神秘而有翼：圖解美國可重複使用太空飛行器「X-37B與XS-1」

9月4日中國航天科技集團網站上，有這麼一則報導：中國成功發射可重複使用試驗太空飛行器。

中國成功發射可重複使用試驗太空飛行器

近日，不鳴則已，一鳴驚天的「中國」牌可重複使用試驗太空飛行器迅速竄紅，引起全世界的廣泛關注。關於太空飛行器的唯一已知信息是它是實驗性的且可重複使用的。假定經過一段時間的飛行，該裝置將按計劃在中國給定區域著陸。憑藉回收和可重複使用，在降低航天成本方面中國邁出了跨越性的一步，專家推測，或許這就是類似美國的超音速太空梭項目「X-37B與XS-1」，即空天飛機，是航空太空梭的簡稱，既能航空又能航天的新型飛行器，是航空技術與航天技術高度結合的飛行器。

中國可重複使用試驗太空飛行器示意圖

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可重複使用太空飛行器，顧名思義，指能利用自身動力攜帶人員或有效載荷進入預定軌道，並可從軌道返回地面，可以多次重複使用的航天運輸工具。因為，相對目前的運載火箭而言的，運載火箭都是一次性發射的，而一次性發射最大的問題就是成本高。

鸚鵡百科：簡單來講，所謂「航空」，就是人類在地球大氣層中的活動，所使用的飛機、直升機、飛艇和氣球等飛行器統稱為「航空器」。所謂「航天」，就是人類衝出地球大氣層，到宇宙太空中去活動，即宇宙航行。它所使用的是太空飛行器及其運載火箭。航空和航天到底以什麼為界限呢？國際航空聯合會定義了一個概念——卡門線。把卡門線作為大氣層和太空的界線，高度為100公裡。卡門線外為太空。該線以西奧多·馮·卡門（即錢學森的老師）命名。

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從科幻電影到太空梭，再到空天飛機

尋求一種「完全可重複使用，且可以像飛機那樣進入太空的太空飛行器」方案，一直存在於人們的夢想之中。火箭與機翼之間的聯繫最早可以追溯到1920年代的早期科幻作品之中，當時飛機才剛剛問世不久。帶有機翼的火箭便成了航天飛行的一種象徵。進入太空的首選方案是「帶有機翼的太空飛行器」。

美國太空梭無疑是可重複使用飛行器中重要的一員。太空梭研製之初，人們對它充滿了期待，認為它功能強大、發射成本低、發射間隔短，而且更加安全舒適。

事實證明，太空梭確實功能強大，能將一些無法用火箭發射的太空飛行器送上太空。然而現實的困境，其使用成本卻讓人大跌眼鏡。實際上太空梭每次發射費用高達4至5億美元，龐雜的維護工作也降低了發射效率，加上難以排除的安全隱患和兩次震驚世界的慘痛事故，儘管經歷了一度輝煌，2011年美國宇航局的太空梭機隊終於黯然退役，退出歷史舞臺。

太空梭的「升級版」——美國空天飛機X-37B

儘管如此，太空梭的許多技術被沿用下來，美國空天飛機X-37B，也被稱為太空梭的「升級版」。X-37B是由美國波音公司研製的無人可重複使用太空飛機，既能在地球衛星軌道上飛行、又能進入大氣層，最高速度能達到音速的25倍以上，不過，仍然依靠火箭的推力來將其送入太空。

美國空軍擁有唯一能夠從軌道返回並像飛機一樣在機場著陸的現役太空飛機-X-37B太空飛機目前，已經完成了五次長時間飛行任務，現在正在太空中。美國 X-37B空天飛機發射歷史：

2010年04月22日發射，於2010年11月30日返回，在軌224天；

2011年03月05日發射，於2012年06月16日返回，在軌468天；

2012年10月25日發射，於2014年10月17日返回，在軌675天；

2015年05月20日發射，於2017年05月07日返回，在軌718天；

2017年09月07日發射，於2019年10月27日返回，在軌780天；

2020年05月16日發射目前還在軌道上。

美軍重複使用火箭飛機XS-1計劃

美國國防部未來空天飛機方案「XS-1」

隨著NASA的主要任務轉向探索月球、小行星和火星， NASA也慢慢失去了發展使用重複航天運載器的興趣。擔負繁重的軍用衛星發射任務的美國空軍，不得不繼續關注重複使用航天運載器。

XS-1項目是美國繼X-37B計劃之後祭出的又一利器。美國國防部高級研究計劃局(DARPA)是美國國防部下屬一個專門專注於未來先進武器技術研發的部門。2013年11月， DARPA發布了「試驗太空飛機（Experimental Spaceplane）」項目（XS-1）方案徵詢公告。2014年4月，DARPA向三個競標團隊，授出了「XS-1」項目第一階段的主合同，以啟動太空飛機的方案研究。這三個團隊包括波音公司（與Blue Origin公司合作）、Masten太空系統公司（與XCOR航宇公司合作）和諾格公司（與維珍銀河公司合作）。DARPA已為該項目可能的第二階段工作制定了1.4億美元預算，第二階段將集中進行最終設計和集成。

XS-1飛機概念圖

「XS-1」是一種可重複使用的運載火箭第一級，可以採用有翼或無翼構型，包括有人駕駛、選擇性有人駕駛和無人駕駛等多種方案，能夠攜帶一次性使用的上面級，將重達1800千克的有效載荷送入近地軌道。設計工作將重點圍繞可行性和經濟可承受性來開展，確保項目核心目標——像飛機一樣作戰和運營的實現。包括：使用機動式起豎發射裝置，以最小化基礎設施和地面人員規模；充分吸收發展無人機的經驗，實現高度自主的飛行操縱；像飛機一樣在標準跑道上水平著陸並回收。

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可重複使用太空飛行器，成降低成本「新神器」

可重複使用太空飛行器的用途。首先當然是貨運，商業用途。其次，還具有軍事用途，比方說在中低軌道上打擊對方的太空飛行器；對大氣層內的飛行器實施打擊等。

廉價、便捷地往返天地，一直是航天技術發展的目標。經濟才是決定一切的。在這一切的背後的關鍵點就在於如何能以更低的成本進入太空。降低航天運輸費用是航天事業幾代人的夢想，因為只有有了便捷的運輸工具，才能使太空經濟產生效益，而重複使用就是降低成本的關鍵一步。

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美國發展重複使用航天運載器的道路，充滿坎坷。美國宇航局（NASA）先後探索了水平起降的「國家空天飛機（NASP）」、垂直起飛水平降落的「X-33」和「冒險星」，垂直起飛垂直降落的「DC-X 」等，但這些項目無一修成正果。無獨有偶，中國也不例外。1986年，國家考慮制訂航天探索長期計劃，當時論證中出現的計劃草案，最後集中到兩個：一是航天工業部的大型運載火箭計劃，也就是 921載人航天計劃；另外一個航空工業部主張的空天飛機計劃，當時代號就是 869計劃。結果，國家選擇了航天工業系統的方案。869計劃最終下馬。

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空天飛機是一種擁有機翼的太空飛行器，它代表著航天時代永恆的夢想。空天飛機往返太空，像火箭一樣起飛，如飛機一樣降落。空天飛機是可執行航天發射任務，並多次重複使用的新一代天地往返飛行器。從機場水平起飛，在大氣層中加速爬升；到達30至40公裡高度時一二級分離，一級水平著陸返回；二級繼續爬升進入近地軌道，完成運輸任務後再入返回。其具有廉價、安全、便捷、機動等優勢。至於這款飛行器將如何設計，它如何起飛，又如何降落，一切都可以討論。需要的是最具創新性但又具有實用性的方案。

中國正在研製的重複使用運載器兼具太空飛行器和航空飛行器的特點。中國正基於目前的火箭發動機，通過技術改進讓其實現重複使用。中國研發的可重複使用飛行器，未來將把火箭發動機、衝壓發動機、航空發動機等不同動力模式集成起來，作為新型組合動力，實現寬速域、跨空域飛行。2020年左右完成首飛後，還將連續進行數次飛行，驗證其快速再次發射和重複使用能力。

美國國防高級研究計劃局主導的XS-1(試驗性太空飛機，採用垂直發射、水平著陸模式)也計劃在2020年完成飛行試驗，XS-1項目將是美國解決航天運輸領域軍事、民用、商業等多任務問題的綜合試驗方案。因此，可以說，中美兩國的可重複使用運載器研發是「比肩的」。

鸚鵡百科：航天火箭、太空梭與空天飛機的區別

隨著組合動力技術的發展應用，人類將能像乘坐客機航班一樣起飛並擺脫地球束縛，自由穿梭於空天之間；該技術應用於民航領域後，未來，可實現2至3小時全球到達的商業化航班運營。