可重复使用航天运载器发展历程

首次尝试回收亚轨道航天器

二战结束之后，随着同盟国对纳粹德国的分区占领，以V-2导弹为代表的德国火箭技术也被美苏两国瓜分一空。然而V-2导弹结构复杂、生产困难且耗时，美国空军无力补充因实验损耗的V-2导弹，因而试图用特制降落伞回收导弹。在1947年首次尝试回收V-2导弹时，工程师还对超音速气流缺乏了解，而世界首次载人超声速飞行更是八个月后才得以实现。因此，降落伞毫不意外地被强劲的超声速气流撕碎，人类第一次回收航天器的尝试宣告失败。

最早的空天飞机X-20“Dyan-Soar”

在航天时代初期，美国空军提出了一项疯狂的“极超音速滑翔火箭武器系统”，也就是X-20高超音速飞机。这一项目基于先前德国人桑格尔提出的“银鸟”计划和贝尔公司提出的BOMI、RoBo火箭轰炸机项目，希望研发一款由火箭发射的临近空间载人飞行器，用以执行侦察轰炸等军事任务。X-20将以无动力滑翔的形式再入并降落至地面，其气动外形针对高超声速飞行进行优化，相应促进了风洞技术和超音速气动设计的进步。尽管X-20最终因内部因素在原型机制造阶段下马，但它作为人类第一款实际的空天飞机和第一次太空军事化的尝试仍然值得我们铭记。

航天飞机首次载人飞行成功

阿波罗计划后，NASA开始考虑研制可重复使用航天器以降低进入太空的经济成本，由此催生出了航天飞机的概念。航天飞机由两枚大型固体助推器和自身的三台RS-25发动机提供起飞推力，助推器关机后分离并被回收，巨大的橙色贮箱则在大气层中焚毁。航天飞机以水平滑翔方式再入大气层，依靠机身下表面的3.5万枚隔热瓦抵抗再入时的高温气流，最终以高达20°的俯冲角着陆在加固跑道上。尽管有巨大的载货载人能力，并在服役期间完成了包括在轨维修哈勃望远镜、建设国际空间站等重大任务，航天飞机的缺点却难以被掩盖。

与最初的期望相反，航天飞机的平均发射成本可达8亿美元，远高于当今主流火箭的价格。其配备的RS-25发动机固然性能优异，却也伴随着惊人的价格——单台发动机便可匹敌一枚中型火箭。同时，航天飞机在两次发射之间都需要进行异常复杂的检修流程，例如依次取下所有隔热瓦检测修复并复位。高度技术集成带来的冗长的检修流程既降低了航天飞机的任务频率，也为后来的“哥伦比亚”号解体事故埋下了隐患。

苏联“暴风雪”航天飞机首次无人飞行

早在60年代，苏联就提出了旨在研制空天飞机的“螺旋”计划，但因种种技术与行政原因项目进展并不顺利。“螺旋”项目最终产出了米格105验证机、BOR系列空天飞机以及一种美国仿制的HL-20飞行器，并对后来的苏联航天飞机提供了宝贵的经验。出于对美国将航天飞机军事化的担忧，苏联很快也推出了自己的航天飞机计划——“暴风雪”航天飞机。

“暴风雪”号并无主发动机，其起飞推力完全由“能源”号火箭提供，由此显著降低了自身的结构重量与整体尺寸。“暴风雪”号与美国航天飞机一样采用水平着陆方式，但其配备的两台小型机动发动机极大增加了降落时的操控空间，并允许复飞后再次尝试降落。1988年，“暴风雪”号由“能源”号火箭从拜科努尔发射场发射升空，在环绕地球两周后以无人驾驶模式着陆。遗憾的是，由于苏联解体带来的巨大动荡，“暴风雪”号的后续研发工作遭到搁置，再也不可能进入太空。

“三角快帆”试验火箭首飞成功

在航天飞机因灾难性事故和高成本而陷入质疑的九十年代，工程师们将目光转向了水平回收火箭的技术路线。1990年，麦道公司提出代号DC-X的“三角快帆”单级入轨火箭计划，目标是研制一种单级入轨、垂直起飞并回收的可复用航天运载器，并将十吨级载荷的单次发射成本降低至1000万美元左右。“三角快帆”大量采用石墨纤维/环氧树脂等先进复合材料以减轻结构重量，使用四台具有极大节流范围的RL10A-5发动机作为动力，并搭载了当时最先进的飞控与导航系统。DC-X在1993到1996年间进行了12次试飞，初步验证了悬停、导航与垂直着陆技术。然而当时的计算机技术尚不足以支撑复杂气象条件下的稳定回收，“三角快帆”项目在资金耗竭后被迫取消。

图源：Springer Verlag

X-37B首次执行任务

80年代后期，航天飞机的低谷催生出了空天飞机的热潮，美国国家空天飞机计划（NASP）和空间机动飞行器（SMV）相继提出。前者的直接成果X-30验证机试验了耐高温复合材料等新技术，但因为冲压发动机技术难以攻克而被最终搁置；后者则选择了无需冲压发动机的火箭发射方案，先后诞生了X-40A、X-37两款验证机，并最终结出了X-37B这枚硕果。X-37B近似一架缩小的航天飞机，能够携带200kg载荷在近地轨道长时间运行并自主降落，具备多次复用的能力。作为第一款较为成功的空天飞机，X-37B可以被用于天基侦察打击、空间对抗等军事任务，也可用于验证空天飞机的一系列新型技术。

“新谢泼德”与猎鹰9号实现首次成功回收

蓝色起源公司在2000年由亚马逊创始人贝索斯创建，吸收了部分原“三角快帆”的研究人员，他们选择了先攻克垂直回收技术再攻克入轨火箭的路线。2015年，“新谢泼德”2号在试飞中成功越过卡门线，并依靠可调推力发动机稳稳着陆，实现了人类首次完整回收亚轨道级火箭的壮举。在这之后，蓝色起源公司稳步推进研发计划，目前已经可以成熟地将乘员送入亚轨道旅行。

SpaceX与蓝色起源同期创立，选择了先研制大推力发动机再研发可回收技术的路线。SpaceX从2012年开始在“蚱蜢”火箭上测试一级火箭垂直回收技术，在经历多次失败后于2015年末成功实现猎鹰9号一级的陆地回收，这是人类第一次在实际任务中回收一级火箭箭体。目前，SpaceX已经可以实现助推器、一级火箭、二级火箭乃至整流罩的回收。

猎鹰重型火箭首飞成功

在猎鹰9号火箭取得技术和市场的双重成功后，SpaceX终于有机会进行猎鹰重型火箭的首次发射。这次发射成功将作为试验载荷的特斯拉跑车送入轨道并回收了两枚助推器，但未能成功回收芯一级火箭。猎鹰重型火箭从猎鹰9号火箭发展而来，采用了通用芯级的设计思路，其助推器级与芯一级共有27台之多的梅林-1D发动机。这种多发动机并联方案曾被认为可靠性很低，但SpaceX借助计算机、控制和设计制造等领域的进步克服了种种困难，使猎鹰重型火箭成为目前起飞重量和运载能力最大的可回收火箭。除此以外，猎鹰重型火箭也应用了冷分离、轻质箭体结构等技术以进一步提升重复使用的能力。

我国成功发射可重复使用试验航天器

2020年9月，航天科技集团研制的某型可重复使用试验航天器搭乘长征2F火箭从酒泉卫星发射中心成功发射，并于两天后成功着陆于预定着陆场。这艘航天器保密程度极高，被外媒猜测在技术和外形上均较为接近X-37B，其发射标志着我国可重复使用航天器技术研究取得重要突破。两年后的2022年8月，我国再次成功发射可重复使用试验航天器。这次发射开展了可重复使用和在轨服务技术验证，将为和平利用太空提供更加便捷、廉价的往返方式。

我国成功进行“清航壹号”新型发动机飞行演示验证试验

“清航壹号”以新型连续旋转爆震发动机为动力，这种新型发动机具有效率高、推重比大、比冲高和工作范围广等显著优点，可以填补TBCC等组合动力发动机面临的推力陷阱等问题，有希望成为未来组合动力空天飞机的动力来源之一。本次试验由清华大学航天航空学院喷雾燃烧与推进实验室负责并组织实施，是世界范围内首个公开报道的同类型飞行试验。这次成功标志我国已经掌握连续旋转爆震发动机的自主研发与工程实现能力，并在新型空天动力领域跻身世界前列。 

图源：清华大学