张聚恩/文

【说明】由我主编的《新航空概论（第1版）》在2010年4月出版后，受到欢迎，多次印刷，畅销不衰。根据航空航天事业的新发展，在12年之后，于2022年4月又推出了由我和王旭东联合主编的《新航空概论（第2版）》。在该版2025年8月第三次印刷时，对其中的“第2.6.1节空天飞行器”进行了改写。该版此次印刷的书籍已在2026年新年前正式上市。由于这一节涉及空天融合的诸多新概念、新实践，需要特别予以关注；现将这一节的新文稿发表于此，以飨读者，并请指正。在这里，要特别感谢中国航空研究院廖孟豪对这次“改写”给予的大力帮助，他在“高超”领域的积累和造诣，对于准确描述“空天飞行器”至关重要。

《新航空概论》2.6.1空天飞行器（2025年8月13日完稿）

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2.6.1 空天飞行器

这里的“空天飞行器”是一个指代性称谓，指同时具备航空器和航天器部分典型特征的可重复使用飞行器械。一般可分为入轨和非入轨两类。入轨型主要包括垂直起飞/水平着陆空天飞行器和水平起降空天飞行器；非入轨型主要指亚轨道飞行器。空天飞行器是航空技术与航天技术结合的产物，是21世纪航空航天发展的热点。

2.6.1.1 垂直起飞/水平着陆空天飞行器

垂直起飞/水平着陆空天飞行器通常被称为航天飞机。

航天飞机是人类为便捷进入外层空间而研制的一种可重复使用的、往返于近地轨道和地面之间的可载人空天飞行器；由形如飞机的轨道器（内部有驾驶舱、工作舱和生活舱）、储存推进剂的外贮箱（燃料箱）和固体火箭助推器组成。航天飞机的轨道器可以重复使用，固体火箭助推器燃尽后可以回收再次利用。

航天飞机在起飞到入轨的上升阶段运用火箭垂直起飞技术，在太空轨道飞行段运用航天器技术，在入轨完成任务后，再入空气相对稠密的大气层，依靠空气动力学原理飞行并完成水平着陆（见图2-36）。航天飞机实现了融运载火箭、人造卫星、货运飞船、载人飞船和小型空间站于一身的综合功能。

图2-36 航天飞机着陆时的情景

美国先后建造了 5 架载人航天飞机，按时间顺序分别为“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号和“奋进”号。它们是世界上第一种实现部分重复使用功能的天地往返运输系统；航天飞机的全长56米，高23米，起飞质量约2000t，可以把25-30t有效载荷送入近地轨道，通常可乘坐6-8人；飞行时间一般在两周以内，最长达一个月。首架“哥伦比亚”号于1981 年 4 月 12 日第一次执行飞行任务，2011 年 7 月 21 日，“亚特兰蒂斯”号完成“谢幕之旅”，5架航天飞机共执行了135次飞行任务。苏联也开展了航天飞机的研发，1988年11月“暴风雪”号航天飞机进行了一次不载人飞行试验，后因苏联解体和经费断供而终止其研制计划。

航天飞机是人类航空航天史上一项划时代的成就，但投资巨大，使用成本高。美国航天飞机项目于1972年启动研制，1981年首飞，2011年全部退役，历时40年。据NASA官方数据，整个计划（1971-2011年）总成本约为2090亿美元（包含研发、制造、发射及维护）。在不分摊项目研制费和采购费的前提下，单次执飞的边际成本约4.5亿美元。加之技术复杂，安全可靠性不够，致“挑战者”号和“哥伦比亚”号先后发生空中解体，共14名宇航员牺牲。航天飞机在未完全达到预期目标的情况下，退出了历史舞台。

此后，美国仍在进行新型航天飞机的研发，其中，X-33是NASA和洛·马公司合作开发的一种单级入轨可重复使用飞行器的试验机，采用升力体外形，是一种有翼楔形飞行器（见图2-37），旨在验证新一代航天飞机的关键技术；项目始于1996年，终止于2001年。其后，美国又进行了X-37B轨道试验飞行器（Orbital Test Vehicle）研制。见本书1.5.1.1节。我国也开展了类似的研究，在持续研究的成果基础上，航空工业成都所正在进行“昊龙”可重复使用货运航天飞机的工程研制（见图2-38）。

图2-37 美国NASA的X-33研究机

图2-38 “昊龙”可重复使用货运航天飞机

2.6.1.2水平起降空天飞行器

水平起降空天飞行器通常被称为空天飞机。

空天飞机是指完全依靠自身动力，像飞机一样从跑道上起飞，加速爬升并入轨，完成任务后再入大气层并像飞机一样水平着陆的重复使用飞行器。一般分为单级入轨和两级入轨两类，前者典型装备概念有美国X-30空天飞机验证机、英国“云霄塔”（Skylon）空天飞机等，后者典型装备概念有德国“桑格尔”（Sänger）空天飞机等。

美国国家空天飞机计划 (NASP) 的核心产物 X-30，是冷战后期技术雄心的象征。X-30采用单级入轨方式，依靠涡轮动力从常规跑道起飞，凭借吸气式超燃冲压发动机加速至Ma25，最终进入地球轨道。该项目的核心挑战在于 “空气液化循环” 技术，即超高速气流在发动机内被压缩冷却至液态，与液氢燃料混合燃烧。但项目遭遇一系列难题，主要是超燃冲压的稳定燃烧、耐高温的轻质材料以及复杂系统集成等，导致研发投入过高（约数十亿美元）。美国国会于1993年终止了该计划，但其部分成果为后续X-43、X-51等高超声速验证项目提供了一定的技术基础。

英国反应发动机公司 (Reaction Engines) 主导的“云霄塔”项目，代表着对单级入轨空天飞机梦想最为坚韧的追求。方案的核心是革命性的协同吸气式火箭发动机（SABRE），其技术关键在于创新的预冷器技术：在千分之一秒内，将超声速进气从1000°C骤降至-150°C，使发动机吸气模态能够从起飞一直工作到Ma5.5/25km米高度。此后，SABRE无缝切换为闭循环液氢液氧火箭模式，直到进入轨道。“云霄塔”设计为无人驾驶货运空天飞机，目标是将近地轨道发射成本减至每千克1000美元。该项目经历漫长的研发进程与资金的挑战，关键里程碑不断达成，如预冷器核心技术已通过严苛的地面测试，部分证明了其工程可行性。

德国MBB公司于20世纪80年代提出的“桑格尔”空天飞机方案，展现了一条不同于单级入轨的务实路径——两级入轨。该方案的第一级是一架大型载人高超声速飞机，采用涡轮冲压组合循环发动机，以液氢为燃料，加速至约Ma7/30千米高度释放第二级。第二级是一款小型有翼飞行器，使用自身氢氧火箭发动机进入太空，并可再入返回跑道。“桑格尔”的优势在于：第一级可重复使用，像飞机一样着陆维护；第二级设计灵活，可载人或运货。其设计特别考虑了欧洲的地理需求，能从普通机场水平起飞执行任务。然而，项目的技术复杂度、冷战结束后欧洲政治经济重心转移以及高昂的预估成本（数百亿马克），最终导致德国联邦政府在1995年终止了国家层面的资助。尽管“桑格尔”未能飞天，但其组合循环推进概念、高超声速气动设计和两级构型思想，深刻影响了欧洲及全球后续的高超声速飞机与可重复使用航天运输器研究。

各航空航天强国自 20 世纪80年代以来，推出过如上所述的多个空天飞机研究计划，但由于技术难度过高，迄今尚无整体性工程突破。空天飞机在理论上是可行的，但在工程实现上是否可行，牵涉到资源与效费比问题。让一架飞行器在大气层内外飞行，就要求有适用的机上推进系统，在飞行包线内的每一个区域都应能提供相应动力，这需要付出极高的技术与经济代价。关于空天飞机的真实需求和实现路径，尚需继续深入研究。

2.6.1.3 非入轨型空天飞行器

非入轨型空天飞行器又称为亚轨道飞行器，即具有亚轨道飞行能力、可重复使用的空天飞行器。此类飞行器将部分轨道飞行特性与机动飞行相结合，保持和发挥航空器的灵活性特点，在军民用领域均有独特的价值与作用。

航空是一种在空气空间的自由飞，一般没有轨道的概念。在航空航天领域说到“轨道”，主要是指航天器绕天体运行的特定轨迹的封闭曲线，这些封闭曲线形成的平面叫轨道平面。绕地球运行的航天器以卫星和空间站为主，它们的飞行轨道称地球轨道。

航天器凭借其作类圆周运动所产生的离心力，来与重力相平衡。使航天器在轨道上稳定运行的速度被称为轨道速度。不同的轨道高度，其轨道速度也不同。例如运行在300~350千米高度范围的空间站或其他航天器，其轨道速度约为每小时27000千米。

不同于轨道飞行，亚轨道飞行是指借助人造装置，最大飞行高度超过卡门线（距地表100千米），但达不到轨道速度、无法维持轨道运行的一类飞行。需要指出的是，亚轨道不是轨道，因其不能构成稳定轨道飞行的状态，至多可以理解为亚轨道飞行的轨迹。亚轨道也不是高度，不存在特定的亚轨道高度范围，亚轨道飞行的高度范围实际上十分宽广。

美国维珍银河公司的 "太空船二号" 是当前唯一实现商业载人亚轨道飞行的飞行器。它采用独特的 "载机空中投放+火箭动力爬升+变构型再入返回" 模式：由载机"白骑士二号"携带至约15千米高度释放，随后火箭发动机工作，持续约1min。其设计最大速度为Ma3.04 (约3265km/h)，最大飞行高度超过80千米，并曾抵达110千米的测试高度。其标志性的 "羽翼" 变构型系统在再入时将尾翼大幅上折，提供稳定气动减速。该机可搭载2名飞行员和6名乘客。历经多年测试（包括2014 年坠毁事故）后，于 2021 年完成首次满员商业飞行。

美国 NASA/空军的 X-15 高超声速技术验证机（1959-1968年）保持着最高速度（Ma6.72，约7274km/h）和最高高度（108千米）的有人驾驶飞机世界纪录。它由B-52轰炸机在约13.7km高空释放，起动自身的XLR99 液体火箭发动机（使用液氨和液氧）。机体采用镍基高温合金以应对1650°C 的气动加热。X-15 共完成 199次飞行，其中2次超过100km高度。它验证了高超声速飞行、大气再入控制、热防护材料和太空舱设计等关键技术，其成果直接服务于水星计划、“双子星座”计划和阿波罗计划等。

美国 XCOR 宇航公司研发的 "山猫"（Lynx）是一款单级、水平起降亚轨道飞行器。其设计目标是为科研和太空旅游提供高频次、低成本飞行（目标价9.5万美元/座）。Lynx采用紧凑的双座设计（1名飞行员和1名乘客），配备4台自研 XCOR活塞泵循环火箭发动机（XR5K18），使用煤油和液氧推进剂。设计最大高度约120km，单次飞行任务时长约30min（从起飞到着陆）。首架原型机 Lynx Mark I（目标高度61km）完成关键发动机测试（2013年实现单台发动机点火1500次）和机身制造（2015年公开展示），但未实现首飞。因主要投资方撤资，XCOR公司于2017年破产清算，Lynx项目随之终止。虽未升空，Lynx的水平起降理念和高效泵技术为后续商业亚轨道飞行器开发提供了重要参考。

2.6.1.4 近太空航空器

近太空航空器是指工作在近太空（near space，又称临近空间），即传统航空器高度范围之上、又低于卡门线的特殊航空器，不属于空天飞行器。在这里介绍的原因是此类航空器种类多，高度范围宽，其中一部分与亚轨道飞行器有相近之处。

关于近太空，尚无明确的官方定义，但国内外较多地使用“地表以上20-100km高度范围内的空域”这一概念。鉴于这一高度范围十分宽广，包含对流层顶部和全部平流层与中间层，气象特性多样，也有学者主张将近太空的高度范围限定于中间层，即从大约50km到100km。无论取何种认知，该高度域仍属于航空范围。

近太空航空器主要有低动态和高动态两类。前者指速度较低的航空器，如超高空气球、部分高空无人机等；后者指高速飞行的航空器，如高超声速航空器、部分亚轨道飞行器等，此类航空器为适应变高度域和稀薄大气环境，需采用组合动力。飞机类的近太空航空器应能水平起降，多次重复使用。近太空航空器一般飞行高度高、机动范围广，可广泛用于军事作战、民用运输、商业航天发射等用途，具有重要的应用前景与战略价值。