重複使用航天運輸系統發展與展望

隨著近年來航天運輸領域的快速發展，「重複使用」概念越來越受到重視。重複使用航天運輸系統是可多次往返於地面與空間軌道、多次重複使用的航天運輸系統，具有「自由進出空間、按需返回地面、多次可重複使用」的典型特徵，是降低航天運輸成本、提高安全可靠性的理想運輸工具。從技術發展規律看，航天運輸系統從一次性使用向重複使用發展也是技術發展的必然趨勢。因此發展技術性能更先進、能重複使用的航天運輸系統對於滿足中國未來空間開發和降低發射成本等需求具有重要的意義。

20世紀60年代以來，以美國為代表的世界航天強國分別開展了重複使用航天運輸系統的研究與探索，研發了以太空梭為代表的一系列重複使用運載器，對運載火箭重複使用、帶翼返回重複使用運載器及軌道轉移飛行器等多種技術途徑投入了大量的資金與人力。太空梭的退役，代表著第一個重複使用航天運輸時代的終結，繼而，X-37B的成功掀開了重複使用航天運輸系統發展歷史上的新一頁。從重複使用道路的艱辛與曲折可以看出，一味追求技術先進只能導致風險過高而失敗，重複使用航天運輸系統的發展道路應該充分吸取半個世紀以來的經驗教訓，以中國現有的技術基礎為根本出發點，分階段、分步驟，循序漸進向前推進，探索出適合中國具體國情的航天運輸向重複使用方向發展的特色之路。

重複使用航天運輸系統的典型分類方式主要為3種：第一，按系統的級數分類，包括多級入軌重複使用運載器和單級入軌重複使用運載器；第二，按起降方式分類，包括垂直起飛水平著陸重複使用運載器、垂直起降重複使用運載器和水平起降重複使用運載器；第三，按所採用的動力形式分類，包括火箭動力重複使用運載器和組合動力重複使用運載器。

總體來看，重複使用航天運輸系統主要按照傳統運載火箭構型重複使用火箭、升力式火箭動力重複使用運載器及組合動力重複使用運載器3條技術路徑同步開展研究（圖1）。

圖1 重複使用航天運輸系統3條技術途徑

國外發展情況與趨勢分析

20世紀50、60年代，首次出現重複使用概念後，美國先後實施了X-15和X-20發展計劃，研究成果為美研製太空梭提供了有益的經驗；1981年，太空梭首飛，第一次實現了運載器的部分重複使用，多次飛行試驗成功後太空梭實現「實用化」，與此同時，美國太空梭無法滿足人們在項目早期賦予它的種種期待，美國期待發展一種新的運載器以替代太空梭。在此背景下，國家空天飛機計劃項目（NASP）、「冒險星/X-33」項目等新一代運載器項目應運而生，且選擇了「單級入軌」可重複使用設計，但先後都因技術瓶頸、經費超支、進展滯後而被取消。

進入21世紀，美國轉入多級入軌、部分重複使用運載器研究，由國家航空航天局（NASA）主導轉由美國空軍獨立發展可重複使用軍用空間飛機（MSP）系統，執行進入空間和空間作戰任務。在MSP系統頂層規划下，美國先後成功完成了空間機動飛行器（SMV）技術驗證機X-37B的4次飛行試驗，驗證了長期在軌飛行、大範圍軌道機動、重複使用軌道再入等關鍵技術；2013年提出了火箭動力、垂直起飛、水平著陸的亞軌道運輸飛行器（SOV）技術驗證機XS-1計劃，預計2020年首飛。X-37B和XS-1將形成MSP系統的雛形。此外，美國私營公司積極探索了垂直起降重複使用運載火箭之路，其中SpaceX公司的獵鷹9火箭一子級垂直回收已常態化。

歐洲、俄羅斯、印度、日本等國家或地區也在積極開展重複使用運載器的基礎技術研究和驗證工作，他們採取的普遍做法是近期發展效費比高的火箭動力兩級入軌重複使用運載器，同時探索未來的單級入軌運載器技術。為此，正在研究利用火箭發動機發展重複使用運載器基礎級以及開展軌道再入飛行試驗驗證。例如，印度在2016年5月成功發射了重複使用運載器技術驗證機（RLV-TD）。這些國家還在開展吸氣式發動機的探索研究和原理試驗工作，如美國的渦輪基組合循環動力（TBCC）和英國的佩刀發動機（SABRE）。

國外發展情況

傳統運載火箭構型重複使用火箭

國外發展最為成功的是美國SpaceX公司的獵鷹-9運載火箭。自2011年開始，SpaceX公司開始發展運載火箭垂直回收與重複使用技術，截至目前，獵鷹-9運載火箭已經成功實現了15枚火箭一子級回收、2枚火箭再次發射重複使用。獵鷹-9運載火箭如圖2所示，其一子級採用了9台Merlin-1D液氧煤油發動機，以實現垂直返回。運載火箭一子級的長度為48 m，不包含著陸支撐裝置的結構係數為4.5%；運載火箭二子級長度為22 m，結構係數為6%。SpaceX公司通過獵鷹-9運載火箭的多次回收試驗的探索，驗證了垂直起降相關關鍵技術，同時利用回收火箭再次進行發射，進一步降低了發射成本，在國際商業發射市場上獲得了應用。

圖2 獵鷹-9運載火箭

升力式火箭動力重複使用運載器

2003年，美國出台「空軍轉型飛行計劃」，明確提出發展軍用空間飛機（MSP）系統，其中亞軌道空間運輸飛行器（SOV）與空間機動飛行器（SMV）是其重要的組成部分（圖3）。

圖3 軍用空間飛機（MSP）系統

1）亞軌道空間運輸飛行器（SOV）技術驗證機——試驗性太空飛機（XS-1）。

美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）於2013年提出試驗性太空飛行器（XS-1）項目。XS-1是美國空軍軍用空間飛機系統（MSP）的亞軌道運輸飛行器（SOV）技術驗證機，旨在驗證快速響應、廉價進入空間的相關核心技術（圖4）。其主要技術指標包括：10天10次飛行、最大飛行速度Ma10（即10倍的聲速）；單次任務500萬美元；擬構建多任務載荷高峰發射能力。2017年5月24日，DARPA宣布選定波音公司作為主承包商。目前，該項目處於第二階段，計劃在2019年完成技術驗證機研製、地面試驗；第三階段在2020年完成12~15次飛行試驗。

圖4 XS-1概念圖

2）空間機動飛行器（SMV）技術驗證機——X-37B。

X-37B是美國空軍軍用空間飛機系統（MSP）的空間機動飛行器（SMV）技術驗證機，可往返於空間與地面，無人駕駛、重複使用，能夠自主離軌再入、水平著陸於機場跑道並自主滑停。X-37B飛行器長約8.9 m，翼展約4.57 m，上行有效載荷為227~454 kg（圖5）。目前，X-37B已完成4次飛行試驗，最長在軌時間717天。

圖5 X-37B外形示意

組合動力重複使用運載器

國外針對組合動力重複使用運載器開展了多種方案研究，包括國家空天飛機、X-43A、X-51A、SR-72、「雲霄塔」等。

1）國家空天飛機計劃（NASP）。

國家空天飛機計劃（NASP）是一項以研製X-30驗證機為目標的組合動力單級入軌飛行器發展計劃，如圖6所示。由於當時試驗手段、衝壓發動機技術等尚不成熟，1995年，歷時9年的NASP計劃被迫終止。其發動機主要有4個工作模態：Ma0~3，以由火箭+渦輪發動機組合而成的低速系統工作；Ma3~6，以亞燃衝壓模態工作；Ma6~8，以超燃衝壓模態工作；Ma8以上，以火箭發動機工作。

圖6 國家空天飛機計劃示意

2）超燃衝壓發動機技術驗證計劃（X-43A、X-51A）。

NASP計劃終止後，為彌補超燃衝壓發動機技術短板，美國相繼開展了X-43A、X-51A等計劃（圖7），分別實現了Ma7~10氫燃料、Ma5.1碳氫燃料超燃衝壓發動機的有動力飛行，之後確定了高超聲速導彈、高超聲速飛機、空天飛行器三步走技術路線。

圖7 X-43A和X-51A示意

3）TBCC組合動力巡航飛機計劃（SR-72）。

2013年，洛克希德·馬丁空間系統公司（Lockheed Martin Space Systems Company，LMT）開始SR-72高超聲速飛機研究。SR-72是一種以渦輪基組合循環發動機（TBCC）為動力、設計巡航速度Ma6、飛行高度30 km內的高超聲速飛行器，可以在短時間內快速抵達全球任意空域，執行情報、監視、偵察和打擊任務。SR-72的縮比尺寸驗證機於2018年開始工程研製，而SR-72高超聲速飛行器有望在2030年服役。圖8為SR-72高速超聲速飛行器示意圖。

圖8 SR-72示意

4）單級入軌空天飛行器（「雲霄塔」SKYLON）。

「雲霄塔」（SKYLON）是英國噴氣發動機有限公司（Reaction Engines Limit，REL）於1994年提出的一種水平起降、單級入軌空天飛行器，目前已取得預冷器技術突破，證明發動機原理可行。計劃2019年開展動力驗證飛行器的地面靜態試驗和飛行試驗。雲霄塔飛行器如圖9所示，機體長約85 m，翼展約25 m，對稱安裝2台「佩刀」發動機（SABRE），起飛質量為325 t，低地球軌道（LEO）運載能力為15 t/300 km。

圖9 「雲霄塔」飛行器示意

2015年4月，美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）確認了「佩刀」發動機的技術可行性，但同時認為，基於「佩刀」發動機的「雲霄塔」水平起降單級入軌飛行器在短期內仍存在較大技術風險，宜作為更遠期的發展目標。因此美國空軍研究實驗室與美國SEI公司（Safety Equipment Institute Inc）合作，開始著手研究兩級入軌等風險更低、周期更短的「佩刀」發動機應用方案。2016年9月，美國空軍研究實驗室在美國航空航天學會（AIAA）會議上公布了基於「佩刀」發動機的兩級入軌應用方案，該方案提出將「佩刀」發動機應用於兩級入軌的第一級，降低了「佩刀」發動機的使用要求，由單級入軌轉到兩級入軌更有利於實現工程應用。

國外發展趨勢分析

歸納國外重複使用技術，具有以下發展趨勢。

1）重複使用運載器近期重點聚焦兩級入軌方案，同時開展單級入軌方案探索。

2）火箭動力是發展重複使用運載器的首選推進方式，已進入系統級集成演示驗證階段。

3）組合動力重複使用運載器處於概念研究階段，首先需要突破吸氣式組合動力技術。

4）重複使用運載器方案主流採用升力式水平著陸，垂直起降方式是商業化模式之一。

中國重複使用技術發展路線

傳統運載火箭構型重複使用火箭

現役運載火箭的回收

對於現役有毒推進劑的運載火箭，儘管無法重複使用，可通過採用回收技術實現落區精確控制，解決航區安全問題。回收技術主要包括傘降回收與柵格舵返回2種方式。

1）助推器傘降回收。

返回段利用降落傘減速，最終實現陸地、海上和空中回收，技術成熟度最高，運載能力損失小。助推器與運載火箭分離後慣性飛行，再入過程中，由助推器自身氣動性能和質量特性產生合適的姿態，當下落至預定參數狀態時，啟動安全回收系統，彈出穩定傘和減速傘進行減速，展開翼傘控制助推器機動飛行，將助推器導引至安全區域降落，可大幅度縮小落區範圍。此外，整流罩也可採用傘降回收。

助推器傘降回收基於傳統火箭構型，採用火箭發動機，總體設計變化小，技術成熟度高，短期內可實現，但其回收過程中存在對箭體的衝擊。其技術難點體現在超音速條件下降落傘研製難度高、大質量箭體降落傘的設計、模擬和試驗技術要求高、大風區箭體姿態穩定困難等方面。

目前，傘降回收多項關鍵技術成熟度已達到較高水平，如大型群傘技術、超音速開傘技術、大型氣囊技術、回收過程姿態穩定技術等。傘降回收技術將應用到現役運載火箭助推器、一子級回收，主要解決助推器、一子級落區精確控制及航區安全問題。

2）芯級柵格舵返回。

隨著高度不斷下降，利用柵格舵將子級姿態調整為穩定狀態飛行，導航制導控制系統導引子級向目標落區飛行並定點著陸。運載火箭一、二級分離之後，一子級進行無動力飛行。安裝在一、二級級間段上的柵格舵按預定指令展開。隨著高度下降，動壓不斷增加，箭體姿態將進入自穩定階段，即飛行狀態為發動機朝前（向下）飛行，此時導航制導控制系統開始工作，導引一子級向目標落區飛行及定點著陸，可縮小落區範圍。

芯級柵格舵回收基於傳統火箭構型，利用柵格舵保持箭體姿態穩定，對火箭箭體改變較小，技術難度較低。其技術難點體現在子級柵格舵氣動特性複雜、子級柵格舵組合體返回段姿態具有多通道耦合特性、子級再入防解體難度大等方面。

目前柵格舵回收多項關鍵技術成熟度已達到較高水平。柵格舵系統作為高集成度的獨立系統，成本低、適應性強、對箭體改動量少，未來可推廣作為現役運載火箭一子級（或芯級）殘骸落區控制。

未來新型運載火箭的垂直回收和復用

開展未來新型運載火箭垂直起降研究具有重要意義。新型運載火箭採用了液氧烴類發動機，選擇基於該類發動機的構型進行垂直回收研製，可以起到以點帶面的效果，突破的火箭關鍵技術即可迅速推廣到其他新一代運載火箭型號，應用前景廣泛。

對於未來新型運載火箭，從立項研製開始就開展垂直起降關鍵技術研究，一方面避免了在已有型號中的重複性研究工作，提升了研製效率，另一方面將垂直起降關鍵技術與型號研製工作並頭髮展，可以充分保證相關關鍵技術的工程應用前景。

未來新型運載火箭將採用芯級與助推捆綁整體垂直降落回收方式：以捆綁助推的未來新型運載火箭構型為基礎，兩個助推器與芯一級捆綁後作為一個整體進行垂直著陸、重複使用，芯二級一次性使用。在級間分離後，採用整體垂直降落的返回方式，實現減速和著陸，保證捆綁火箭整體可控回收，並根據不同任務需求返回原發射場或其他發射場。

芯級與助推捆綁整體回收垂直起降基於傳統火箭構型，採用火箭發動機，技術成熟度較高，總體設計變化小。為滿足垂直返回發動機工作需求，需預留推進劑，運載能力損失較大。其技術難點體現在失重條件下發動機多次啟動技術、返回過程子級箭體在線軌跡規劃與制導導航控制控制技術、著陸過程箭體著陸支腿設計技術等方面。

目前除泵壓式發動機大範圍推力調節技術成熟度較低外，著陸支撐機構設計技術、返回過程高精度控制技術、重複使用子級箭體結構設計技術等成熟度較高。未來可以應用於基於傳統運載火箭的垂直回收，包括子級+助推捆綁整體回收，或者子級回收。

升力式火箭動力重複使用運載器

國外發展情況表明重複使用運載器近期重點聚焦兩級入軌方案，單級入軌方式作為終極目標可先期探索。採用兩級入軌方式，可在一級工作結束後拋掉無用重量，相比單級入軌，其運載效率明顯提高。

在兩級入軌方案中，升力式火箭動力重複使用運載器的第一級相對於太空梭軌道器或入軌級（第二級），由於再入返回速度大幅降低使得再入返回熱環境大幅度改善，主發動機工作時間可大幅縮短，更有可能實現低成本目標。因此，升力式火箭動力重複使用運載器一級可作為中國重複使用航天運輸技術發展的切入點，先期構建具有實際應用能力的重複使用進出空間基礎平台。

綜合國內外研究結果，對於兩級入軌航天運輸系統，當級間分離馬赫數降低時，二級重量會急劇增加，兩級系統最佳的分離點條件為速度Ma6~8，高度60~80km。要滿足大範圍高效工作要求，組合動力面臨巨大的技術挑戰，火箭動力是現階段的現實選擇。

升力式火箭動力重複使用運載器一級兼具航空器和航天器技術特點，採用升力式構型，火箭發動機，垂直起飛水平著陸，能夠通過自動進場著陸方式實現精確著陸與完全重複使用。它將以重複使用液氧甲烷發動機作為主動力，採用翼身組合體構型，可實現多次重複使用，地面垂直起飛、在機場跑道水平著陸，背馱一次性運載火箭二級形成有效載荷快速、低成本入軌能力（圖10）。

圖10 垂直起飛水平著陸的升力式火箭動力重複使用運載器示意

通過優先發展升力式火箭動力重複使用運載器一級，加快推進演示驗證，構建中國重複使用進出空間基礎平台。

組合動力重複使用運載器

組合動力技術是將渦輪、火箭、衝壓多種先進動力進行有機融合形成一種新型動力，能在寬廣的飛行包線內為飛行器提供所需動力，主要有3種組合方式：第1種為火箭發動機與衝壓發動機的組合，稱之為火箭基組合發動機（RBCC）；第2種為渦輪噴氣發動機與衝壓發動機的組合，稱為渦輪基組合循環發動機（TBCC），第3種為渦輪噴氣發動機、衝壓發動機、火箭發動機三者組合，稱之為三組合發動機（圖11）。對於TBCC而言，其難點在於解決Ma2~3之間的推力鴻溝問題；對於RBCC而言，其難點在於解決0~Ma2的火箭引射推力增益不足問題。SABRE發動機創新的採用氦氣工質作為第三流體循環，通過預冷空氣和高壓比壓縮，使火箭推力室能用空氣作為氧化劑，從而使發動機具備吸氣和火箭兩種工作模式，解決了「推力鴻溝」與「引射增益不足」問題，是組合動力應用於重複使用運載器的一條有效途徑。目前組合動力技術發展正在嘗試多種途徑解決重複使用運載器應用存在的問題。

圖11 組合動力發動機的不同組合方式

組合動力發動機優勢在於如何充分利用大氣，減少氧化劑攜帶量。其最佳工作範圍為大氣稠密的空間，約為0~30 km，而30 km以上組合動力發動機需自身攜帶氧化劑和燃料，與火箭發動機完全相同（圖12）。天地往返航天運輸要達到200km以上的軌道高度，30 km以上大氣密度下降至1%，主要依靠火箭動力實現推進。30 km以下能量佔比為20%~30%，組合動力的優勢主要體現在此區間。

圖12 組合動力飛行高度和速度示意

將組合動力發動機應用於重複使用運載器，需充分利用大氣，延長組合動力發動機在大氣中的飛行時間，將飛行器的速度增加到一個「極值」。目前來看，較多的總體方案是將組合動力應用於兩級入軌重複使用運載器的一子級，一、二級的分離點高度通常為25~30km，分離點速度通常為Ma6~10。

組合動力重複使用運載器為兩級構型，一級以組合循環發動機作為主動力，採用水平起降方式。二級可以是一次性運載火箭，也可以是升力式火箭動力重複使用運載器（圖13）。組合動力重複使用運載器一級採用升力式構型，新型組合動力發動機，具有起降靈活、高比沖和高效率、適應大空域飛行等顯著特點。技術難點體現在總體/氣動/推進高度一體化設計技術、高性能組合動力發動機設計技術、輕質結構與熱防護技術等方面。

圖13 組合動力兩級入軌重複使用運載器示意

目前國內已完成組合循環發動機原理考核試驗，以機體/推進一體化為代表的關鍵技術具備一定的成熟度水平。現階段，組合動力重複使用運載器的攻關重點在於確定組合動力技術主攻方向。

後續發展路線

基於對國內外發展情況的分析，結合中國重複使用運載器研究現狀及技術基礎，充分汲取國外在發展重複使用運載器過程中的經驗教訓，中國重複使用運載器應遵從部分重複使用到完全重複使用、從火箭動力到組合動力、從兩級入軌到單級入軌的戰略發展思路（圖14）。

圖14 中國重複使用運載器發展思路

中國重複使用運載器發展路線圖如圖15所示，按照基於運載火箭構型的重複使用、升力式火箭動力重複使用運載器、組合動力重複使用運載器3條技術途徑同步開展研究，梯次形成能力。

圖15 中國重複使用運載器發展路線

結 論

發展重複使用航天運輸系統，能夠支撐未來大規模開發和利用空間，形成廉價的天地往返運輸工具，推動空間應用產業快速發展，牽引需求與需求牽引形成良性循環。發展重複使用航天運輸系統，將實現中國航天運輸由一次性使用向重複使用、由單一航天運輸向航天運輸與空間操作相結合的重大跨越，也將加速航天航空技術的深度融合，帶動高超聲速空氣動力學、高精度制導控制、先進空天動力、耐高溫輕質材料與結構製造、重複使用評估標準等一大批學科和技術的發展，促進中國基礎學科和工程技術水平的整體提升，走適合中國國情的重複使用航天運輸技術發展之路，支撐中國航天強國建設。

參考文獻（略）

本文作者：龍樂豪，蔡巧言，王飛，馬婷婷，聞悅

作者簡介：龍樂豪，中國運載火箭技術研究院，研究員，中國工程院院士，研究方向為運載火箭技術。

注：本文發表於《科技導報》2018 年第10 期，敬請關注。

（責任編輯 劉志遠）

《科技導報》

中國科協學術會刊

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