垂直起飛、水平降落方式（航天飛機）

人類最早的可復用航天器，即美國航天飛機和前蘇聯(lián)暴風雪航天飛機便采用這一方式。但航天飛機的失敗是一味追求先進性、忽視經(jīng)濟性的設計思路而非起降方式本身導致的，比如安全要求極高也極昂貴的載人設計、極為復雜并需要拆解進行維護的分級燃燒氫氧主發(fā)動機、由數(shù)萬片極為脆弱的防熱瓦構成的防熱系統(tǒng)、隱患多多的軌道器偏置設計，昂貴的固體助推器等等。上世紀90年代，NASA的X-33單級入軌航天飛機是再一次的嘗試。雖然解決了航天飛機的諸多缺陷，但NASA偏好新技術的激進策略再次導致了它的失敗。

圖7：航天飛機（圖源：NASA）

圖8：X-33（圖源：NASA）

中國航天科技的火箭動力二級可復用運載系統(tǒng)和美國已經(jīng)取消的XS-1項目有點類似。它們的第一級都采用亞軌道航天飛機，第二級為一次性火箭，實現(xiàn)部分復用。由于大尺寸的第一級升力飛行器不需要入軌，避免了復雜外形飛行器的再入氣動和防熱難題。兩次試驗飛行取得成功，表明主要技術難題已經(jīng)被攻克，項目已經(jīng)取得重大突破。

圖9：XS-1可復用運載器（發(fā)射狀態(tài)）（圖源：NASA）

圖10：XS-1可復用運載器（釋放第二級）（圖源：NASA）

和垂直起降方案相比，垂直起飛水平降落（航天飛機）方式著陸過載更低、著陸機動能力（尤其是側向機動能力）更強、復用次數(shù)更多，更容易實現(xiàn)民航級的航班化運營。

水平起飛、水平降落方式（升級版航天飛機、空天飛機）

水平起降的可復用運載器可能是最理想的航天運載方案。它省去了投資不菲的固定發(fā)射場，獨立性強（對地面依賴少）、靈活性大，是最接近航空運輸?shù)姆绞健２捎梦鼩獍l(fā)動機的話則可大大減少氧化劑的消耗，可以做到極低的成本，也更符合環(huán)保的理念。

不過，采用火箭動力水平起飛的一級飛行器（可看作升級版航天飛機）由于火箭發(fā)動機效率低下，都需要輔助起飛手段，和垂直發(fā)射的航天飛機方案相比優(yōu)勢不大，所以歷史上此類項目最終都無疾而終，比如俄羅斯的MAKS（1988-1991，安225空射）、NASA的X-34（1999-2001，空射）、美國Kellly公司的Astroliner（1996-1998，拖拽起飛）、美國Rocketplane公司的探路者（1996-2001，空中加油）、歐洲航天局的Hopper/鳳凰（1998-2004，滑道加速）等。

采用吸氣式組合發(fā)動機的水平起降空天飛機將是未來中美主攻方向。上世紀90年代，由于技術挑戰(zhàn)太大，美國取消了單級入軌的X-30空天飛機（國家空天飛機，又名東方快車）項目，英國取消了霍托項目。但霍托的發(fā)動機主研人員并未放棄，成立民營的“反應引擎”公司繼續(xù)研制（佩刀發(fā)動機和云霄塔空天飛機），獲得了英國政府的支持，最終美國空軍加入了這個計劃，使得成功概率大為提高。

圖11：云霄塔空天飛機（圖源：Reaction Engine）

圖12（圖源：航天科工）

中國航天科工的“騰云”是我國最引人注矚目的空天飛機項目。它的一級為亞軌道空天飛機，二級為一次性火箭（未來可替換成小型航天飛機）。航天科工已宣布完成沖壓組合發(fā)動機模態(tài)轉換飛行驗證，2025年前完成水平起降（亞軌道）飛行演示驗證，2030年進行入軌飛行。

航天科技西安航天動力研究所研制的組合發(fā)動機也在2020年完成試飛，向集團公司三步走的第三步邁出了一步。兩家公司兩個獨立項目齊頭并進，實現(xiàn)雙保險。中美空天飛機競賽，很可能中國捷足先登。

綜上所述，我國在三種不同技術路徑上都有可觀投入。在垂直起降方式上，美國具備先發(fā)優(yōu)勢。SpaceX在垂直起落火箭上的優(yōu)勢短期內(nèi)隨著星艦的成熟可能還會擴大。必須承認，星艦采用了很多大膽創(chuàng)新的技術，使它可能取得極大的成本優(yōu)勢。除了廣為人知的多機并聯(lián)、不銹鋼艦體、筷子夾箭等外，再舉個不太為人所知的例子：星艦飛船高空再入階段結合了航天飛機的特點，利用翼面升力進行水平滑翔，降低了氣動加熱。我們落后了，但我們沒有放棄，也在努力追趕，縮小差距。由于沒有先發(fā)優(yōu)勢，那么跟隨就不失為一個有效策略。這也是中國民營航天火箭公司的一個機會。貼近需求、大膽創(chuàng)新、成本控制就是他們的優(yōu)勢。我們期待有一天中國的SpaceX能脫穎而出。

然而，在垂直起飛、水平降落方式上，美國已經(jīng)放棄，我們通過兩次升力式亞軌道飛行器的試飛，已經(jīng)遙遙領先。在水平起降方式上，大家都在暗中發(fā)力。騰云可能先于美英合作的云霄塔試飛，但后者的單級入軌更先進，勝負還有待時日。

在中美可復用航天運載器的競賽中，中國能不能后來居上、彎道超車或變道超車？最近這些成功的發(fā)射給了我們極大的信心。給以足夠的時間，也許我們能看到又一次令人驚喜的逆襲。

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