可重复使用的航天器有什么特别重大意义(常见的航天器)

李慧超

2020年9月4日，中国酒泉卫星发射中心成功发射可重复使用航天器。经过两天的在轨飞行，飞船于9月6日顺利返回预定着陆场，实验取得圆满成功。这标志着我国可重复使用航天器技术研究取得重要突破，可以为航天员往返空提供更便捷、更廉价的方式。

「可重复使用的航天器」是一种怎样的神器？简而言之，它是一艘宇宙飞船。自诞生以来，可重复使用的航天器不止一种。空X-15开创的日式飞机技术

为什么要发展可重复使用的航天器技术？比如我们出行经常会开一辆车，但是如果这辆车只能用一次，那就要报废了。如果我们想第二次开车，我们必须买一辆新车。我相信没有人开得起这样的车。早期的传统航天器是一次性的。所以从Tai 空时代开始，人类就一直致力于研制可重复使用的航天器，最早可以追溯到上世纪60年代美国的X-15试验飞行器。

上世纪50年代末，人类在同时探索两种进入太空的方式，一种是利用运载火箭从地面将飞船发射到近地轨道，这种方式和我们今天常见的太空飞行方式类似，且在被提出不久后便取得了成功，得到大规模的应用；另一种则是将在稠密大气之内飞行的飞机改造成能够在超高空飞行甚至进入太空亚轨道的飞机，这是目前仍在发展的空天飞机的雏形。X-15便是空天飞机的最早尝试。

20世纪50年代末，人类同时在探索两条进入Tai 空的途径。一种方法是使用运载火箭将航天器从地面发射到低地球轨道。这种方式类似于我们今天常见的Tai 空飞行方式，提出后不久就获得了成功并被广泛使用。另一种是把在稠密大气中飞行的飞行器改造成能够超高空空飞行甚至进入亚轨道空间空的飞行器，这就是现在还在研制的空天飞行器的原型。X-15是空日机的最早尝试。

在大气层中飞行的飞机，装有与空气体相互作用获得推力的发动机，所以这种发动机在大气层稀薄的超高空空飞行时无法产生足够的推力，而空气体中的氧气也无法保持发动机运转。因此，X-15采用液体火箭发动机，使用酒精(后来改进为无水氨)和液氧作为推进剂。混合燃烧后，从发动机后喷嘴高速喷出。推进飞机的能量和动量来自推进剂本身，它可以为X-15提供数十万牛顿的推力。

此外，传统飞机通过其特殊的翼面与空空气的相互作用，可以在空空气丰富的高度自由飞行；然而，在稀薄的大气层中飞行时，传统飞机的机翼也没有足够的空气体来发挥作用。因此，X-15采用后坐力控制系统，利用小型高比冲发动机向各个方向施加的推力来控制飞机的飞行姿态。

X-1 5的机翼采用空空气动力学专门设计，可以在超音速飞行中保持稳定。然而，X-15并不是靠自己的力量从机场起飞的。而是让B-52轰炸机达到13000米高空，然后与B-52分离，用火箭发动机进一步提高速度和高度，开始自主飞行。X-15的最高飞行高度是108公里，而一般战斗机的升限高度只有20公里左右，民用飞机更低。X-15也以2.02 km/s的惊人最快速度飞出。

虽然火箭发射飞船的成功迫使X-15下马，但这种飞行器验证了在大气层和泰空边界附近空之间飞行的可能性。目前美军正在试验的X-37B空日机和各国未来空日机计划都与X-15试验有关。母机空中发布的发射模式也被后来的飞机和飞船采用。升力体飞机和航天飞机

升力体航天器是可重复使用航天器采用的另一种方案。

飞机通过固定翼面与大气的相互作用产生升力，而升力体飞机利用其特殊的外形直接在机身上产生升力。发展升力体飞船的目的是解决载人飞船返回大气层时的控制问题。

在上世纪六七十年代，美国的“阿波罗”飞船和苏联的“联盟”飞船都被设计为太空舱构型。太空舱在返回地面时，基本无法控制自己的飞行轨迹，只能沿着脱离轨道时进入的弹道落地。而升力体飞行器则可以在返回地面的过程中实现可控飞行，降落到预定的机场，或临时调整到备降场地。这就实现了从“听天由命”到“我命由我不由天”的质的转变！

在20世纪60年代和70年代，美国的阿波罗宇宙飞船和苏联的联盟号宇宙飞船都被设计成Tai 空舱结构。当模块Tai 空返回地面时，基本无法控制其飞行轨迹，只能沿其出轨时进入的轨迹着陆。但是，升力体飞机可以在返回地面、降落在预定机场或临时调整到备降场期间以受控方式飞行。这就实现了从“听天由命”到“听天由命”的质变！

最具代表性的升力体飞机是美国的X-24A、X-24B、M2-F3、HL-10等实验飞机。这些升力体飞机的尾部仍然保留着机翼，但它们不是用来获得升力，而是用来稳定和控制飞行姿态。在测试过程中，这些飞行器也是将母机带到[/k0/]的高度，然后利用火箭发动机等自身动力进行飞行。在航天飞机计划的发展过程中，航天飞机的轨道器可能采用了升力体结构，但后来工程师发现升力体的形状无法与航天飞机必须配备的燃料箱很好地绑定，于是放弃了升力体方案，转而采用了三角翼方案。

1 9 6 9年，升力体飞行器X-24A进行了一次无动力再入试验，当它从母机释放后不打开发动机，仅通过滑翔飞行的方式降落在机场上，这正是航天飞机返回地面时所使用的方式。X-24A的这次试验取得了成功，为航天飞机计划的开展铺平了道路。

1 9 6 9年，升力体宇宙飞船X-24A进行了一次无动力再入试验。当它从母机中释放出来时，它以滑翔的方式降落在机场上，这正是航天飞机返回地面的方式。X-24A的这次实验是成功的，为航天飞机计划的启动铺平了道路。

进入新世纪后，一些新研制的载人飞船采用升力体飞船结构，使返回过程可控且损耗低，飞船可重复使用。2010年，美国内华达山脉公司在美国宇航局商业载人航天计划的支持下，开始了“追梦人”飞船的研发工作。根据设计方案，这艘飞船可以一次搭载3-7名宇航员，也可以改装用于货运飞行。发射时，飞船将安装在大力神5等大推力火箭顶部，进入Tai空；返回时可以通过自己升力体的形状自主着陆。然而，经过美国宇航局的两轮资助，这种看起来像小型航天飞机的飞行器未能入选商业载人航天计划的首批航天器。不过内华达山脉已经拿下了未来几年站间空货运航班的合同，升力体飞机也有望实现Tai 空的真正飞行。

舱式航天器再次受到重视。

在航天飞机出现之前，人们主要利用多舱组成的航天器进行载人飞行；航天飞机计划成功实施后，出现了取代舱式航天器的趋势。在航天飞机设计之初，曾经希望航天飞机机群每年能保持50次以上的上座率，每次飞行只需数百万美元。完成一次任务后，每架航天飞机只有1%的部件需要更新，服役两周就可以返回Taitai 空。核心引擎可以用几十次。

但实际情况是，航天飞机每次飞行后的实际维护工作量远高于预期，更换大量部件需要2000小时左右，因此飞行维护成本飙升。

在吸取了航天飞机结构和功能过于复杂的教训后，世界各国的设计者都意识到，载人飞船的主要目的是作为宇航员往返世界的交通工具，除了载人，不应该赋予它太多的其他功能。因此，在设计新一代飞船时，他们一致采用了舱式飞船的总体设计方案，赋予了新型飞船可重复使用的功能。

以可重复使用航天器为主要“卖点”的美国SPACEX公司，在之前获得成功的货运型龙飞船的基础上，设计了载人型龙飞船。经过多轮PK后，载人型龙飞船成为了NASA商业载人航天计划的首批飞船，并于2020年5月30日执行了自航天飞机停飞后美国载人航天的首次复飞任务。载人型龙飞船一次最多可以将7名宇航员送入太空，在不对接的情况下可以独立在太空中飞行一周。按照SPACEX对外公布的信息，载人型龙飞船可重复使用约10次。

以可重复使用飞船为主要“卖点”的美国公司SPACEX在此前成功的货运龙飞船的基础上设计了载人龙飞船。经过多轮PK，载人龙飞船成为NASA商业载人航天计划的第一艘飞船，并于2020年5月30日执行了航天飞机停飞以来美国载人航天的首次复飞任务。载人龙飞船一次最多可将7名宇航员送入Tai 空，无需对接即可在Tai 空内独立飞行一周。根据SPACEX公布的信息，载人龙飞船可以重复使用10次左右。