国外可重复使用运载器发展现状和趋势

于霞 孙伶俐 单文杰（中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

可重复使用运载器是指能够穿越大气层进入太空，自由地往返于地球与太空之间，具有重复使用性，并能够按照需要较长时间地在空间轨道停留或机动，执行卫星发射、在轨服务等各种类型的任务，既可军用也可民用的多用途航天器。它代表着未来运载器的发展方向，拓展了航天运输系统的概念内涵，其在大幅降低进入空间成本的同时，还具有安全性、可靠性和响应性等方面的优势。人类发展航天运输系统的梦想目标之一，就是研制出能像飞机那样水平起飞和降落，并可多次重复使用的航天运载器。为此，世界各国均不同程度地投入经费，开展了可重复使用运载器研究。

1 美国可重复使用运载器发展现状

美国在可重复使用运载器方面的研究开展时间最早，且具有良好的持续性，投入的经费最多，取得了丰硕的研究成果，代表了世界可重复使用运载器的先进水平。

20世纪60年代，由美国航空航天局（NASA）牵头，联合美国空军、海军和北美航空公司共同开展了X－15高超声速研究项目，波音公司为美国空军研制了X－20载人航天轰炸机，两项计划的实施为美国航天飞机的发展提供了珍贵的试验数据和研制经验，尤其是X－20还成为后来航天飞机的“先行者”。

1969年，鉴于当时一次性运载火箭费用昂贵、飞船运载能力低而不能满足空间站建设的需求，美国提出建造一种可重复使用航天运载器的计划。1972年，美国正式把研制航天飞机“空间运输系统”（STS）列入计划，确定了航天飞机设计方案，并于5年之后研制出创业号航天飞机轨道器进行机载试验。1981年4月12日，第一架载人航天飞机哥伦比亚号正式登上太空舞台，成为航天技术发展史上的重要里程碑。2011年7月，阿特兰蒂斯号航天飞机进行了最后一次发射，执行美国航天飞机项目第135次也是最后一次飞行，至此，美国为期30年的航天飞机计划终结。航天飞机是第一个实现部分可重复使用的航天器，不仅验证了发展可重复使用技术的可行性，也为重复使用技术领域的发展奠定了基础。航天飞机轨道器采用的大机翼结构设计，确保了其轨道器准确降落在跑道上，其主发动机能够在65%～109%推力之间进行连续调节，而且可重复使用50次，这种发动机技术在今天仍处于世界领先水平。

20世纪八九十年代，美国还提出了多个可重复使用运载器计划：X－30超高速国家空天飞机计划中的单级入轨飞行器飞行速度为Ma=12～25；“三角快帆”（Delta Clipp er）计划旨在研制一种垂直起落、单级入轨、完全可重复使用的运载器系统，麦道航宇公司为其研制的“三角快帆试验机”（DC－X），验证了该火箭的发射、机动、悬停和着陆能力；洛马公司研制的无人单级入轨可重复使用航天运载器“冒险星”（Venture star）的1∶2缩比原型机X－33，采用垂直发射方式，能在飞行跑道上着陆，动力系统采用波音公司特别开发的J2S火箭发动机；X－34是一种无人可重复使用的亚轨道航天运载器，其主要任务是验证大幅度降低航天运输成本的技术可行性，为此制造了3个空射试验平台，进行了3次系留飞行试验。然而，上述计划都因存在着诸多技术难题以及资金耗费巨大而被叫停。

美国空军在20世纪90年代末开始实施“军用空间飞机” （MSP）计划。它是一种可重复使用的运载系统，支持美国空军航天司令部的各种空间作战任务。该系统由“空间行动飞行器”（SOV）、“空间机动飞行器”（SMV）、“模块化嵌入级”（MIS）、“通用空中飞行器”（CAV）等组成，其中SMV是一种可重复使用小型无人轨道机动飞行器，具备长期在轨驻留与变轨机动能力，可执行多种任务，包括战术侦察、监视、空间目标识别、轨道转移和空间作战。

X－33（左）、Venture star（中）、航天飞机（右）比较

X－34可重复使用运载器

可部分重复使用的暴风雪号航天飞机

2001年秋，美国开始实施“国家航空航天倡议”（NAI）计划，拟有效地综合航空与航天技术，以提供先进的快速打击、空间发射、持续的情报、监视与侦察能力。为此，研制了X－37B轨道试验飞行器。X－37B还在NAI计划中承担进出空间的任务。X－37B大小约为美国航天飞机的1/4，采用与航天飞机轨道器相似的带翼体设计方案，但具有一对倾斜尾翼；采用新型防热材料；尾部装有火箭发动机，采用一甲基肼和四氧化二氮作为推进剂。截止到2012年11月，X－37B轨道试验飞行器已进行过2次飞行试验，均获得成功，突破了传统技术的许多“禁区”。

2001年，美国国防部还提出了“作战快速响应太空”（ORS）概念并逐步推进，旨在提高现有航天能力的战时快速响应，并研制出配套的经济上可承受的运载器和小卫星，以及相关的地面指挥与控制系统，目标是在几小时或几天内完成卫星或武器系统的发射。为实现ORS能力，美国在2002年初实施了“快速反应、小载荷、经济上可承担的发射”（RASCAL）系统研制计划，2003年，美国空军进行了为期1年的“作战快速响应航天运输系统”技术途径研究，并在此基础上决定研制部分可重复使用的混合型运载器（HLV）。2005年开始其工程研制计划—“经济可承受快速响应航天运输”（ARES）计划。HLV由一个亚轨道可重复使用第一级和一个一次性使用上面级构成。但RASCAL计划和ARES计划都因研制费用大大超出预期而落马。

继RASCAL计划和ARES计划之后，2009年5月，美国空军研究实验室向工业界发布了可重复使用助推系统（RBS）方案征求书；2011年12月5日，授予安德鲁、波音、洛马公司为期5年的不定期交货/不定量合同，用于研制可重复使用助推器系统验证器并进行飞行试验；RBS系统包括一个可重复使用第一级和一次性使用上面级。可重复使用的第一级垂直发射，把上面级运送至分离点后，利用火箭动力进行转向机动后再直接返回到发射场附近机场，在跑道上像飞机一样着陆。

此外，美国私营企业也进行了可重复使用运载器研制，比较典型的有：美国太空探索技术（SpaceX）公司研发的猎鹰－9（Falcon－9）垂直起降重复使用火箭，目前正通过实施“蚱蜢”计划进行亚轨道飞行试验；凯斯勒（Kistler）公司研制的K－1火箭为两级可重复使用火箭，采用AJ－26发动机，具有设计简洁和高可靠性等特点，每级火箭都配有飞行器健康管理软件系统。

2 其他国家的可重复使用运载器发展现状

除美国之外，苏联/俄罗斯、欧洲、印度及日本等国家也投入资金对可重复使用运载器进行了研究。

苏联/俄罗斯

1978年，苏联为给和平号空间站提供大型运输系统，开始研制可部分重复使用的暴风雪号航天飞机，1988年成功进行了首次不载人飞行试验，在无人驾驶的条件下自动返航并准确降落在狭长跑道上。在此基础上，俄罗斯在20世纪90年代初开展了“鹰”重复使用运载器研究计划，其多家宇航公司提出9种或垂直或水平起飞的可重复使用航天运输系统的概念。

进入21世纪，俄罗斯推出“快船”（Klip er/Clip p er）方案，它由可多次使用的返回舱和一次使用的轨道舱、服务舱组成，采用折叠翼，即在飞船重返地球大气层准备降落时，返回舱的舱翼展开，以使飞船像飞机一样着陆，主要用于“国际空间站”相关人员和物资的运输，以取代联盟号飞船。但后来由于邀请美国、欧洲及中国进行合作未果，研制经费缺口过大而下马。此外，俄罗斯还提出在新型“安加拉”（Angara）运载火箭基础上研制可重复使用助推器贝加尔号。2010年，俄罗斯组织对几家大型火箭生产企业设计的可重复使用的新型火箭系统进行评估，可重复使用火箭太空系统－1（MPKC－1）是垂直点火的部分可重复使用的运载火箭，其使用次数可达10次以上，机动能力很强。

欧洲

20世纪80年代以来，欧洲先后在国家层面上启动了重复使用运载器的研制计划。1984年，法国率先提出了部分重复使用的“赫尔梅斯”（Hermes）小型航天飞机研制计划。随后不久，英国与德国又各自提出了水平起降、单级入轨的“霍托尔”（HOTOL）空天飞机计划和可两级入轨的“桑格尔”（Sanger）空天飞机计划。1994年起欧洲航天局提出未来欧洲“航天运输研究计划”（FESTIP），它包括近20种概念设计方案。4年后该计划结束，欧洲航天局紧接着进行了“未来运载器技术计划”（FLTP），用于可重复使用运载器方案的选择和确定，并在此计划的基础上于2001年提出FLPP，并对未来10年的欧洲可重复使用运载器的发展进行了规划，决定研制下一代运载器（NGL）。

近年，英国还提出一种“云霄塔”（Skylon）单级入轨空天飞机方案，它采用混合动力、可重复使用、水平起降，目前处于关键技术攻关和方案论证阶段。

印度

印度发展航天技术的最终目标是建立空间站和星际基地，而发展单级入轨、水平起降的可重复使用运载器（SSTO－RLV）和载人航天是实现这一目标的必由之路。根据上述思路，印度的可重复使用运载器计划分为3个阶段：研制可重使用运载器技术验证机（RLV－TD），攻克高超声速再入等关键技术；在现有技术的基础上研制两级入轨可重复使用运载器（TSTO－RLV）；研制SSTO－RLV。目前正处于第一阶段的研制工作，印度空间研究组织（ISRO）已经规划了一系列飞行试验。

日本

日本在可重复使用运载器发展方面不遗余力，投入了大量经费。1997年制定了可重复使用运载器发展计划，遵循循序渐进的发展思路，围绕“霍普”（HOPE）小型航天飞机计划开展演示验证项目，先后成功进行了轨道再入飞行试验（OREX）、高超声速飞行试验（HYFLEX）以及自动着陆飞行试验（ALFLEX），对防热、再入飞行等关键技术进行攻关和试验。

日本的HOPE－X小型航天飞机概念图

3 可重复使用运载器发展趋势

从世界各国可重复使用运载器的发展历程及发展现状来看，可重复使用运载器领域的发展趋势有以下3个方面。

（1）百折不挠

综观美国、俄罗斯、欧洲、日本及印度等国家和地区的可重复使用运载器发展历程可以发现，其研制并不是那么一帆风顺，美国从20世纪60年代开始就涉足了可重复使用运载器的研制，实现可部分重复使用的航天飞机在历经30年辉煌后终因成本太高及安全性不够而退出了太空舞台。20世纪八九十年代提出的X－30超高速国家空天飞机计划，无人驾驶、单级入轨可重复使用航天运载器Venture star计划，无人驾驶、可重复使用亚轨道低成本航天运载器X－34，以及Delta Clipper计划，都因存在着诸多技术难题以及资金耗费巨大而被叫停。进入21世纪之后提出的RASCAL计划和ARES计划也都因研制经费缺口过大而被迫下马。俄罗斯提出的Klip er项目等也都不得不终止。

但是，值得注意的是，美、俄等国家和地区在先后开展的研制计划中积累了诸多经验，并将这些既有成果运用到后续相关可重复使用运载器研制计划中去，保持了技术基础的延续性。同时，世界各国也坚定不移地把可重复使用运载器作为未来航天运输系统的发展方向之一，均充分认识到可重复使用运载器的重要性。它不仅能够满足未来的商业发射需求，推动科学技术的发展，同时在未来军事航天中也拥有巨大的应用价值。因此，即使研制历程一波三折，仍不遗余力地提出相关计划并投入巨额费用，不断验证动力、热防护、制导导航与控制、着陆装置等方面的关键技术。

（2）循序渐进

从国外几十年的可重复使用运载器发展历程来看，可重复使用运载技术的发展具有高成本、高风险性，其研制成功仍然有待各项重大关键技术的突破，未来还需要较长时间的研究。世界各国认识到并遵循技术发展规律，在飞行演示验证阶段进行关键技术攻关并验证，努力打牢技术基础，并不急于进行工程研制。

日本高速飞行验证机（第一阶段）构想图

美国航天飞机的研制正是借鉴了X－15、X－20这两项飞行试验计划积累的宝贵经验。美国通过一系列演示验证项目，持续不断地增加新技术储备，积累了新概念飞行器的研制经验。日本一直围绕HOPE小型航天飞机计划开展演示验证，依次进行了轨道再入、高超声速飞行以及自动着陆飞行试验，对可重复使用运载器研制中的防热、再入飞行等关键技术进行验证，不断提高技术成熟度。

（3）由多级入轨部分重复使用向单级入轨完全可重复使用方向发展

纵观各国可重复使用运载器的研制历程，经历了一个从单级入轨完全可重复使用到多级入轨部分可重复使用的发展思路。20世纪八九十年代，美国提出的X－33，欧洲提出的HOTOL计划等，都是单级入轨重复使用方案，但都因技术难度过大、投入经费过多而终止。世界各国在认识到可重复使用运载器的研制难度后，纷纷转变发展思路，把多级入轨部分重复使用作为近期研究目标，如美国提出的SMV计划，俄罗斯提出的Kliper计划等。

但是，水平起降单级入轨方案一直是各国航天运输系统的发展方向，在制定实际发展方针的基础上，以单级入轨可重复使用运载器运载器为需求牵引，对涉及的核心关键技术进行攻关，通过演示验证来逐步提高技术成熟度，期望未来能够具备类似飞机一样自由进出空间的能力。