巅峰高地讲堂|神龙空天飞机重现江湖？速度24马赫，系列独创技术领先大洋彼岸 “到2020年中国将会怎样？”这

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“到2020年中国将会怎样？”这一问题不仅是过去数十年街头巷议的热门话题，更是各领域发展的一个重要时间节点，身处2020年的我们更加感慨“一不小心就见证了历史” 。
2020年航天战线更是一个超级年，数十年奋斗都将在今年开花结果：
5月5日，长征五号B型遥一运载火箭发射升空，意味着我国航天正式迈过20吨级运力门槛，是航天强国的重要标志；

长征五号B型遥一运载火箭
5月8日，新一代载人飞船试验船返回舱成功着陆于东风着陆场，标志着我国在全球范围内率先实现21世纪载人登月用途的新一代载人飞船完整构型首飞任务；
7月23日，天问一号飞船由长征五号遥四运载火箭顺利发射升空，该飞船是人类迄今为止向火星一次发射的最大吨位飞船，而且要完成一步实现绕落巡火星的壮举；

新一代载人飞船（左）与天问一号（右）
7月31日，随着最后一颗北斗三号卫星完成在轨测试，我国宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通……
2020年刚刚过半航天战线就已经取得上述四大史诗级胜利，然而这还没有完。本月4日，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号F运载火箭成功发射一型可重复使用的试验航天器。
试验航天器将在轨运行一段时间后，返回国内预定着陆场，期间，将按计划开展可重复使用技术验证，为和平利用太空（重要的事情说三遍：和平利用太空）提供技术支撑。

长征二号F型运载火箭（资料图）
此次发射也是长征二号F型运载火箭的第14次发射，是该型火箭自神舟十一号飞船任务后时隔近四年后的再次飞天，为明年全面启动天宫空间站在轨建造提供技术支撑。
国产航天飞机缘起载人航天工程
可重复使用的试验航天器究竟是什么？为什么它要用载人专用火箭实施发射任务？不得不说这款航天器与载人航天工程有着千丝万缕的联系。

神舟五号飞船任务
载人航天工程自1992年立项以来就确立了三步走发展规划，第一步通过神舟一号至五号共五次发射任务掌握载人天地往返能力；第二步通过神舟七号至十一号共五艘神舟飞船以及天宫一号、二号两座空间实验室，加上一艘天舟货运飞船掌握包括航天员出舱行走、空间交会对接、燃料在轨补加、航天员中期驻留等一系列空间站建造的核心技术；第三步就是在轨组装天宫空间站。

神舟11号空间交会对接
从技术难易程度来看载人航天是当今世界迄今为止最为复杂的航天技术，难就难在“人命关天”四个字上，航天员天地往返的背后是一个航天巨系统。以我国载人航天工程为例，包括了航天员系统、空间应用系统、载人飞船系统、货运飞船系统、长征二号F运载火箭系统、长征七号运载火箭系统、酒泉发射场系统、测控通信系统、空间实验室系统、着陆场系统。
随着载人航天工程第三步任务的展开又扩展了长征五号B运载火箭系统、文昌发射场系统、光学舱系统。

文昌发射场系统
载人航天三步走规划众人皆知，然而三步走规划之外还有一个更高层级的“两步走规划”鲜为人知，这还得从载人航天工程立项说起。
我国大科学工程立项之前都会结合各种要素进行充分的科学论证，载人航天工程立项时就出现了前所未有的“大讨论” ，讨论的核心焦点就是天地往返载具的选择问题。
天地往返运输载具是载人航天工程的核心技术， 20世纪掌握这一技术的玩家有且仅有两个，进入21世纪后由于航天飞机退役大洋彼岸甚至出现了长达9年的载人航天空窗期，而不得不寻求联盟系列飞船的帮助。

航天飞机
天地往返运输载具可以是载人飞船，也可以是以航天飞机为代表的带翼航天器，当时航天航空系统的分歧是，究竟选择载人飞船还是航天飞机，两种观点互不相让。
1987年4月863—204专家组以招标方式选取了飞船、不带主动力的小型航天飞机、带主动力的航天飞机、两级火箭飞机和空天飞机五种方案进行深入论证和对比分析。不论是招标方案还是技术分析，主张发展航天飞机的立场始终占据上风，因为带翼航天器被认为是未来天地往返运输技术的发展方向。

参与竞争的5套天地往返运输载具
然而理想主义最终还是要让位于现实主义，我国在上世纪八九十年代确实具备部分研发航天飞机的条件，但并不充分。
航天飞机首先要有强大的航天实力，载人级航天飞机发射质量必然要比载人飞船大得多，当时长征二号E运载火箭的10吨级运力显然不够。

长征二号E运载火箭
同时航空技术水平的权重要比载人飞船高得多，跨大气层飞行需要突破带翼航天器大马赫数再入气动控制、防热烧蚀等一系列技术难关，而航空工业当时鲜少触及这一领域，那一时期沈飞还在攻关歼-8Ⅱ ，成飞歼-10项目刚刚上马不久，根本没有能力胜任这一任务，同时还需要建设高超音速风洞群验证航天飞机的气动设计。
火箭运力、大马赫数飞行、风洞……这些技术难关并非无法攻克，但远水不解近渴，如果当时选择航天飞机方案我国突破载人航天能力起码要延后十年，甚至是更长时间。

神舟飞船的原始设计方案
载人飞船方案之所以能够脱颖而出的根本原因在于可以让我们更早拥有载人航天能力，从1992年立项算起至2003年神舟五号载人飞天，我们只用了不到12年时间就掌握了在当时具有世界先进水平的三舱布局飞船。
之所以能够多快好省地实现目标，缘于扎实的飞船研制基础，首先当时我们已经具备10吨级近地轨道发射能力，在长征二号E型火箭基础上进行可靠性升级可以很顺利地突破载人火箭技术，同时，可以利用多次发射的返回式卫星的返回技术研制载人返回舱。

金牌载人火箭长征2号F成功率100%
虽然载人飞船方案最终开花结果，但这并不意味着航天飞机方案的偃旗息鼓。 863-204专家组后来又提交了综合报告提出三步走规划之外天地往返运输系统由初级到高级的两步走技术路径，即第—步，以较少的经费和较短的周期研制出初期的天地往返运输系统—神舟载人飞船；第二步，研制先进且经济的天地往返运输系统—两级水平起降的空天飞机。
在载人飞船与航天飞机之争中为前者投出关键一票的航天之父钱学森后来也在给黄志澄的信中指出， “21世纪的中国人一定要在空天飞机上显一显身手，一件国家大事” 。

方案五梦想照进现实
终极目标：“两级水平起降的空天飞机”
航天飞机与空天飞机都可以称为“带翼航天器” ，航天飞机的飞行特性是垂直起飞/水平降落，能在太空空间进行轨道飞行，在大气层内无动力滑翔飞行。例如，大洋彼岸的航天飞机、X-37B ，空天飞机是指具备水平起降能力，能在大气层内外空间进行飞行，目前人类尚没有攻克这一技术。
航天飞机与空天飞机都有一个终极目的就是实现天地往返运输系统的重复使用，以降低成本。空天飞机可以视为基于航天飞机技术的跨代装备，具有一系列技术优势：
1.空天飞机无需携带大量氧化剂，组合动力发动机可以汲取大气层中的氧气进而燃烧做功，起飞质量比航天飞机小得多，同时运作效率更高；

空天飞机起飞级
2.空天飞机可以实现完全的重复使用，航天飞机相较而言劣势明显；
3.空天飞机能够在普通机场跑道滑跑起飞，无需依托发射塔架设施，更加机动灵活，航天飞机则相反。

空天飞机起飞级入轨级均可重复使用
人们对事物的发展认识从来不是一成不变，而是不断学习提高的一个过程。例如，载人航天工程三步走规划中的第三步最初只是计划发展一种20吨级的天宫空间站，只有一个核心舱与两个对接口对接载人飞船与货运飞船，然而随着综合国力的迅猛增强当初20吨级的小蜗居已经演变成了百吨级豪华大三居，配置有一个核心舱、两个实验舱外加桁架式柔性砷化镓太阳翼，综合技术水平反超国际空间站。

天宫空间站技术水平反超国际空间站
载人航天工程经过二十余年发展已经积累了相当雄厚的技术实力，同时得益于国防应用需求刺激，我们已经完全具备研发带翼航天器的技术实力，许多当年不敢想不敢做的事情如今都可以大胆放手去做。
可重复使用的试验航天器对于外界而言又是一个“技术奇袭” ，放眼全球拥有此种航天器的玩家有且仅有两个，一个是我们，另一个就是大洋彼岸的X-37B ，然而看似迅雷不及掩耳之势的背后仍然是扎实的积累。

X-37B
首先要明白研制可重复使用试验航天器的终极目标是“两级水平起降的空天飞机” ，后者起飞级动力是组合动力发动机，起飞时依靠涡喷发动机，进入高空进行高超音速飞行时改换超燃冲压发动机模式，进入临近空间后入轨二级与一级分离，随后入轨二级启动火箭发动机进入轨道空间，这里的入轨二级就是一款带翼轨道器。

两级入轨空天飞机
航天飞机带翼轨道器与空天飞机二级轨道器是同一类产品，因此在发展空天飞机之前必须先攻克带翼轨道器的研制，酒泉卫星发射中心此次发射的可重复使用试验航天器就是带翼轨道器，在完成轨道测试任务后它可以再入大气后滑翔返场降落于机场跑道，不用再像此前神舟飞船返回舱那样需要一支专门队伍在茫茫戈壁上搜寻。
技术成体系突破加速航天飞机“白菜化”
21世纪第一个十年期间曾经有一张轰-6轰炸机挂飞代号“神龙”飞行器的照片广为流传，当时不少人认为它就是一款空天飞机，实际上这款飞行器只能起到大气层内的动力测试作用。

神龙验证飞行器
大约在十年前陕西卫视又石破天惊地报道了我国跨大气层飞行器试飞成功的消息，此次试飞是亚轨道飞行还不是正式的轨道飞行，真正的轨道飞行就是此次发射的可重复使用试验航天器。

跨大气层飞行器试飞成功
带翼航天器研制的难点有三个，一个是在轨长期运行管控能力，首先要有充沛的电力供应，以大洋彼岸的X-37B航天飞机为例其机身中部为可展开的货仓，货仓里有可呈扇形展开的太阳翼。
这一技术对我们而言不存在任何瓶颈，而且基于柔性砷化镓太阳翼技术，我们的光电转化效率更高。
在轨管控还包括姿态控制能力， X-37B机身周遭遍布有多部可重复启动上千次的姿控发动机，我国今年上半年发射的新一代载人飞船返回舱应用的世界最大推力的无毒无污染高可靠性的双组元发动机更是具有跨代领先优势，同样可以应用于可重复使用试验航天器。

新一代载人飞船双组元姿控发动机
服务载人登月任务的新一代载人飞船试验船还验证了高度自主化的GNC系统，它可以自主测定轨道进行机动，而无需地面测控站干预，因此可以预见可重复使用试验航天器在轨性能将全面优于X-37B 。
第二个难点就是再入大气层，与巅峰高地此前分析DF-26再入大气层一样，带翼航天器再入大气的热控环境更加复杂，不同于双锥体构型的DF-26 ，呈飞机形态的带翼航天器热力聚集效应更加明显，机头与机翼前端将承受最强热流烧蚀。

再入大气层热流烧蚀
根据十年前的报道披露，我国带翼航天器应用了陶瓷基复合材料，而经过十年发展我们的选择更多，湖南中南大学耐受三千摄氏度高温烧蚀的金属基耐烧蚀材料、新一代载人飞船试验船返回舱使用的多款轻质低烧蚀防热材料都可以胜任。
可重复使用试验航天器再入大气减速不同于载人飞船返回舱基于气动减速与减速伞减速，前者只有气动减速，其再入速度高达24马赫，需要高超音速风洞进行充分的吹风测试，以验证其设计可靠性，我国在西南地区早在十年前就建成的亚洲最大世界先进的风洞群将对此项工作提供支持。

国产高能脉冲风洞
第三个难点是高速自主返场降落，带翼航天器着陆需要有极高的落点精度，因为它的着陆点是仅有数十米宽度的机场跑道，保证高精度返场降落有两个手段，首先是再入大气的初始轨道精度保证，再就是航天器基于机翼与自主控制系统的落点精度修正。
今年上半年完成首飞任务返场着陆于东风着陆场的新一代载人飞船试验船返回舱就实现了10.8环的高精度落点成绩，这主要得益于新飞船上装备了“全数字全系数自适应预测校正制导系统” ，这套系统是完全迥异于国内外其他方法的独创技术，它的智能化程度更高，能够灵活应对复杂多变的飞行环境，控制更平稳、精度也更高。
【巅峰高地讲堂|神龙空天飞机重现江湖？速度24马赫，系列独创技术领先大洋彼岸】
新一代载人飞船打出10.8环落点精度成绩
具体方法是实时预报返回舱轨迹误差，进而根据误差调整飞行轨迹，大家想象一下连没有机翼的返回舱都能够实现10.8环落点精度，对于控制能力更强的带翼航天器应用这项技术后将会怎样？这是完全可以预见的。
实际上早在十年前跨大气层飞行器进行亚轨道飞行时我们就已经突破了自主返场降落技术，基于这一技术又衍生发展了为反舰快递指示海上目标的无侦-8高超音速火箭动力无人机。

无侦-8
闷声发大财是航天系统的习惯，悄无声息地就攻克了令各国羡艳的航天飞机技术，而可重复使用试验航天器仅仅是一个开局， “白菜化”才是我们的最终目标。
目前已知的带翼航天器就有三款，分别是中航成飞的跨大气层飞行器、航天科技一院的火箭客机、航天科工集团的腾云空天飞机，看似俗气的“白菜化”背后实则是技术发展的普遍规律。未来基于空天飞机技术研制的轨道客机将进一步提高人类交通效率，加速全球化整合，而我们必将成为技术的引领者、规则的制定者、全球的主导者。

巅峰高地讲堂|神龙空天飞机重现江湖？速度24马赫，系列独创技术领先大洋彼岸

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