從長徵2F發射試驗型重複使用飛行器看我國的空天飛機計劃

2020年9月4日，我國使用長徵2F火箭從酒泉衛星發射基地成功發射了一艘可重複使用試驗太空飛行器

據新華社和《人民日報》等媒體報導：

我國在9月4日（星期五）從酒泉衛星發射中心，利用長徵二號F運載火箭，成功發射了一型可重複使用的試驗太空飛行器。

該試驗太空飛行器將在軌運行一段時間後，返回國內預定著陸場，期間，將按計劃開展可重複使用技術的驗證，為和平利用太空提供技術支撐。

這是長徵二號F運載火箭第14次執行發射任務。

這一新聞可以說是近年來飛速發展，捷報頻傳的中國航空工業在疫情之年的又一重大成果。筆者認為其意義絕不亞於前些日子發射上天的火星探測器「天問一號」。新的可重複太空飛行器填補了我國在航天領域的一大空白，一旦試驗成功，必將大大加強我國在近地軌道開發利用太空資產的能力。

基於目前的公開新聞，我們還不知道這一可重複使用太空飛行器的外觀和技術細節。但是筆者希望通過已有的信息對其進行一個「特徵測繪」，同時聊一聊該太空飛行器的未來功用。

有許多謠言稱本次測試涉及一種新型的空天飛機——一種可以利用其機翼和機體產生升力的飛行器設計。它既可以像傳統飛機一樣在地球大氣層內滑翔，也可以像太空飛行器一樣在太空中機動。除了可重複使用外，空天飛機的其他主要優勢還包括減少發射之間的恢復時間，能夠配置成攜帶更廣泛的有效載荷進入太空在返回地面的能力，以及執行其他各種專業任務。儘管很多人可能認為其可重複利用的特性具有降低空間發射成本的潛力，但實際上並沒有足夠的數據加以證明。

完成第五次飛行任務在2019年12月返回愛德華茲空軍基地的美國X-37B飛行器

稀星天外認為長徵二號F發射的新型太空飛行器應該和在美國波音公司的X-37B或歐洲航天局計劃中的「太空騎手」相類似。作為美國最神秘的X-37B太空飛行器剛於2020年5月17日開始其第六次飛行任務，由「大力神V」號火箭從位於佛羅裡達州卡納維拉爾角的第41號發射臺發射上天。目前所知，本次飛行中的一個科研項目是進行美國海軍實驗室的遠程能量傳輸試驗，通過微波從太空向地面目標傳輸能量。今後有空，稀星天外將給大家具體介紹一下這個項目。

X-37B的運行方式和微型太空梭一樣（載貨空間和一輛皮卡的車廂大小類似），通過傳統火箭上垂直發射升空。然後，在完成任務後自行返回大氣層，最終水平降落在地面機場。該項目運行之初由DAPRA負責，後來移交給美國空軍，現在又轉歸新成立的美國天軍。目前共有兩架X-37B飛行器，完成了五次飛行任務，連續創下了連續在軌的時間記錄，但是官方對其實際飛行任務的解釋簡直是鳳毛麟角。顯然，該太空飛行器具有空中變軌能力，以致各國航天愛好者直到去年才短暫捕捉到了它的軌道和在軌圖像。

儘管，官方新聞宣傳表明了我國一貫的和平利用太空觀點。因此我國的空天飛機可能被廣泛用於各種太空實驗或其他降低風險的工作。 但是，其具備的攜帶通用載荷能力對於軍事應用潛力是不言而喻的。這不僅僅指可能會攜帶可以進行太空偵察的有效載荷，也包括一系列進攻性太空任務，如：幹擾或阻塞敵方衛星，釋放可能干擾或損壞其他衛星的微型衛星等等。

美國國防情報局在2019年的一張PPT中顯示了一系列衛星相互攻擊的方式

這些任務中的許多任務都可以通過可回收的太空飛行器來完成。而這些太空飛行器的實現在技術上沒有那麼大的挑戰。然而，到目前為止，我們仍然沒有看到和這一新型太空飛行器的官方細節。甚至有報導稱，在發射之前，航天中心周圍已建立了額外的安全保護措施，以防止社交媒體上出現不必要的圖像「洩漏」。但有消息稱酒泉的發射塔在這次發射之前進行了重大改造。這可能是因為最新任務所涉及的有效載荷比長徵二號F之前運載的貨物尺寸更大。

本次發射的長徵2F火箭的整流罩，明顯比之前要大，說明可重複使用太空飛行器的尺寸比神舟飛船來的更大

長徵二號F於1999年進行了首次發射。它之前的任務包括了載人和不載人的神舟飛船發射任務，還運送了兩個天宮太空實驗室。 據認為，該火箭的低地球軌道運載能力約為8.4噸，比美國空軍官宣布的X-37B五噸的發射重量要大。

2012年運載神舟9號前往發射臺的長徵2F火箭

早在2017年，中國航天科技集團（CASC）提出了一個雄心勃勃的計劃，以發射可重複使用的航天飛行器。當時新華社的一篇報導援引中國航天研究中心研究員陳洪波的話說，該太空飛行器「將像飛機一樣飛向天空」，暗示該太空飛行器具有水平起飛的能力，而不是使用傳統火箭垂直發射升空。

我國空天飛機概念的計算機模擬表面溫度圖，該飛行器外形和美國冷戰時期的X-20有些相似

媒體提供的關於空天飛機的早期細節表明，這是一種非常宏偉的設計，能夠在將太空人或有效載荷送入地球，然後再帶回地球。 昨天發射的太空飛行器可能是該計劃的一架技術演示機，或者是在不需要運載火箭或其他油箱和助推器的單級入軌太空梭問世之前一種更現實的臨時運載工具。

事實上，我國的空天飛機設計啟動於上世紀80年代，和美國、歐洲、蘇聯/俄羅斯等國的開發工作同步進行。到90年代初，由於技術方面的挑戰，我國似乎和其他國家一樣擱置了空天飛機計劃，而將精力集中在更容易實現也更傳統的神舟飛船上。

我國的兩級入軌空中發射系統概念圖，下方是高速飛行母機，背部有一架和X-37B類似的軌道飛行器

我國對可重複使用的空天飛機的興趣在本世紀第一個十年的中期重新燃起，以期降低將有效載荷送入軌道的運輸成本。我國目前設計了一個由易到難，逐步發展的「三步走」計劃：

1. 垂直發射入軌，水平著陸飛行器
2. 兩級水平起飛入軌，水平著陸飛行器
3. 單級水平起飛入軌，水平著陸的空天飛機。

同時，中國還在研究「神龍」空天飛機演示器，該飛行器的照片在2007年12月首次曝光，顯示它被掛在一架轟-6K轟炸機機腹攜帶。它可能在2010年和2011年進行了大氣和亞軌道飛行試驗，但是具體情況卻知之甚少。

央視紀錄片中，轟-6H轟炸機釋放「神龍」空間飛行器的計算機建模的截屏

「神龍」空天飛機的第一張照片，被掛載在一架轟-6轟炸機的機腹下方

顯然，我國的空天飛機發展並不局限於一種，也不局限於科學研究。至少有一些項目具有明確的民用用途，譬如說面向蓬勃發展的太空旅遊業發展。中國運載火箭技術研究院（CALT）就提出過一種擁有20個座位的全自動亞軌道空天飛機方案。該方案最早發布於2016年，CALT團隊曾期望他們的空天飛機能在2020年開始無人飛行測試。 但是，亞軌道太空飛行器的飛行時間很短，昨天的發射顯然與此無關。

中國運載火箭技術研究院的亞軌道觀光飛行器

中國運載火箭技術研究院的亞軌道觀光飛行器的飛行軌跡，這應該是一個幾小時的飛行

去年，我們還看到中國航空航天動力研究院（CAAA）揭示了從運載母機背上發射的所謂兩級入軌空天飛機模型的風洞測試圖像。在這個概念中，太空飛行器起飛階段的第一級不是垂直發射的火箭，而是使用超燃衝壓發動機驅動在高空高速飛行的母機將其搭載在機身背部。然後，該空天飛機將點燃自己的火箭發動機在此高度將自己送入軌道。

中國航空航天動力研究院發布的一個兩級入軌空中發射系統的風洞模型

不管怎樣，昨天的發射表明我國正在尋求大力發展可重複使用空間發射系統的構想，以進一步發展自己的太空技術。該可重複使用太空飛行器可能是朝著實現這一目標邁出的重要一步，它可以提供一種高度靈活和可重複使用的「太空卡車」，以便在相對較短的時間內完成各種各樣的任務。