“空天飞行器”概念和特征讨论

张聚恩/文

在研究和介绍航空器分类时，除常规航空器外，还有一个大类“非常规航空器”，其中，涉及到航空航天技术相结合的一类产品，故而引出空天飞行器的概念和特征的讨论。在这里发表这篇类似百科大词条、且字数限3000字左右的短文，是因著述需要，意在就概念是否准确、特征描述是否正确，广泛听取意见。诚望指正，先谢过了！

这里的“空天飞行器”是一个指代性称谓，指既非传统航空器、也非典型航天器的新飞行器械，主要包括航天飞机和空天飞机（aerospace plane）和亚轨道飞行器。它们是航空技术与航天技术结合的产物，将成为21 世纪的“全能超级明星”，成为人类飞行探索的新工具。

还有一类航空器——近太空航空器，属于航空器的范畴，但已具备空天飞行器的部分特征。因其特殊的属性与价值，也在这里作简要介绍。

1. 航天飞机

从字面意义理解，航天飞机应定义为具备航天飞行能力的飞机，或者更为直接简单的理解为最大飞行高度超过100千米的飞机。按此定义，X-15试验机就是一种典型的航天飞机。但在长时间的航空航天科技实践过程中，航天飞机逐渐被用于特指美苏在上世纪八九十年代研制的部分重复使用天地往返飞行器，即美国“哥伦比亚”号等航天飞机（space shuttle）和苏联“暴风雪”号航天飞机。

航天飞机是人类为寻求便捷往返于地球和外层空间之间的方式，而研制的一种载人的、部分可重复使用的飞行器。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，在再入大气层返回滑行和水平着陆段运用飞机技术。航天飞机把航空与航天技术结合应用，实现融运载火箭、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。

美国先后建造了 5 架载人航天飞机，按时间序，为“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号和“奋进”号；是世界上第一种实现部分重复使用的天地往返运输系统；共执行135次飞行任务。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”。苏联也开展了载人太空飞行的研发，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计划。

航天飞机由两枚固体火箭推进器、推进剂外挂贮箱、轨道器三部分组成。推进器和轨道器可以重复使用。美国航天飞机的全长56米，高23米，起飞质量约2000吨，可以把25-30吨有效载荷送入近地轨道，通常可乘坐6-8人。飞行时间在两周以内，最长达一个月。

航天飞机是人类航空航天史上的一项划时代成就，但投资巨大，使用成本高，有数据表明，若把美国在30年间研制、维护、更新航天飞机的全部费用，平摊到总共135次飞行活动，每次飞行的成本超过10亿美元；加之技术复杂，安全性不够，致“挑战者”号和“哥伦比亚”号先后发生空中解体的灾难，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-37B轨道试验飞行器（Obital Test Vehicle）最具代表意义，从2010年到2022年共进行了六次飞行试验。该飞行器仅有原航天飞机的四分之一大小，靠运载火箭入轨，最长在轨时间908天，可执行多种任务。它飞行在176-800千米的近地轨道，约90分钟绕地球一圈，具有变轨能力和多轨道飞行能力，据称可以从800千米高度俯冲到176千米的极限近地轨道，也能从这个高度飞升至800千米；返回大气层后滑行，水平降落，可重复使用；被认为是迷你航天飞机，或新型航天飞机的雏形。

2. 空天飞机

目前，航空航天界普遍把航天飞机和空天飞机作为两个独立的概念。对空天飞机（aerospace plane）的定义是，像飞机一样在跑道上水平起降，能依靠自身动力实现起飞、爬升、入轨、驻留、再入返回，是一种完全的可重复使用天地往返飞行器；需采用组合动力，如涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机等多种形式的组合。

各航空航天强国自 20 世纪末以来，推出过一些空天飞机研究计划，但由于技术难度高，迄今尚无实质性的工程突破。X-37B因垂直起飞，不能被认为是空天飞机。也有学者认为，按空天飞机的现有定义，未见明确的应用场景，有可能只是一个理论上的概念。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所需动力，这需要付出极高的技术代价。关于空天飞机的概念和真实需求，应继续开展研究。

3. 亚轨道飞行器

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（以卫星和太空站为主）绕某一天体运行的特定轨迹的封闭曲线，如绕地球运行。这些封闭曲线形成的平面叫轨道平面，轨道平面总是通过地心的。

绕地球运行的航天器轨道称地球轨道。按原本的科学概念，地球轨道是指地球绕太阳运转的轨道，也称绕日路径，平均半径约1.5亿km。但目前在大部分场合，直接把地球轨道认作飞行体绕地球的运行轨道了，形成了约定俗成的转义。

对地球轨道较为常用的划分是：

（1）近地球轨道（LEO，Low Earth Orbit，简称“近地轨道”或“近轨”)，高度160~2000km。绝大多数对地观测卫星、测地卫星、太空站以及一些新的通信卫星系统采用此种轨道。

（2）中地球轨道（MEO，Middle Earth Orbit，简称“中轨”)，轨道高度20000km。GPS、GLONASS、“北斗”（含5颗地球同步卫星）都使用此类轨道。

（3）高地球轨道（HEO，High Earth Orbit)，通常称地球同步轨道，或对地静止轨道（简称同步轨道或静止轨道），轨道高度36000 km。

轨道与卫星的关系最为直接。大部分人造卫星在300km以上运行；如导航卫星轨道在19000-36000km，环境监测与气象卫星轨道在360~800km，测量卫星轨道在300~6000km，电子侦察卫星轨道在500~36000km，通信卫星轨道在780~36000km等。有少量卫星运行在较低高度，主要是科学卫星和照相侦察卫星；科学卫星多在200~300km高度飞行，照相侦察卫星在200~500km高度飞行，在需要拉近照相时可变轨到160km的极限低高度，但能量消耗大，持续时间短。

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300~350km的太空站或其他航天器，其轨道速度约为每小时27000km。

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。具有亚轨道飞行能力的装置称为亚轨道飞行器，此类飞行器是航空、航天技术结合的产物，将部分轨道飞行特性与机动飞行结合起来，既有航天器的飞行高度和速度，又有航空器的灵活性，且造价和技术难度小于航天飞机，在军民用领域均有重要的发展与应用前景。

亚轨道飞行指具有部分轨道运行特点，但未能建立稳定轨道运行状态的飞行。应有如下两个判据：第一，最大飞行高度超过100千米；第二，达不到轨道速度而无法维持轨道飞行。两条判据同时符合的飞行，可称为亚轨道飞行。亚轨道不是轨道，因为构不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，不存在特定的高度范围，亚轨道飞行的高度范围实际上十分宽广。

几乎所有的弹道导弹和运载火箭都是亚轨道飞行器，有些运载火箭也被称作亚轨道运载器。有些航空器也可以进行亚轨道飞行，如飞行高度达到108千米的X-15试验型有人驾驶火箭飞机。2021年7月20日美国太空公司蓝色起源“新谢泼德”号飞行器跃上卡门线，可视为探索中的商业亚轨道飞行。见诸公开报道，我国航空航天界也开展了亚轨道飞行器研制，并取得重要进展。

4. 近太空航空器

近太空就是中国语境里的临近空间（near space），尚无准确的官方定义，但国内外各界广泛接受“临近空间即指地表以上20-100千米高度范围内的空域”这一概念。该定义中，其具体高程的高端无异议，对低端的认识不尽一致。有两种观点，一种是从20km到100km，即平流层加中间层，另一种从50km到100km，即整个中间层。第二种认识相对更为合理，这段高度域接近太空空间，仍属于航空范围，但因空气极度稀薄，其成分绝大部分为均质大气，且大部分处于电离区，需要解决一系列特有的技术问题，方能研发出适用的航空器。

近太空航空器是指工作在近太空，即传统航空器工作区间之上、低于卡门线（海拔100km）的一类航空器，具有重要的应用前景与战略价值。在民用上，大气与气象观测、环境监测、电信服务等，具有应用前景；在军用上，预警侦察、巡逻、通信、情报、电子对抗等方面具有应用潜力。一般说来，近太空航空器留空时间长、覆盖观测范围广、载荷能力强、效费比较高。

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、无人机等；后者指高速运行的航空器，如高超声速航空器、部分亚轨道飞行器等；其中飞机类的近太空航空器应能像常规飞机一样水平起降、多次重复使用、快速使用部署、具有高可靠性等，采用组合动力或火箭。