垂直起飞、水平降落方式（航天飞机）

人类最早的可复用航天器，即美国航天飞机和前苏联暴风雪航天飞机便采用这一方式。但航天飞机的失败是一味追求先进性、忽视经济性的设计思路而非起降方式本身导致的，比如安全要求极高也极昂贵的载人设计、极为复杂并需要拆解进行维护的分级燃烧氢氧主发动机、由数万片极为脆弱的防热瓦构成的防热系统、隐患多多的轨道器偏置设计，昂贵的固体助推器等等。上世纪90年代，NASA的X-33单级入轨航天飞机是再一次的尝试。虽然解决了航天飞机的诸多缺陷，但NASA偏好新技术的激进策略再次导致了它的失败。

图7：航天飞机（图源：NASA）

图8：X-33（图源：NASA）

中国航天科技的火箭动力二级可复用运载系统和美国已经取消的XS-1项目有点类似。它们的第一级都采用亚轨道航天飞机，第二级为一次性火箭，实现部分复用。由于大尺寸的第一级升力飞行器不需要入轨，避免了复杂外形飞行器的再入气动和防热难题。两次试验飞行取得成功，表明主要技术难题已经被攻克，项目已经取得重大突破。

图9：XS-1可复用运载器（发射状态）（图源：NASA）

图10：XS-1可复用运载器（释放第二级）（图源：NASA）

和垂直起降方案相比，垂直起飞水平降落（航天飞机）方式着陆过载更低、着陆机动能力（尤其是侧向机动能力）更强、复用次数更多，更容易实现民航级的航班化运营。

水平起飞、水平降落方式（升级版航天飞机、空天飞机）

水平起降的可复用运载器可能是最理想的航天运载方案。它省去了投资不菲的固定发射场，独立性强（对地面依赖少）、灵活性大，是最接近航空运输的方式。采用吸气发动机的话则可大大减少氧化剂的消耗，可以做到极低的成本，也更符合环保的理念。

不过，采用火箭动力水平起飞的一级飞行器（可看作升级版航天飞机）由于火箭发动机效率低下，都需要辅助起飞手段，和垂直发射的航天飞机方案相比优势不大，所以历史上此类项目最终都无疾而终，比如俄罗斯的MAKS（1988-1991，安225空射）、NASA的X-34（1999-2001，空射）、美国Kellly公司的Astroliner（1996-1998，拖拽起飞）、美国Rocketplane公司的探路者（1996-2001，空中加油）、欧洲航天局的Hopper/凤凰（1998-2004，滑道加速）等。

采用吸气式组合发动机的水平起降空天飞机将是未来中美主攻方向。上世纪90年代，由于技术挑战太大，美国取消了单级入轨的X-30空天飞机（国家空天飞机，又名东方快车）项目，英国取消了霍托项目。但霍托的发动机主研人员并未放弃，成立民营的“反应引擎”公司继续研制（佩刀发动机和云霄塔空天飞机），获得了英国政府的支持，最终美国空军加入了这个计划，使得成功概率大为提高。

图11：云霄塔空天飞机（图源：Reaction Engine）

图12（图源：航天科工）

中国航天科工的“腾云”是我国最引人注瞩目的空天飞机项目。它的一级为亚轨道空天飞机，二级为一次性火箭（未来可替换成小型航天飞机）。航天科工已宣布完成冲压组合发动机模态转换飞行验证，2025年前完成水平起降（亚轨道）飞行演示验证，2030年进行入轨飞行。

航天科技西安航天动力研究所研制的组合发动机也在2020年完成试飞，向集团公司三步走的第三步迈出了一步。两家公司两个独立项目齐头并进，实现双保险。中美空天飞机竞赛，很可能中国捷足先登。

综上所述，我国在三种不同技术路径上都有可观投入。在垂直起降方式上，美国具备先发优势。SpaceX在垂直起落火箭上的优势短期内随着星舰的成熟可能还会扩大。必须承认，星舰采用了很多大胆创新的技术，使它可能取得极大的成本优势。除了广为人知的多机并联、不锈钢舰体、筷子夹箭等外，再举个不太为人所知的例子：星舰飞船高空再入阶段结合了航天飞机的特点，利用翼面升力进行水平滑翔，降低了气动加热。我们落后了，但我们没有放弃，也在努力追赶，缩小差距。由于没有先发优势，那么跟随就不失为一个有效策略。这也是中国民营航天火箭公司的一个机会。贴近需求、大胆创新、成本控制就是他们的优势。我们期待有一天中国的SpaceX能脱颖而出。

然而，在垂直起飞、水平降落方式上，美国已经放弃，我们通过两次升力式亚轨道飞行器的试飞，已经遥遥领先。在水平起降方式上，大家都在暗中发力。腾云可能先于美英合作的云霄塔试飞，但后者的单级入轨更先进，胜负还有待时日。

在中美可复用航天运载器的竞赛中，中国能不能后来居上、弯道超车或变道超车？最近这些成功的发射给了我们极大的信心。给以足够的时间，也许我们能看到又一次令人惊喜的逆袭。

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