詳解美國「試驗性空天飛機」 項目，太空飛行器不再是一次性用品

自從社會進入航天時代以來，價格高昂卻一次性的空間運輸始終制約著航天事業的發展，人們對於可重複使用且成本可控的運載器的追求一直持續。早在1960年代，以美國為代表的航天強國就開始探索可重複使用的運載器，先後開展了太空梭、國家空天飛機計劃（NASP）、可重複使用助推器系統（RBS）等項目，然而由於成本、安全性等原因，這些項目相繼夭折。2013年，美國「不忘初心」，又推出了試驗性太空飛機項目，繼續低成本空間運輸研究。

背景

全球主要衛星運載火箭價格

試驗性太空飛機項目的直接背景是近年來的衛星發射成本困境。目前全球主要衛星運載火箭價格如上圖所示。美國長期以來主要使用的是演進式消耗性運載火箭EELV（現改名為國家安全空間發射NSSL）中的Atlas V和Delta IV火箭，它們高度可靠卻又非常昂貴。SpaceX公司雖然已經可以提供中型的Falcon 9火箭且每次發射的費用僅為5600萬美元，但該火箭尚未獲得運載國防承包商的有效載荷的資格。重型獵鷹2018年剛剛首飛成功，距離開始降低發射成本還需要幾年的時間。

而且，伴隨著發射成本的上升，衛星的設計、製造技術的進步也導致了可更長時間工作的、更昂貴衛星的出現。長時間工作的衛星導致廠商無法攤薄成本，再次推高了發射成本。以GPS衛星為例，目前將單個GPS太空飛行器送入軌道的成本為8億美元，其中衛星2.5億美元，發射3億美元。

衛星發射成本增長螺旋

試驗性太空飛機項目的另一個動因是近年來快速發展的反衛星武器。近年來，隨著軍事技術的發展和擴散，太空逐漸向軍事化方向發展。衛星作為美國軍事體系的重要一環，美軍對於戰時衛星的快速補充需求強烈。傳統發射周期漫長的空間運載方式難以滿足需求。

項目規劃

2013年DARPA作戰技術辦公室（TTO） 在美國航空航天協會2013年航天大會上首次宣布了「試驗性空天飛機」 （代號XS-1）的項目。XS-1設計目標如下圖所示，綜合而言， DARPA制定以下目標是為了發展快速航天發射能力，能夠快速發射、回收、組裝，從而建立一種新型的例行性航天發射模式。

XS-1設計目標

XS-1計劃不是傳統的自上而下的計劃，相反，DARPA希望美國工業界能就如何滿足其想要滿足的成本、有效載荷和運營要求提出最佳建議。項目規劃時考慮過多種推進、發射、回收設計方案。

多種設計方案

在應用方面，DARPA認為XS-1除了作為廉價空間運輸工具以外還可成為高超音速研究測試平臺和空間情報監視、偵察平臺。

XS-1應用規劃

DARPA對XS-1項目制定了「三步走」實施方案，具體情況如下圖所示：

第一階段

2014年，DARPA籤發了3份XS-1項目第一階段初步方案論證合同。除波音公司和與其合作的藍色起源公司（後改為Aerojet Rocketdyne公司）外，另兩份合同籤發給了馬斯騰空間系統公司和與其合作的XCOR宇航公司、諾斯羅普格魯曼公司和與其合作的維珍銀河公司。各公司針對合同要求，分別提出了各自的設計方案，如下圖所示：

各公司設計方案

在檢查了所有三個團隊的第一階段提交的資料之後，DARPA對波音公司的產品印象深刻，這架被稱為「幻影快車」的太空梭最終使馬斯騰空間系統公司和諾斯羅普格魯曼公司的團隊退出了競爭。DARPA在2016年4月發布了第二和第三階段招標文件，波音公司於2017年5月獲得了XS-1項目第二和第三階段合同。

波音公司獲勝合同，主要有以下原因：首先，波音公司有研製太空梭的經驗。波音鬼怪工程公司研製的X-37B小型無人太空梭，已經成功在軌飛行了多次。其次，DARPA相信波音在「空中發射輔助太空進入」(ALASA)項目下開發的自主飛行中止系統和相關自主飛行技術能用到XS-1上。最後，波音公司有強大的經濟實力。此次合同所獲的1.46億美元，顯然對於完成這個項目來說遠遠不夠。因此合同規定項目按公私合營方式出資，即波音公司也要承擔項目部分費用，估計其份額很高。

波音的「幻影快車」（XS-1）設計性能參數如下表所示，它既不是傳統飛機，也不是常規運載工具，而是兩者的結合。

「幻影快車」（XS-1）主要性能參數

在氣動布局方面，XS-1採用的是「混合機體」設計，鈍頭錐外形機體與細長的邊條翼、切尖三角翼的組合使其既能承受再入氣動加熱，又能提供水平著陸所需的足夠升力。為了提高升力，其機腹設計接近於一塊平板，機身兩邊向後也以一定曲率延展成豐滿橫向剖面，整個機體形成了類似機翼一樣的半升力體結構。這樣不但能提高再入後的升力還能減少機翼面積或降低翼載，從而可以實現更高的再入大氣層後機動性能和續航性能。

在XS-1的機翼後緣，設計有全翼展的襟副翼，用於再入大氣層階段對飛機的機動控制。與X-37B不同，為了在機背安裝不可重用上面級，XS-1取消了雙垂尾，機翼的展弦比也更大，而且加裝了翼梢小翼，翼梢小翼後緣有控制舵面，其作用相當於小型垂尾。

XS-1氣動布局

在動力方面，XS-1採用Aerojet Rocketdyne公司研製的AR-22發動機，它是一款分級燃燒發動機，具有兩個獨立的預燃器，可驅動獨立的高壓渦輪泵，將從獨立的低壓渦輪泵接收的液態氧氧化劑和液態氫燃料輸送到主燃燒室。該發動機實際上是太空梭主發動機RS-25的改型，不過改動較少，僅採用了新飛控計算機系統，由早期RS-25版本中遺留的零件改裝而成。該發動機能夠產生約170097千克的推力，設計可執行55次飛行任務，每10次任務維護一次。

RS-25

XS-1不可重用上面級（包含有效載荷）計劃使用的是AJ26（即俄羅斯NK33）發動機。AJ26發動機實際上是俄羅斯NK-33發動機，NK-33是蘇聯60年末70年代初設計製造的火箭發動機，用於登月火箭N-1，其單臺海平面推力達到了154噸，比衝297（秒），真空推力167噸，比衝331（秒）。NK-33的推重比是當前發動機領域最高的，同時其比衝也達到了很高的數值。Aerojet公司對發動機進行了改裝，以使其與美國系統兼容，主要表現在它的噴嘴較長，在高空空氣稀薄的環境下工作效率較高，其生的推力和比衝更大。

XS-1其他技術方案還包括：採用先進輕質複合材料低溫油箱來儲存液氫和液氧；採用複合材料和金屬混合的機翼和控制舵面選材方案；採用DARPA此前在ALASA項目中研發的自動飛行終止和自主飛行及操縱技術；採用「易於訪問的子系統組件」以方便工程師可以快速取出這些組件並進行維護和修理等。

後續階段

按照原計劃，XS-1項目第二階段要在2019年前完成技術驗證機的設計、試製和測試，其發動機將在地面完成10天開車10次的測試，以為飛行試驗做好準備。項目第三階段預計將在2020年完成10-15次飛行試驗。在進行了充分的風險降低測試之後，XS-1最終將在10天時間內連續完成10次試飛，其中開始幾次不會攜帶軌道載荷，且速度控制在5馬赫以上，隨後將嘗試把速度提高到10馬赫以上，並最終將900-3000磅軌道載荷送入低地球軌道。

2018年6月，Aerojet Rocketdyne公司完成了其為XS-1製造的首臺AR-22火箭發動機的組裝，並於同年夏末開始在斯滕尼斯工廠對發動機開始了一系列的日常點火試驗，以證明其有能力支持「幻影快車」預想的高飛行頻率。

2018年7月，Aerojet Rocketdyne公司、波音公司和DARPA宣布已成功完成10天內對AR-22進行10次100秒的點火的測試，其中第十次測試還提前了68分鐘。Aerojet Rocketdyne公司認為這表明該發動機能夠完成快速轉向，並為用於驗證響應發射能力的亞軌道太空飛行器提供所需動力。波音工程發射總監表示，這些測試對「幻影快車」在24小時內重新啟動並再次發射意義重大。他特別提到了在發射之間減少發動機乾燥時間方面做出的努力，並認為這是實現太空飛行器轉變的最大一步。

AR-22測試

2018年11月，波音公司宣布已經完成了液氧燃料箱的研製，並已開始生產液氫燃料箱。波音公司透露，通過應用在波音B787客機項目和NASA複合材料低溫油箱技術及驗證（CCTD）項目中攻克的先進鋪絲技術，波音公司也完成了XS-1的液氧油箱的製造，整個油箱比傳統採用鋁鋰合金材料的低溫油箱減重了幾乎40%。這本來也是這種新材料油箱首次用於航天飛行。

波音公司採用先進技術製造的複合材料油箱，比鋁鋰合金材料減重40%

2020年1月22日，波音公司突然宣布即刻退出XS-1項目。2020年1月24日，DARPA也宣布終止XS-1項目。至此，該項目夭折。

截至目前，波音和DARPA均未給出退出和終止項目的原因。有推測稱，波音公司的財務困境是其中的一部分。另外可重複使用的太空梭在努力實現其有效載荷/成本/快速重用目標方面可能還會遇到一些技術問題。例如，XS-1可能太重（機翼結構和相關的熱保護系統往往很重且複雜）、搭載效率太低（採用垂直發射，相對滑跑起飛消耗巨大）、並且難以集成等。

儘管XS-1項目遭到終止，但項目中仍然取得了不少成果，未來可能通過別的方式繼續延續。例如，通過XS-1項目，DARPA發現憑藉現有技術就能支撐達成XS-1項目目標的液體火箭發動機推進系統，這種推進系統仍然具有發展前景，未來DAPRA可能還會繼續通過其他項目來支持其後續發展。

隨著人類社會、技術、經濟的發展，宇宙空間的重要性日益提升，宇宙逐漸成為各國競相開發的新大陸、新邊疆。我國作為後發國家，為更好的、低成本的開發宇宙，研究、思考美國重複使用航天運輸系統的發展道路及其經驗教訓意義重大。