入軌完全可重復使用到多級入軌部分可重復使用的發展思路。20世紀八九十年代，美國提出的X－33，歐洲提出的HOTOL計劃等，都是單級入軌重復使用方案，但都因技術難度過大、投入經費過多而終止。世界各國在認識到可重復使用運載器的研制難度后，紛紛轉變發展思路，把多級入軌部分重復使用作為近期研究目標，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輸系統的發展方向，在制定實際發展方針的基礎上，以單級入軌可重復使用運載器運載器為需求牽引，對涉及的核心關鍵技術進行攻關，通過演示驗證來逐步提高技術成熟度，期望未來能夠具備類似飛機一樣自由進出空間的能力。