太空小飞机是近来网上的一个流行称呼，指的是中国“可重复使用试验航天器“和美国X-37B这种类型的航天器。本来，12月14日中美两国世界唯二的太空小飞机会同日发射升空，为航天史增添一个传奇。结果我们丝毫没有悬念地发射成功，美国却临阵跳票，留下一个缺憾（尴尬）。

  有一个趋势近年来已经越来越清晰，那就是全方位的中美太空竞赛慢慢的开始。中美几乎在每一个关键领域，从新一代飞船到空间站，从火星探索到载人登月，从可复用发射系统到超重火箭，从卫星导航系统到巨型低轨通信星座，几乎都有对标的项目。太空小飞机也是其中之一。

  本文就来谈谈太空小飞机的演化历史，它的作用和局限，以及它承上启下的意义。

  首先明确几个概念。按航天界约定俗成的共识，航天飞机（space shuttle）指的是采用火箭动力垂直发射入轨、滑翔水平着落的航天器。空天飞机（aerospace plane）指的是采用吸气式发动机水平起降的航天器，即既能航空又能航天的飞机。太空飞机（space plane）则是两者的统称，都是有能力进入太空的有翼飞行器或是升力体。

  所以，我国发射的“可重复使用试验航天器“和美国的X-37B都属于轨道级小型无人航天飞机。现在媒体广泛使用“空天飞机”一词来称呼它们是一种误导，不仅不符空天飞机一词原意，也把它们和未来更先进的真正的空天飞机混淆起来了。

  航天飞机的概念出现非常早。1949年，当时在加州理工大学喷气推进实验室的钱学森提出了使用火箭动力垂直起飞、滑翔水平着陆的远程飞机概念（史称钱学森太空飞机）。在苏联发射第一颗人造卫星后没几天，1957年10月，美国空军便启动了X-20（DynaSoar，动力翱翔者）项目。X-20和半个多世纪后的X-37B在技术、尺寸、飞行剖面等方面极为相似，唯一的不同就是它是载人的。可想而知，这个设计是多么超前，以至远超当时的技术能力。1963年，X-20项目被取消。

  由于钱学森太空飞机对X-20的影响，有些西方学者（如Mark Wade）甚至称钱学森为“X-20之父”。加州理工官方网站则是这样介绍的：钱学森做出了洲际太空飞机的设计。该设计后来激发和推动了X-20动力翱翔者 - 美国航天飞机的前身。钱老的卓识远见不服不行。

  正如加州理工所言，X-20的经验为美国大型航天飞机的研制奠定了基础，不过同期小型航天飞机却停滞了几十年。但苏联看到了机会。在登月竞赛失利后，苏联启动了“螺旋”小型航天飞机项目。七十年代，苏联研制了螺旋计划大气试验机米格105、BOR（无人轨道火箭飞机）缩比亚轨道和轨道试验机。其中BOR-4轨道试验机4次发射入轨，4次海上回收成功。然而，后来苏联感受到美国航天飞机威胁（欺骗），决定放弃“螺旋”，改而研制大型航天飞机“暴风雪号”，BOR-4遂成为暴风雪号的试验机。

  小型航天飞机在上世纪末再次复兴。欧洲三位一体载人航天计划中有“赫尔姆斯”航天飞机。日本有“希望号”无人航天飞机。但因国力所限，它们先后夭折，从没离开绘图板。

  美国在挑战者事故后计划研制HL-20空间站运输飞船作为航天飞机的备份。有意思的是，HL-20居然抄袭了苏联“螺旋/BOR-4”的气动设计。NASA官方说法是根据1982年澳大利亚间谍飞机拍摄的BOR-4印度洋回收照片进行了“逆向工程”。不过，当时美国在全力研制空间站，还有X-33单级入轨大型航天飞机，资源有限。HL-20计划不断收缩，最后演变成了X-38空间站逃生飞船。

  X-38倒是离开了绘图板。它的大气试验机进行过多次投放滑翔着陆试验。当然，还是螺旋的气动外型。所以，它从技术上说只相当于近30年前的米格105，甚至还不如。它的结局和当时NASA很多雄心勃勃的计划一样，丝毫没有悬念地被取消了。不过它的故事还没完，我们稍后还会讲到。

  上世纪90年代众多NASA太空飞机计划中唯一幸存的就是X-37。这项最早由NASA提出，后来美国空军参与又退出，最后DARPA（国防先进项目研究局）接盘的计划可以说是4个太空飞机计划（X-33、X-34、X-37、X-38）中最不显眼的一个。通过X-40缩比大气试验机、X-37A大气试验机多次投放着陆试验后，2010年4月23日，X-37B首次发射成功，224天后成功着陆，成为美、苏大型航天飞机后第三型成功在跑道着陆的轨道级航天飞机。

  苏联解体后，航天发展受到重大打击。继承者俄罗斯不仅难以维持暴风雪号的后续研制，缩小规模、充分的利用现存技术的MAKS航天飞机项目也没能启动。直到新世纪初，俄罗斯经济缓过气来，俄罗斯才在新一代载人飞船中考虑采用升力体/带翼航天器方案。这就是“快帆”。快帆的设计历经多次修改和优化，既有升力体，又有带翼方案。但心有余而力不足，和冷战后俄罗斯大多雄心勃勃的项目一样，快帆最终还是腹死胎中，被常规飞船方案取代。多说一句，俄罗斯新一代载人飞船“鹰”（曾名“罗斯”、“联邦”等）研制已近15年，但依然步履艰难，首发无期。

  航天飞机的早期历史看似一直没中国什么事。其实不尽然。虽然中国没有研制航天飞机，但我国很早就开始技术跟踪和预研。中国载人航天工程前期论证时期（863计划），曾遴选出五个比较方案，其中三个半属于航天飞机，分别是两级全复用航天飞机（V-2）、带主动力和不带主动力小型航天飞机（长城一号、天骄一号），以及亚轨道空天飞机加小型航天飞机。最后一个方案是一次性飞船，如下图所示。

  图8：中国载人飞船/航天飞机比较方案（图源：Raumfahrt Concrete）

  顺便说，上图是作者20年前为德国《太空飞行》（Raumfahrt Concrete）杂志撰写的文章插图，由其画师按中国文献重新绘制。有意思的是，这张外媒图片现在竟然已成网上出现频率最高、似乎是最权威的中国载人航天器比较方案图片。

  根据网络上流出的图片，当时的航天飞机方案不仅制作了缩比外观模型，还有风洞试验模型，表明我国当时已达到相当的研究深度。其中有一个模型外形和X-20如出一辙。这不能不联想到钱学森。不过，在1988年对两个最后入围方案的投票中，不带主动力小型航天飞机以不到一分之差落败于载人飞船。否则历史就要重写了。

  沉寂30多年后，2020年9月4日，中国宣布成功发射“可重复使用试验航天器”。2天后，试验飞行器成功返回预定着陆场，成为史上第四型成功在跑道着陆的轨道级航天飞机。这个新闻出人意料，能够说是莫大的惊喜。只因保密工作太完美，以至外界对中国航天飞机的进展一无所知。但同时又不算意外，因为随着国力增强，研制航天飞机合乎逻辑。这是期待已久的必然结果。

  那么，未来第五型能跑道着陆的轨道级航天飞机将花落谁家？答案应无悬念，那就是美国内华达山脉公司的追梦者小型无人航天飞机。明年第二季度，它将作为国际空间站第三款商业补给飞船，进行它的首次示范飞行。不过，它的运载工具是ULA（联合发射联盟）新型重型火箭“火神”（Vulcan）的第二发。火神首发已多次推迟。最新的时间表是明年一月。如果成功，追梦者将成为第一款私人公司开发的航天飞机。

  你可能会发现，追梦者的外形和螺旋、BOR-4、HL-20、X-38是如此相似。没错，它就是螺旋的直系后裔。为促进和发展美国商业航天，NASA将HL-20的设计提供给了SpaceDev公司。后者于2008年被内华达山脉收购。它设计的追梦者航天飞机多次参与了NASA的国际空间站商业补给和商业乘员计划，但只拿到了几个前期标的，均无缘最终中标。直到2016年，追梦者才拿到NASA的合同，成为第三款空间站商业补给飞船。

  追梦者漫长的历史上有载人和货运多种设计。有多款大气试验型号进行过投放着陆试验。明年发射的型号是采用折叠翼并缩小尺寸的无人型号，以便纳入火箭整流罩。未来载人型号将加大尺寸并采用无罩发射。但不管哪个型号，都带有挥之不去的螺旋基因。如果苏联的设计师能活到今天，看到螺旋的后代升空，也许是一种安慰吧。不过，新火箭新航天器不确定因素很多。我们祝追梦者好运吧。

  未来，肯定还有更多的太空小飞机进入轨道。欧洲和印度都已经发射了亚轨道升力体或带翼再入试验飞行器。商业航天公司维珍银河的太空船一号和二号已经实现了亚轨道飞行跑道着陆。这些都是研制轨道型小型航天飞机的基础。不过，大型航天飞机目前已经退出了历史舞台，小型航天飞机能避免相同命运吗？它到底有多少实用价值？有没有发展前景？

  先看一下目前在役和即将服役的三款小飞机的用途。中国可重复使用试验航天器和X-37B的官方用途都是“试验”。而追梦者则是空间站运输。

  的确，由于可重复使用的特性，小型无人航天飞机很适合作为空间试验平台。作为试验平台，它也比返回式卫星及空间站更为优越，因为它的着陆过载比返回式卫星和飞船更小，发射窗口比空间站更灵活，轨道选择也更多样化。

  但X-37B是军方项目，也不去空间站。民用科学实验显然不是它的目的。复用理论上能减少相关成本。但按X-37B的实际发射频率，成本只会更高。这样的稀缺资源用来执行其他航天器也能执行的民用任务是不合逻辑的。所以，它只可能用来执行常规航天器没办法完成或不适合执行的军事相关任务。相信中国的太空小飞机依照的也是同样的逻辑。

  从十几年前X-37B首飞开始，全球的航天和军事爱好者就开始猜测它的真正用途。太空战斗机和轨道轰炸机是最普遍的两个假说。那么真有这样的可能性吗？

  所谓太空战斗机，意思是它具有攻击敌国航天器的能力。按专业说法，就是天基反卫星武器。X-37B具有卓越的变轨能力，能靠近其他航天器，并采用机械臂捕获等手段实施攻击。事实上，它可能已逼近非合作航天器执行过就近观察的任务。从技术上说，让它成为太空战斗机并不困难。但天基反卫星并不见得比直接上升式动能弹或激光/能量武器等地基手段更优越。变轨要比较长的时间提前量，需要耗费可观的推进剂（尤其是变倾角），交会接近也需要一些时间，在突然性和灵活性上有很大缺陷。太空战斗机的可行性还有待证明，也许就是个伪命题。

  轨道轰炸系统（OBS）也并非新概念。冷战时期美苏都积极探索过，但最终都放弃了。原因类似，就是它必须有较长的时间提前量进行变轨操作以便瞄准地面目标，这样就失去了突然性和灵活性。此外，由于效费比关系，它只能是战略核武器。在和平年代发射、部署、维护、更替、退役这样的天基核武器系统存在一系列政治上没有办法接受的问题。先不说发射和再入回收可能出现的核污染事故，请想象一下，如果我们头上每时每刻都飞舞着数千枚核弹头，一旦故障失控，会是什么结果？随着可地面部署、可随时瞄准发射的部分轨道轰炸系统（FOBS）的出现，轨道轰炸系统已经完全失去了现实意义。

  从X-37B的数量和发射频率看，它也不可能是正式部署的太空战斗机或轰炸机。官方说法也许没错，它就是一个为军方服务的太空技术试验平台，可以执行用其他航天器很难或无法执行的试验任务，比如需要在再入大气层阶段进行的试验。不排除用它测试一些攻击性技术，比如非合作对象的捕获等。但归根究底，它还是一个航天试验平台。

  原计划本月14日（美国时间）发射的X-37B第七次飞行与以往都不同。它将采用重型猎鹰发射，预期会被送到一条远地点数万公里的大椭圆轨道。按国外航天人士猜测，很可能是闪电（Molniya）轨道。这种轨道能在高纬度地区保证大部分时间卫星的可见性，弥补静止卫星无法覆盖高纬度地区的缺陷。那么，除了试验大椭圆轨道的入轨和后期变轨，X-37B还会有哪些动作？让我们拭目以待吧。

  既然X-37B只是一个试验平台，那么我们就没有必要过高估计它的军事作用。以追梦者为代表，小型航天飞机作为新一代航天运输系统价值更大、前景更光明。作者觉得，小型航天飞机的意义在于，它们接过了大型航天飞机的班，继续探索水平着陆可复用航天器技术，为未来空天飞机铺平道路。它们在大型航天飞机和空天飞机之间，起到了承上启下的作用。

  它们应该不会重蹈大型航天飞机的覆辙。美国航天飞机计划的重要教训是，既载人又载货、大而全的多功能设计和使用最新技术的理念导致了系统极度复杂、安全性降低、维护性很差、成本高居不下。小型无人航天飞机因为规模缩小、功能专一、不载人对安全性要求降低，成本一下子就下降。即使发射频率不高，费用也能控制在合理范围。所以，我们有理由看到它继续发展，成为航天运输系统的一个重要角色。

  半个多世纪前，当苏联第一颗卫星上天、美国启动X-20计划时，中国的土地上还没出现过任何现代火箭，我们唯有仰望。当美国航天飞机升空，苏联多次发射回收BOR-4时，天上已经有了几颗中国卫星，航天飞机则是一个远在天边、可望不可求的梦想。今天，我们已超越了欧洲和日本，甚至航天先驱苏联的继承者俄罗斯，作为地球上拥有航天飞机的唯二国家和美国并驾齐驱。

  小型航天飞机是承上启下的产物，未来一定属于空天飞机。就像文首提到的，中美航天在关键领域都有对标项目。中国两大航天集团都在紧锣密鼓地研制空天飞机。我们也在多种吸气式高超音速发动机上取得了突破。航天科工集团的腾云空天飞机计划于2025年实现亚轨道演示飞行，2030年完成入轨飞行。

  美国还没有公开的空天飞机项目。只有一个项目勉强可以对标，那就是军方参与英国反应引擎公司研制的佩刀发动机（Sabre）和云霄塔（Skylon）空天飞机项目。只是，这是个延续了差不多30年的蜗牛计划。而他们依然保持着不紧不慢的节奏，首飞遥遥无期。

  苍海桑田，星转斗移，世间万物此消彼长。不知不觉中，地球和太空都已经不同。

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