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中国可重复使用试验航天器

中国可重复使用试验航天器

中国可重复使用试验航天器是指可以多次重复使用，运输有效载荷往返于太空与地球表面的航天器。与传统的一次性使用航天器在完成任务后直接落入大气层销毁的方式不同，可重复使用航天器可以多次执行航天任务，有可控或者自主返回降落能力。国际上主流的可重复使用航天器包括航天飞机、可重复使用飞船、可重复使用火箭和空天飞机等。

中国可重复使用航天器最早在2002年左右开始传出研发信息，中科院院士庄逢甘证实了空天飞机的研发。2017年中国航天科技集团证实了中国在2020年发射可重复使用航天器的计划。2020年9月4日，中国进行首次可重复使用试验航天器发射，在轨2天后，成功返回着陆。2022年8月5日，中国再次进行可重复使用试验航天器发射，在轨飞行276天后，于2023年5月8日成功返回预定着陆场。2023年12月14日，中国在酒泉卫星发射中心运用长征二号系列运载火箭F运载火箭，成功发射一型可重复使用的试验航天器，在轨飞行268天后，于2024年9月6日成功返回预定着陆场。2025年，多型可重复使用火箭会实施首飞。

中国可重复使用航天器的连续成功发射和返回，标志着中国在航天器重复使用技术方面取得了重要突破，为后续和平利用太空提供了更加便捷和廉价的往返方式。

发展历程

最早在20世纪50年代，美国研发机构就有了可重复使用航天器的设想，实质性的试验则是从60年代开始，推出了一批X系列验证机，比如1969年试飞的X-24升力体验证机。进入70年代，航天飞机的研发开始逐步成熟，美、苏两强相继推出了自己的航天飞机项目，最终在80年代以美国企业号为代表的航天飞机成功投入使用。

进入90年代后，融合航空技术与航天技术于一体的空天飞机开始兴起，而美国作为当时的技术先行者，再次抢先推出了X-30超高速国家空天飞机、德尔塔三角快帆和X-33等一些列验证项目，但最终因为技术和经费问题，均未能成功。

进入21世纪后，得益于航天技术、材料技术和电子信息技术的快速发展，空天飞机的技术难题逐步被突破。中美等国也顺势推出了更为成熟和稳妥的空天飞机研发项目。以美国X-37B为代表的无人空天飞机项目开始走入大众视野，最终在2010年成功投入飞行测试和使用，但在经济性和成本方面仍有较大的不足。

随着2010年之后，以美国SpaceX公司为代表的商业航天公司的崛起，低成本可重复使用航天器的研发开始走入快车道，逐步出现了以“猎鹰-9”（Falcon-9）为代表的成熟的可重复使用运载火箭，这也使得可重复使用航天器的发展越发被大众看好。

分类

航天飞机

航天飞机作为最早的可重复使用航天器，主要发展于上世纪60年代到70年代。1969年4月，美国首次明确提出了建造一种可重复使用的航天运载工具的计划，标志着航天飞机的研制开始走入实质性的推进阶段。1977年2月，美国第一架测试用航天飞机"企业"号诞生，宣告人类拥有了第一种成熟的可重复使用航天器。

以“企业号”为代表的典型航天飞机具有火箭和飞机的设计元素，主要采用火箭垂直发射入轨，完成任务返回后，滑翔着陆的任务流程模式。从1981年正式投入使用，到2011年全部退役，航天飞机共执行了135次飞行任务，代表了一个航天时代的顶峰。但由于高昂的发射维护成本等原因，航天飞机最终退出历史舞台。

无人空天飞机

空天飞机是一种介于航天飞机和普通飞机之间的飞行器。它能够以航天飞机方式，利用火箭短距/垂直起降机，也能像飞机一样在大气层内起降。空天飞机的概念最早在20世纪80年代就提了出来，当时美国空军称之为“国家空天飞机”，采用组合式超音速燃烧冲压喷气发动机的设想。最终在90年代，美国军队推出了X-30和X-33等项目，但最终突破性的发展还是在21世纪，以2010年4月22日首飞的X-37B为代表，无人空天飞机走向成熟。

可重复使用运载火箭

可重复使用运载火箭主要是2010年之后进入快速发展的，美国SpaceX公司和蓝色起源公司等商业航天公司相继推出了“猎鹰-9”和“New Shepard”等可重复使用运载火箭，标志着火箭助推器可控垂直降落回收技术逐步成熟。主要的可重复使用火箭回收技术除了可控垂直回收外，还有伞降回收，伞降+气囊回收和有翼水平回收等多种方案在探索。

国外研制

早期研制

“联盟MS”

俄罗斯“联盟”系列载人飞船始于1960年代，“联盟MS”系列载人飞船继承了联盟TMA-M飞船的设计，由三个舱段组成，分别为轨道舱、返回舱和服务舱，三个舱段可互相分离。轨道舱承担起居功能，在发射过程中装载部分货物补给；返回舱配备有消融防热罩，将搭载航天员安全再入大气层；服务舱安装了主发动机、氧气和燃料、姿控推力器、电子设备、导航系统等。“联盟MS”飞船能够搭载最多3名航天员，停靠在空间站215天。

新一代飞船

“雄鹰”飞船

俄罗斯“雄鹰”载人飞船主要用于月球探测任务，并能够自主开展空间实验和研究。“雄鹰”飞船最多可搭载4人，可在轨自主飞行近30天，也可停靠在空间站上并在轨驻留近一年时间。在执行短期地月往返飞行任务时可重复使用10次，在执行长期与绕月轨道站对接任务时，飞船可重复使用不少于3次。

“载人龙”飞船

“载人龙”飞船是美国航空航天局在“商业乘员计划”下支持发展的2型载人飞船之一，由SpaceX公司负责研制，能够执行低成本、业务化的低地球轨道载人航天飞行任务。NASA只需支付政府航天员运送费用，SpaceX公司完成载人飞船的研制、发射和运行任务。载人龙”飞船具有可重复使用、乘员运输能力强、内部空间大、操作友好等特点。“载人龙”飞船采用两舱段设计方案，包括乘员舱和非密封舱两部分：乘员舱用于运送乘员和加压货物；非密封舱可携带非加压货物，同时在外表面安装了太阳电池和热辐射器用于发电和热控制，4个尾翼在紧急分离情况下可提供气动稳定性。龙飞船设计最多可搭乘7名航天员，独立飞行时可工作1周，对接状态下可工作210天。

“星际客船”

“星际客船”为两舱段设计，包括乘员舱和服务舱两部分。乘员舱为锥形，主要负责运送人员和货物；服务舱为圆柱形，具备发射逃逸、姿轨控、发电、热辐射等功能。飞船设计最多可搭载7名乘员，也可以乘员加货物的形式进行混合搭载。飞船独立飞行状态设计寿命60小时，对接状态设计寿命210天，具备重复使用能力，最多可使用10次，以6个月为周期实现复飞。

“猎户座”飞船

“猎户座”飞船是美国“阿尔忒弥斯”计划的重要组成部分，承担了关键的乘员地月往返运输功能。飞船由洛克希德·马丁公司牵头研制，团队包括主要分承包商航空喷气洛克达因公司、联合技术公司宇航系统公司、霍尼韦尔，以及众多次要分承包商和小企业；欧洲航天局承担了服务舱的研制工作。

“猎户座”飞船具有多用途、可重复使用的特点，设计能够到达月球、小行星等多个目的地。“猎户座”飞船由乘员舱、服务舱和发射紧急中止系统构成。飞船可搭载4名航天员，乘员舱可重复使用，最多可执行10次飞行任务。

星舰

“星舰”是由埃隆·马斯克的SpaceX公司研发的重型可重复使用的火箭系统，这个系统由一级助推器“超重”和顶端的“星舰”组成。这个系统总高达120米，可以运送货物或者宇航员至地球轨道、月球、火星甚至更远的太空，而它的载重能力预计可达100吨。

“超重”助推器能够在全力加速时产生1600万磅的推力，远远超过将“阿波罗”宇航员送上月球的“土星”五号。

性能对比

从核心能力指标看，国外龙飞船、“星际客船”、猎户座飞船、“雄鹰”飞船、“星舰”等新一代载人飞船试验船相较上一代的联盟号飞船技术能力有显著提升，新一代载人飞船发射质量、最大乘员人数大幅增加，可适应近地轨道、月球探测等多种类型的任务，同时均具备重复使用能力，通过复用提升系统综合效益。

中国可重复使用航天器

2021中国航天白皮书

《2021中国航天白皮书》指出，从2021年到2025年，中国持续提升航天运输系统综合性能，加速实现运载火箭升级换代。推动运载火箭型谱发展，研制发射新一代载人运载火箭和大推力固体运载火箭，加快推动重型运载火箭工程研制。持续开展重复使用航天运输系统关键技术攻关和演示验证。面向航班化发射需求，发展新型火箭发动机、组合动力、上面级等技术，拓展多样化便利进出空间能力。将在航天运输系统、空间基础设施、深空探测、发射场与测控等方面加强技术攻坚与提升，为中国可重复使用航天器的发展提供良好的保证。

此外，中国航天科技集团规划在2025年前后成功研制可重复使用的亚轨道运载器。

可重复使用试验航天器

2020年9月4日，中国从酒泉卫星发射中心使用长征2F运载火箭首次成功发射可重复使用试验航天器，在轨飞行2天后，于9月6日成功返回预定着陆场。

2022年8月5日，中国进行了第二次可重复使用试验航天器发射，在轨飞行276天后，于2023年5月8日成功返回预定着陆场。

2023年12月14日，中国在酒泉卫星发射中心运用长征二号系列运载火箭F运载火箭，成功发射一型可重复使用的试验航天器，在轨飞行268天后，于2024年9月6日成功返回预定着陆场。此次试验的圆满成功，标志着中国可重复使用航天器技术渐趋成熟，后续可为和平利用太空提供更加便捷、廉价的往返方式。

可重复使用运载火箭

2015年，中国运载火箭技术研究院进行了缩比模型的运载火箭伞降空投回收技术试验，使用了圆伞群伞回收测试。

2017年6月8日，在全球航天探索大会上，中国首次公布可重复使用火箭概念方案。在大会上，中国航天科技集团一院科技委主任、国际宇航科学院院士鲁宇在报告中证实，可重复使用火箭回收方案研究已经开展，技术方向包括伞降回收和垂直起降回收技术。鲁宇在报告中公布了“发展升力体式重复使用运载器‘三步走’的发展思路”，具体三步为火箭动力部分重复使用、火箭动力完全重复使用、组合动力飞行器。

长征8号运载火箭将发展为可重复使用火箭。2020年12月22日发射的长征8号首次应用了发动机推力调节技术，为后续重复使用技术提前进行了相关先期技术验证，为中国重复使用运载火箭研制打下坚实基础。未来长征8号将实现芯一级和固体助推器的回收，可以减少火箭发射成本，同时缩短发射周期。

2025年，多型可重复使用火箭会实施首飞，或者进行相应的试验，包括朱雀三号、力箭二号、天龙三号、智神星一号等。

空天飞机

2016年3月，香港特别行政区媒体援引美媒报道，中国的“神龙”空天试验飞机进行了一次试验，美国军队的所有侦察系统全部对准了这架轰-6和神龙飞船。

2021年，在中国国际航空航天博览会上，航天科工集团集团展示“腾云工程”空天飞机模型。由于航天的物理原理，空天飞机在轨飞行时是不需要消耗燃料的，并且因为太空的重力环境，做变轨飞行和姿态调整时也只需消耗很少的燃料。腾云工程已完成首次组合动力模态转化飞行试验，实现了空天飞行动力技术重大突破。

对中国的意义

可重复使用航天器的发展不仅会提升中国自主进入空间的能力，加快中国运载火箭更新换代的脚步，助力中国向世界航天强国迈进；势必也会带动高超声速空气动力学、高精度制导控制、先进空天动力、耐高温轻质材料与结构制造、重复使用评估标准等学科和技术的发展，进一步促进中国基础学科和工程技术水平的整体提升。

运输系统构建与分类

重复使用航天运输系统的构建通常较为复杂，大致可以分为三个部分：一是传统运载火箭构型重复使用，一般包括运载火箭助推、子级回收、垂直起降运载火箭。二是火箭动力重复使用，如升力式构型运载器。三是组合动力重复使用，如火箭基组合循环。

可重复使用航天运输系统的典型分类方式主要为三种：一是按系统的级数分类，包括多级入轨重复使用运载器和单级入轨重复使用运载器。二是按起降方式分类，包括短距/垂直起降机水平着陆重复使用运载器、垂直起降重复使用运载器和水平起降重复使用运载器。三是按所采用的动力形式分类，包括火箭动力重复使用运载器和组合动力重复使用运载器。

总体来看，重复使用航天运输系统主要按照传统运载火箭构型重复使用火箭、升力式火箭动力重复使用运载器及组合动力重复使用运载器3条技术路径同步开展研究。

关键技术

重复使用航天运输系统构建

重复使用航天运输系统的构建通常较为复杂，大致可以分为三个部分：一是传统运载火箭构型重复使用，一般包括运载火箭助推/子级回收和垂直起降运载火箭；二是火箭动力重复使用，如升力式构型运载器；三是组合动力重复使用，如火箭基组合循环。

可重复使用热防护技术

航天器飞行速度越来越高，气动加热问题日益严重。因此新一代可重复使用航天器要求热防护系统满足耐更高高温、抗烧蚀、可重复使用、高效隔热、高可靠性以及低成本等要求。

基于数字双框架的航天器结构寿命跟踪系统

航天器可重复使用的特性，使航天器在两次飞行之间的结构健康状况评估成为需要解决的问题。因此需要利用一种用于航天器结构寿命跟踪的数字双框架，实现对真实工程系统进行实时模拟、监测、诊断、状态预测和优化操作。

所具优势

成本优势

随着载人航天活动规模的扩大，人类在太空居住与生存的时间变长，承担运输的航天器的发射频次逐渐变高。而高昂的成本是制约载人航天任务发展的主要因素。航天器的低成本运营已成为未来载人航天发展的必然要求，发展可重复使用航天器技术成为降低成本的重要手段之一。

技术优势

与传统航天器相比，可重复使用航天器的发展，助推了两大技术形成明显优势：一是回收技术，二是推进剂。

火箭回收有三种主流方案：伞降回收、垂直回收和带翼飞回。三种当中，垂直回收飞行载荷小、着陆精度高，并且对火箭自身结构设计的改动最小，在三种回收方式中经济应用价值最高。垂直回收技术已经成为各国航天工程师研究的热点。

火箭的燃料被称为推进剂。推进剂在火箭发动机中快速燃烧，为火箭提供能量。按照状态来分，推进剂可以分为液体推进剂和固体推进剂两类。经过长期试验，科研人员们发现，采用低温推进剂是液态火箭发动机可重复使用的基本前提。这其中，液态氧甲烷推进剂具备高比冲、低成本、清洁环保、维护使用方便等优点，适合发动机大规模生产和重复发射，本身也便于在太空中长期贮存。液氧甲推进剂正在成为各国研究新一代重复使用火箭动力系统的主流选择。

总体评价

发展重复使用航天运输系统，能够支撑未来大规模开发和利用空间，形成廉价的天地往返运输工具，推动空间应用产业快速发展，牵引需求与需求牵引形成良性循环。发展重复使用航天运输系统，将实现中国航天运输由一次性使用向重复使用、由单一航天运输向航天运输与空间操作相结合的重大跨越，也将加速航天航空技术的深度融合，带动高超声速空气动力学、高精度制导控制、先进空天动力、耐高温轻质材料与结构制造、重复使用评估标准等一大批学科和技术的发展，促进中国基础学科和工程技术水平的整体提升，走适合中国国情的重复使用航天运输技术发展之路，支撑中国航天强国建设。（龙乐豪——中国运载火箭技术研究院，研究员，中国工程院院士，研究方向为运载火箭技术）

重复使用航天运载器是运载火箭的未来，也是满足大规模、高效益进出太空的前提条件。（宋征宇——研究员,博士研究生导师,国际宇航科学院院士）