神龍空天飛機重現江湖？速度24馬赫，系列獨創技術領先大洋彼岸

「到2020年中國將會怎樣？」這一問題不僅是過去數十年街頭巷議的熱門話題，更是各領域發展的一個重要時間節點，身處2020年的我們更加感慨「一不小心就見證了歷史」。

2020年航天戰線更是一個超級年，數十年奮鬥都將在今年開花結果：

5月5日，長徵五號B型遙一運載火箭發射升空，意味著我國航天正式邁過20噸級運力門檻，是航天強國的重要標誌；

長徵五號B型遙一運載火箭

5月8日，新一代載人飛船試驗船返回艙成功著陸於東風著陸場，標誌著我國在全球範圍內率先實現21世紀載人登月用途的新一代載人飛船完整構型首飛任務；

7月23日，天問一號飛船由長徵五號遙四運載火箭順利發射升空，該飛船是人類迄今為止向火星一次發射的最大噸位飛船，而且要完成一步實現繞落巡火星的壯舉；

新一代載人飛船（左）與天問一號（右）

7月31日，隨著最後一顆北鬥三號衛星完成在軌測試，我國宣布北鬥三號全球衛星導航系統正式開通……

2020年剛剛過半航天戰線就已經取得上述四大史詩級勝利，然而這還沒有完。本月4日，我國在酒泉衛星發射中心用長徵二號F運載火箭成功發射一型可重複使用的試驗太空飛行器。

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驗證，為和平利用太空（重要的事情說三遍：和平利用太空）提供技術支撐。

長徵二號F型運載火箭（資料圖）

此次發射也是長徵二號F型運載火箭的第14次發射，是該型火箭自神舟十一號飛船任務後時隔近四年後的再次飛天，為明年全面啟動天宮空間站在軌建造提供技術支撐。

國產太空梭緣起載人航天工程

可重複使用的試驗太空飛行器究竟是什麼？為什麼它要用載人專用火箭實施發射任務？不得不說這款太空飛行器與載人航天工程有著千絲萬縷的聯繫。

神舟五號飛船任務

載人航天工程自1992年立項以來就確立了三步走發展規劃，第一步通過神舟一號至五號共五次發射任務掌握載人天地往返能力；第二步通過神舟七號至十一號共五艘神舟飛船以及天宮一號、二號兩座空間實驗室，加上一艘天舟貨運飛船掌握包括航天員出艙行走、空間交會對接、燃料在軌補加、航天員中期駐留等一系列空間站建造的核心技術；第三步就是在軌組裝天宮空間站。

神舟11號空間交會對接

從技術難易程度來看載人航天是當今世界迄今為止最為複雜的航天技術，難就難在「人命關天」四個字上，航天員天地往返的背後是一個航天巨系統。以我國載人航天工程為例，包括了航天員系統、空間應用系統、載人飛船系統、貨運飛船系統、長徵二號F運載火箭系統、長徵七號運載火箭系統、酒泉發射場系統、測控通信系統、空間實驗室系統、著陸場系統。

隨著載人航天工程第三步任務的展開又擴展了長徵五號B運載火箭系統、文昌發射場系統、光學艙系統。

文昌發射場系統

載人航天三步走規劃眾人皆知，然而三步走規劃之外還有一個更高層級的「兩步走規劃」鮮為人知，這還得從載人航天工程立項說起。

我國大科學工程立項之前都會結合各種要素進行充分的科學論證，載人航天工程立項時就出現了前所未有的「大討論」，討論的核心焦點就是天地往返載具的選擇問題。

天地往返運輸載具是載人航天工程的核心技術，20世紀掌握這一技術的玩家有且僅有兩個，進入21世紀後由於太空梭退役大洋彼岸甚至出現了長達9年的載人航天空窗期，而不得不尋求聯盟系列飛船的幫助。

太空梭

天地往返運輸載具可以是載人飛船，也可以是以太空梭為代表的帶翼太空飛行器，當時航天航空系統的分歧是，究竟選擇載人飛船還是太空梭，兩種觀點互不相讓。

1987年4月863—204專家組以招標方式選取了飛船、不帶主動力的小型太空梭、帶主動力的太空梭、兩級火箭飛機和空天飛機五種方案進行深入論證和對比分析。不論是招標方案還是技術分析，主張發展太空梭的立場始終佔據上風，因為帶翼太空飛行器被認為是未來天地往返運輸技術的發展方向。

參與競爭的5套天地往返運輸載具

然而理想主義最終還是要讓位於現實主義，我國在上世紀八九十年代確實具備部分研發太空梭的條件，但並不充分。

太空梭首先要有強大的航天實力，載人級太空梭發射質量必然要比載人飛船大得多，當時長徵二號E運載火箭的10噸級運力顯然不夠。

長徵二號E運載火箭

同時航空技術水平的權重要比載人飛船高得多，跨大氣層飛行需要突破帶翼太空飛行器大馬赫數再入氣動控制、防熱燒蝕等一系列技術難關，而航空工業當時鮮少觸及這一領域，那一時期沈飛還在攻關殲-8Ⅱ，成飛殲-10項目剛剛上馬不久，根本沒有能力勝任這一任務，同時還需要建設高超音速風洞群驗證太空梭的氣動設計。

火箭運力、大馬赫數飛行、風洞……這些技術難關並非無法攻克，但遠水不解近渴，如果當時選擇太空梭方案我國突破載人航天能力起碼要延後十年，甚至是更長時間。

神舟飛船的原始設計方案

載人飛船方案之所以能夠脫穎而出的根本原因在於可以讓我們更早擁有載人航天能力，從1992年立項算起至2003年神舟五號載人飛天，我們只用了不到12年時間就掌握了在當時具有世界先進水平的三艙布局飛船。

之所以能夠多快好省地實現目標，緣於紮實的飛船研製基礎，首先當時我們已經具備10噸級近地軌道發射能力，在長徵二號E型火箭基礎上進行可靠性升級可以很順利地突破載人火箭技術，同時，可以利用多次發射的返回式衛星的返回技術研製載人返回艙。

金牌載人火箭長徵2號F成功率100%

雖然載人飛船方案最終開花結果，但這並不意味著太空梭方案的偃旗息鼓。863-204專家組後來又提交了綜合報告提出三步走規劃之外天地往返運輸系統由初級到高級的兩步走技術路徑，即第—步，以較少的經費和較短的周期研製出初期的天地往返運輸系統—神舟載人飛船；第二步，研製先進且經濟的天地往返運輸系統—兩級水平起降的空天飛機。

在載人飛船與太空梭之爭中為前者投出關鍵一票的航天之父錢學森後來也在給黃志澄的信中指出，「21世紀的中國人一定要在空天飛機上顯一顯身手，一件國家大事」。

方案五夢想照進現實

終極目標：「兩級水平起降的空天飛機」

太空梭與空天飛機都可以稱為「帶翼太空飛行器」，太空梭的飛行特性是垂直起飛/水平降落，能在太空空間進行軌道飛行，在大氣層內無動力滑翔飛行。例如，大洋彼岸的太空梭、X-37B，空天飛機是指具備水平起降能力，能在大氣層內外空間進行飛行，目前人類尚沒有攻克這一技術。

太空梭與空天飛機都有一個終極目的就是實現天地往返運輸系統的重複使用，以降低成本。空天飛機可以視為基於太空梭技術的跨代裝備，具有一系列技術優勢：

1.空天飛機無需攜帶大量氧化劑，組合動力發動機可以汲取大氣層中的氧氣進而燃燒做功，起飛質量比太空梭小得多，同時運作效率更高；

空天飛機起飛級

2.空天飛機可以實現完全的重複使用，太空梭相較而言劣勢明顯；

3.空天飛機能夠在普通機場跑道滑跑起飛，無需依託發射塔架設施，更加機動靈活，太空梭則相反。

空天飛機起飛級入軌級均可重複使用

人們對事物的發展認識從來不是一成不變，而是不斷學習提高的一個過程。例如，載人航天工程三步走規劃中的第三步最初只是計劃發展一種20噸級的天宮空間站，只有一個核心艙與兩個對接口對接載人飛船與貨運飛船，然而隨著綜合國力的迅猛增強當初20噸級的小蝸居已經演變成了百噸級豪華大三居，配置有一個核心艙、兩個實驗艙外加桁架式柔性砷化鎵太陽翼，綜合技術水平反超國際空間站。

天宮空間站技術水平反超國際空間站

載人航天工程經過二十餘年發展已經積累了相當雄厚的技術實力，同時得益於國防應用需求刺激，我們已經完全具備研髮帶翼太空飛行器的技術實力，許多當年不敢想不敢做的事情如今都可以大膽放手去做。

可重複使用的試驗太空飛行器對於外界而言又是一個「技術奇襲」，放眼全球擁有此種太空飛行器的玩家有且僅有兩個，一個是我們，另一個就是大洋彼岸的X-37B，然而看似迅雷不及掩耳之勢的背後仍然是紮實的積累。

X-37B

首先要明白研製可重複使用試驗太空飛行器的終極目標是「兩級水平起降的空天飛機」，後者起飛級動力是組合動力發動機，起飛時依靠渦噴發動機，進入高空進行高超音速飛行時改換超燃衝壓發動機模式，進入臨近空間後入軌二級與一級分離，隨後入軌二級啟動火箭發動機進入軌道空間，這裡的入軌二級就是一款帶翼軌道器。

兩級入軌空天飛機

太空梭帶翼軌道器與空天飛機二級軌道器是同一類產品，因此在發展空天飛機之前必須先攻克帶翼軌道器的研製，酒泉衛星發射中心此次發射的可重複使用試驗太空飛行器就是帶翼軌道器，在完成軌道測試任務後它可以再入大氣後滑翔返場降落於機場跑道，不用再像此前神舟飛船返回艙那樣需要一支專門隊伍在茫茫戈壁上搜尋。

技術成體系突破加速太空梭「白菜化」

21世紀第一個十年期間曾經有一張轟-6轟炸機掛飛代號「神龍」飛行器的照片廣為流傳，當時不少人認為它就是一款空天飛機，實際上這款飛行器只能起到大氣層內的動力測試作用。

神龍驗證飛行器

大約在十年前陝西衛視又石破天驚地報導了我國跨大氣層飛行器試飛成功的消息，此次試飛是亞軌道飛行還不是正式的軌道飛行，真正的軌道飛行就是此次發射的可重複使用試驗太空飛行器。

跨大氣層飛行器試飛成功

帶翼太空飛行器研製的難點有三個，一個是在軌長期運行管控能力，首先要有充沛的電力供應，以大洋彼岸的X-37B太空梭為例其機身中部為可展開的貨倉，貨倉裡有可呈扇形展開的太陽翼。

這一技術對我們而言不存在任何瓶頸，而且基於柔性砷化鎵太陽翼技術，我們的光電轉化效率更高。

在軌管控還包括姿態控制能力，X-37B機身周遭遍布有多部可重複啟動上千次的姿控發動機，我國今年上半年發射的新一代載人飛船返回艙應用的世界最大推力的無毒無汙染高可靠性的雙組元發動機更是具有跨代領先優勢，同樣可以應用於可重複使用試驗太空飛行器。

新一代載人飛船雙組元姿控發動機

服務載人登月任務的新一代載人飛船試驗船還驗證了高度自主化的GNC系統，它可以自主測定軌道進行機動，而無需地面測控站幹預，因此可以預見可重複使用試驗太空飛行器在軌性能將全面優於X-37B。

第二個難點就是再入大氣層，與巔峰高地此前分析DF-26再入大氣層一樣，帶翼太空飛行器再入大氣的熱控環境更加複雜，不同於雙錐體構型的DF-26，呈飛機形態的帶翼太空飛行器熱力聚集效應更加明顯，機頭與機翼前端將承受最強熱流燒蝕。

再入大氣層熱流燒蝕

根據十年前的報導披露，我國帶翼太空飛行器應用了陶瓷基複合材料，而經過十年發展我們的選擇更多，湖南中南大學耐受三千攝氏度高溫燒蝕的金屬基耐燒蝕材料、新一代載人飛船試驗船返回艙使用的多款輕質低燒蝕防熱材料都可以勝任。

可重複使用試驗太空飛行器再入大氣減速不同於載人飛船返回艙基於氣動減速與減速傘減速，前者只有氣動減速，其再入速度高達24馬赫，需要高超音速風洞進行充分的吹風測試，以驗證其設計可靠性，我國在西南地區早在十年前就建成的亞洲最大世界先進的風洞群將對此項工作提供支持。

國產高能脈衝風洞

第三個難點是高速自主返場降落，帶翼太空飛行器著陸需要有極高的落點精度，因為它的著陸點是僅有數十米寬度的機場跑道，保證高精度返場降落有兩個手段，首先是再入大氣的初始軌道精度保證，再就是太空飛行器基於機翼與自主控制系統的落點精度修正。

今年上半年完成首飛任務返場著陸於東風著陸場的新一代載人飛船試驗船返回艙就實現了10.8環的高精度落點成績，這主要得益於新飛船上裝備了「全數字全係數自適應預測校正制導系統」，這套系統是完全迥異於國內外其他方法的獨創技術，它的智能化程度更高，能夠靈活應對複雜多變的飛行環境，控制更平穩、精度也更高。

新一代載人飛船打出10.8環落點精度成績

具體方法是實時預報返回艙軌跡誤差，進而根據誤差調整飛行軌跡，大家想像一下連沒有機翼的返回艙都能夠實現10.8環落點精度，對於控制能力更強的帶翼太空飛行器應用這項技術後將會怎樣？這是完全可以預見的。

實際上早在十年前跨大氣層飛行器進行亞軌道飛行時我們就已經突破了自主返場降落技術，基於這一技術又衍生發展了為反艦快遞指示海上目標的無偵-8高超音速火箭動力無人機。

無偵-8

悶聲發大財是航天系統的習慣，悄無聲息地就攻克了令各國羨豔的太空梭技術，而可重複使用試驗太空飛行器僅僅是一個開局，「白菜化」才是我們的最終目標。

目前已知的帶翼太空飛行器就有三款，分別是中航成飛的跨大氣層飛行器、航天科技一院的火箭客機、航天科工集團的騰雲空天飛機，看似俗氣的「白菜化」背後實則是技術發展的普遍規律。未來基於空天飛機技術研製的軌道客機將進一步提高人類交通效率，加速全球化整合，而我們必將成為技術的引領者、規則的制定者、全球的主導者。