太空小飛機擬同日發射　中國成功美國走數：太空競賽格局已大不同

有一個趨勢近年來已經越來越清晰，那就是全方位的中美太空競賽已經開始。中美幾乎在每一個關鍵領域，從新一代飛船到空間站，從火星探索到載人登月，從可復用發射系統到超重火箭，從衛星導航系統到巨型低軌通信星座，幾乎都有對標的項目。太空小飛機也是其中之一。

太空小飛機是近來網上的一個流行稱呼，指的是中國「可重複使用試驗航天器」和美國X-37B這種類型的航天器。本來，12月14日中美兩國世界唯二的太空小飛機會同日發射升空，為航天史增添一個傳奇。結果中國毫無懸念地發射成功，美國卻臨陣跳票（意指「走數」），留下一個缺憾（尷尬）。本文詳談太空小飛機的演化歷史、作用和局限，及其承上啟下的意義。

首先明確幾個概念。按航天界約定俗成的共識，航天飛機（space shuttle）指的是採用火箭動力垂直發射入軌、滑翔水平著落的航天器。空天飛機（aerospace plane）指的是采用吸氣式發動機水平起降的航天器，即既能航空又能航天的飛機。太空飛機（space plane）則是兩者的統稱，都是有能力進入太空的有翼飛行器或是升力體。

所以，中國發射的「可重複使用試驗航天器」和美國的X-37B都屬於軌道級小型無人航天飛機。現在媒體普遍使用「空天飛機」一詞來稱呼它們是一種誤導，不僅不符空天飛機一詞原意，也把它們和未來更先進的真正的空天飛機混淆起來了。

航天飛機的概念出現非常早。1949年，當時在加州理工大學噴氣推進實驗室的錢學森提出了使用火箭動力垂直起飛、滑翔水平著陸的遠程飛機概念（史稱錢學森太空飛機）。在蘇聯發射第一顆人造衛星後沒幾天，1957年10月，美國空軍便啟動了X-20（DynaSoar，動力翺翔者）項目。X-20和半個多世紀後的X-37B在技術、尺寸、飛行剖面等方面極為相似，唯一的不同就是它是載人的。可想而知，這個設計是多麼超前，以至遠超當時的技術能力。1963年，X-20項目被取消。

由於錢學森太空飛機對X-20的影響，有些西方學者（如Mark Wade）甚至稱錢學森為「X-20之父」。加州理工官方網站則是這樣介紹的：錢學森做出了洲際太空飛機的設計。該設計後來激發和推動了X-20動力翺翔者 - 美國航天飛機的前身。錢老的卓識遠見不服不行。

正如加州理工所言，X-20的經驗為美國大型航天飛機的研製奠定了基礎，不過同期小型航天飛機卻停滯了幾十年。但蘇聯看到了機會。在登月競賽失利後，蘇聯啟動了「螺旋」小型航天飛機項目。七十年代，蘇聯研製了螺旋計劃大氣試驗機米格105、BOR（無人軌道火箭飛機）縮比亞軌道和軌道試驗機。其中BOR-4軌道試驗機4次發射入軌，4次海上回收成功。然而，後來蘇聯感受到美國航天飛機威脅（欺騙），決定放棄「螺旋」，改而研製大型航天飛機「暴風雪號」，BOR-4遂成為暴風雪號的試驗機。

小型航天飛機在上世紀末再次復興。歐洲三位一體載人航天計劃中有「赫爾姆斯」航天飛機。日本有「希望號」無人航天飛機。但因國力所限，它們先後夭折，從沒離開繪圖板。

美國在挑戰者事故後計劃研製HL-20空間站運輸飛船作為航天飛機的備份。有意思的是，HL-20居然抄襲了蘇聯「螺旋/BOR-4」的氣動設計。NASA官方說法是根據1982年澳大利亞間諜飛機拍攝的BOR-4印度洋回收照片進行了「逆向工程」。不過，當時美國在全力研製空間站，還有X-33單級入軌大型航天飛機，資源有限。HL-20計劃不斷收縮，最後演變成了X-38空間站逃生飛船。

X-38倒是離開了繪圖板。它的大氣試驗機進行過多次投放滑翔著陸試驗。當然，還是螺旋的氣動外型。所以，它從技術上說只相當於近30年前的米格105，甚至還不如。它的結局和當時NASA很多雄心勃勃的計劃一樣，毫無懸念地被取消了。不過它的故事還沒完，我們稍後還會講到。

上世紀90年代眾多NASA太空飛機計劃中唯一幸存的就是X-37。這項最早由NASA提出，後來美國空軍參與又退出，最後DARPA（國防先進項目研究局）接盤的計劃可以說是4個太空飛機計劃（X-33、X-34、X-37、X-38）中最不顯眼的一個。通過X-40縮比大氣試驗機、X-37A大氣試驗機多次投放著陸試驗後，2010年4月23日，X-37B首次發射成功，224天後成功著陸，成為美、蘇大型航天飛機後第三型成功在跑道著陸的軌道級航天飛機。

蘇聯解體後，航天發展受到重大打擊。繼承者俄羅斯不僅難以維持暴風雪號的後續研製，縮小規模、充分利用現有技術的MAKS航天飛機項目也沒能啟動。直到新世紀初，俄羅斯經濟緩過氣來，俄羅斯才在新一代載人飛船中考慮采用升力體/帶翼航天器方案。這就是「快帆」。快帆的設計歷經多次修改和優化，既有升力體，又有帶翼方案。但心有余而力不足，和冷戰後俄羅斯大多雄心勃勃的項目一樣，快帆最終還是腹死胎中，被常規飛船方案取代。多說一句，俄羅斯新一代載人飛船「鷹」（曾名「羅斯」、「聯邦」等）研製已近15年，但依然步履艱難，首發無期。

航天飛機的早期歷史看似一直沒中國什麼事。其實不盡然。雖然中國沒有研製航天飛機，但中國很早就開始技術跟蹤和預研。中國載人航天工程前期論證時期（863計劃），曾遴選出五個比較方案，其中三個半屬於航天飛機，分別是兩級全復用航天飛機（V-2）、帶主動力和不帶主動力小型航天飛機（長城一號、天驕一號），以及亞軌道空天飛機加小型航天飛機。最後一個方案是一次性飛船，如下圖所示。

順便說，上圖是作者20年前為德國《太空飛行》（Raumfahrt Concrete）雜誌撰寫的文章插圖，由其畫師按中國文獻重新繪製。有意思的是，這張外媒圖片現在竟然已成網上出現頻率最高、似乎是最權威的中國載人航天器比較方案圖片。

根據網絡上流出的圖片，當時的航天飛機方案不僅製作了縮比外觀模型，還有風洞試驗模型，表明中國當時已經達到相當的研究深度。其中有一個模型外形和X-20如出一轍。這不能不聯想到錢學森。不過，在1988年對兩個最後入圍方案的投票中，不帶主動力小型航天飛機以不到一分之差落敗於載人飛船。否則歷史就要重寫了。

沉寂30多年後，2020年9月4日，中國宣布成功發射「可重複使用試驗航天器」。2天後，試驗飛行器成功返回預定著陸場，成為史上第四型成功在跑道著陸的軌道級航天飛機。這個新聞出人意料，可以說是莫大的驚喜。只因保密工作太完美，以至外界對中國航天飛機的進展一無所知。但同時又不算意外，因為隨著國力增強，研製航天飛機合乎邏輯。這是期待已久的必然結果。

那麼，未來第五型能跑道著陸的軌道級航天飛機將花落誰家？答案應無懸念，那就是美國內華達山脈公司的追夢者小型無人航天飛機。明年第二季度，它將作為國際空間站第三款商業補給飛船，進行它的首次示範飛行。不過，它的運載工具是ULA（聯合發射聯盟）新型重型火箭「火神」（Vulcan）的第二發。火神首發已多次推遲。最新的時間表是明年一月。如果成功，追夢者將成為第一款私人公司開發的航天飛機。

你可能會發現，追夢者的外形和螺旋、BOR-4、HL-20、X-38是如此相似。沒錯，它就是螺旋的直系後裔。為促進和發展美國商業航天，NASA將HL-20的設計提供給了SpaceDev公司。後者於2008年被內華達山脈收購。它設計的追夢者航天飛機多次參與了NASA的國際空間站商業補給和商業乘員計劃，但只拿到了幾個前期標的，均無緣最終中標。直到2016年，追夢者才拿到NASA的合同，成為第三款空間站商業補給飛船。

追夢者漫長的歷史上有載人和貨運多種設計。有多款大氣試驗型號進行過投放著陸試驗。明年發射的型號是采用折疊翼並縮小尺寸的無人型號，以便納入火箭整流罩。未來載人型號將加大尺寸並采用無罩發射。但不管哪個型號，都帶有揮之不去的螺旋基因。如果蘇聯的設計師能活到今天，看到螺旋的後代升空，也許是一種安慰吧。不過，新火箭新航天器不確定因素很多。

未來，肯定還有更多的太空小飛機進入軌道。歐洲和印度都已經發射了亞軌道升力體或帶翼再入試驗飛行器。商業航天公司維珍銀河的太空船一號和二號已經實現了亞軌道飛行跑道著陸。這些都是研製軌道型小型航天飛機的基礎。不過，大型航天飛機目前已經退出了歷史舞臺，小型航天飛機能避免相同命運嗎？它到底有多少實用價值？有沒有發展前景？

接下來，我們就來討論這些問題。先看一下目前在役和即將服役的三款小飛機的用途。中國可重複使用試驗航天器和X-37B的官方用途都是「試驗」。而追夢者則是空間站運輸。

的確，由於可重複使用的特性，小型無人航天飛機非常適合作為空間試驗平臺。作為試驗平臺，它也比返回式衛星及空間站更為優越，因為它的著陸過載比返回式衛星和飛船更小，發射窗口比空間站更靈活，軌道選擇也更多樣化。

但X-37B是軍方項目，也不去空間站。民用科學實驗顯然不是它的目的。復用理論上能降低成本。但按X-37B的實際發射頻率，成本只會更高。這樣的稀缺資源用來執行其他航天器也能執行的民用任務是不合邏輯的。所以，它只可能用來執行常規航天器無法完成或不適合執行的軍事相關任務。相信中國的太空小飛機依照的也是同樣的邏輯。

從十幾年前X-37B首飛開始，全球的航天和軍事愛好者就開始猜測它的真正用途。太空戰鬥機和軌道轟炸機是最普遍的兩個假說。那麼真有這樣的可能性嗎？

所謂太空戰鬥機，意思是它具有攻擊敵國航天器的能力。按專業說法，就是天基反衛星武器。X-37B具有卓越的變軌能力，能靠近其他航天器，並采用機械臂捕獲等手段實施攻擊。事實上，它可能已經逼近非合作航天器執行過就近觀察的任務。從技術上說，讓它成為太空戰鬥機並不困難。但天基反衛星並不見得比直接上升式動能彈或激光/能量武器等地基手段更優越。變軌需要較長的時間提前量，需要耗費可觀的推進劑（尤其是變傾角），交會接近也需要時間，在突然性和靈活性上有很大缺陷。太空戰鬥機的可行性還有待證明，也許就是個偽命題。

軌道轟炸系統（OBS）也並非新概念。冷戰時期美蘇都積極探索過，但最終都放棄了。原因類似，就是它必須有較長的時間提前量進行變軌操作以便瞄準地面目標，這樣就失去了突然性和靈活性。此外，由於效費比關系，它只能是戰略核武器。在和平年代發射、部署、維護、更替、退役這樣的天基核武器系統存在一系列政治上無法接受的問題。先不說發射和再入回收可能出現的核汙染事故，請想象一下，如果我們頭上每時每刻都飛舞著數千枚核彈頭，一旦故障失控，會是什麼結果？隨著可地面部署、可隨時瞄準發射的部分軌道轟炸系統（FOBS）的出現，軌道轟炸系統已經完全失去了現實意義。

從X-37B的數量和發射頻率看，它也不可能是正式部署的太空戰鬥機或轟炸機。官方說法也許沒錯，它就是一個為軍方服務的太空技術試驗平台，可以執行用其他航天器很難或無法執行的試驗任務，比如需要在再入大氣層階段進行的試驗。不排除用它測試一些攻擊性技術，比如非合作對象的捕獲等。但歸根究底，它還是一個航天試驗平台。

原計劃本月14日（美國時間）發射的X-37B第七次飛行與以往都不同。它將採用重型獵鷹發射，預期會被送到一條遠地點數萬公里的大橢圓軌道。按國外航天人士猜測，很可能是閃電（Molniya）軌道。這種軌道能在高緯度地區保證大部分時間衛星的可見性，彌補靜止衛星無法覆蓋高緯度地區的缺陷。那麼，除了試驗大橢圓軌道的入軌和後期變軌，X-37B還會有哪些動作？讓我們拭目以待吧。

既然X-37B只是一個試驗平台，那麼我們就沒有必要過高估計它的軍事作用。以追夢者為代表，小型航天飛機作為新一代航天運輸系統價值更大、前景更光明。筆者認為，小型航天飛機的意義在於，它們接過了大型航天飛機的班，繼續探索水平著陸可復用航天器技術，為未來空天飛機鋪平道路。它們在大型航天飛機和空天飛機之間，起到了承上啟下的作用。

它們應該不會重蹈大型航天飛機的覆轍。美國航天飛機計劃的重要教訓是，既載人又載貨、大而全的多功能設計和使用最新技術的理念導致了系統極度復雜、安全性降低、維護性很差、成本高居不下。小型無人航天飛機因為規模縮小、功能專一、不載人對安全性要求降低，成本大幅下降。即使發射頻率不高，費用也能控制在合理範圍。所以，我們有理由看到它繼續發展，成為航天運輸系統的一個重要角色。

半個多世紀前，當蘇聯第一顆衛星上天、美國啟動X-20計劃時，中國的土地上還沒出現過任何現代火箭，我們唯有仰望。當美國航天飛機升空，蘇聯多次發射回收BOR-4時，天上已經有了幾顆中國衛星，航天飛機則是一個遠在天邊、可望不可求的夢想。今天，我們已經超越了歐洲和日本，甚至航天先驅蘇聯的繼承者俄羅斯，作為地球上擁有航天飛機的唯二國家和美國並駕齊驅。

那麼未來呢？小型航天飛機是承上啟下的產物，未來一定屬於空天飛機。就像文首提到的，中美航天在關鍵領域都有對標項目。中國兩大航天集團都在緊鑼密鼓地研製空天飛機。我們也在多種吸氣式高超音速發動機上取得了突破。航天科工集團的騰雲空天飛機計劃於2025年實現亞軌道演示飛行，2030年完成入軌飛行。

美國還沒有公開的空天飛機項目。只有一個項目勉強可以對標，那就是軍方參與英國反應引擎公司研製的佩刀發動機（Sabre）和雲霄塔（Skylon）空天飛機項目。只是，這是個延續了差不多30年的蝸牛計劃。而他們依然保持著不緊不慢的節奏，首飛遙遙無期。蒼海桑田，星轉鬥移，世間萬物此消彼長。不知不覺中，地球和太空都已經不同。

本文獲授權轉載自《觀察者網》時評專欄「底線思維」，作者陳藍，航天愛好者，英文電子雜誌「Go Taikonauts」創辦人之一。