ABR:葛明龍：可重復使用的載人航天運載器_馬斯克什么星座

民航客機有兩大優點：一是載人飛行重復使用次數很多，數以千計；二是飛機及其發動機的檢修復用較方便、時間短、費用低和很可靠。正因為如此，飛機的使用成本較低，票價能為民眾接受。

與飛機及其發動機不同，載人航天運載器及其發動機有兩大難點：一是以每秒鐘7.9公里的初始高速度再入大氣層，摩擦產生的高溫嚴重燒蝕殼體材料；二是以液氧為氧化劑和液氫、甲烷、煤油等為燃料的火箭發動機，燃燒溫度高達3300至3500攝氏度，比航空發動機的空氣/煤油燃燒最高溫度2060攝氏度高出很多。

以運載火箭和載人飛船為代表的傳統載人航天運載器有兩大缺點：一是一次性使用，浪費顯而易見；二是一級火箭在大氣層飛行不利用空氣燃燒，需裝載大量的氧化劑，使得火箭龐大而大大增加研制和使用費用。后一種浪費更大，但往往被認為是航天的必然性，從而被忽略。

隨著航天事業的不斷發展，尤其是太空旅游的興起對經濟性要求更高，各種可重復使用的載人航天運載器陸續問世。本文對此進行典型匯集和評論，并提出關于載人航天運載器多樣化發展的意見。

1.已經得到應用的三種載人航天運載器

1.1美國航天飛機

美國航天飛機是世界上第一種往返于地面和宇宙空間的可重復使用的載人航天運載器。設計獨特，由軌道飛行器、外貯箱和固體助推器組成。航天飛機全長56.14米，高23.34米。每次發射可將29.5噸有效載荷送入185至1110公里近地軌道，將14.5噸有效載荷帶回地面。自重68噸的軌道飛行器是垂直發射和水平降落的火箭飛機，可載7人在近地軌道飛行7至30天，乘員艙的空間有65.8立方米之大。

航天飛機非常先進，每架軌道飛行器按設計可重復使用100次，發動機重復使用55次。軌道飛行器尾部有三臺SSME分級燃燒(高壓補燃)氫氧發動機，單機額定真空推力213噸，推力可在65%至109%的范圍內調節。兩個固體助推器的總推力為2400噸。航天飛機項目耗資超過了2000億美元，是阿波羅載人登月項目總投資的數倍。運營費用按預估是6千萬美元，結果每次發射價格最多能翻十倍達6億美元，使其失去實用價值。美國國家航空航天局NASA痛下決心，于2011年2月正式決定將日漸老化的航天飛機全部退役。

從1981年4月12日首架哥倫比亞號第一次升空，到2011年7月21日第五架亞特蘭蒂斯號最后一次著陸，三十年間航天飛機共飛行135次。其中發現者號飛行次數最多，達39次。航天飛機發生了兩次機毀共14人亡的重大事故：1986年1月28日挑戰者號第10次飛行，起飛后72秒發生爆炸，故障原因是固體助推器的接頭密封圈因低溫變脆而破損；2003年2月1日哥倫比亞號第28次飛行，在返回地球時失事，故障原因是覆蓋在機身上的部分隔熱瓦脫落。

航天飛機在不同部位使用了八種不同的隔熱瓦，生產和粘貼很麻煩。每次飛行后對隔熱瓦的檢修和更換更麻煩。SSME發動機的檢修復用也很麻煩。這是造成航天飛機檢修復用不方便、時間長、費用高和可靠性欠佳的原因。

補充說明，前蘇聯研制的暴風雪號航天飛機與美國航天飛機類似，起飛質量105噸，最多可載10人。因用能源號運載火箭發射入軌，該航天飛機只配備推力較小的軌控發動機。該飛機是釆用空心磚防熱瓦，能有效再入大氣層并自動著陸。該航天飛機試飛成功，但因前蘇聯解體而下馬。

筆者認為，美國航天飛機的確很先進，但高難技術太多使得研制和使用費用大増。雖然用體積較小的固體助推器成本有所降低，但不利用大氣中氧氣燃燒的浪費是客觀存在。實際結果表明，航天飛機可重復使用不但不比火箭和飛船的一次性使用省錢，反而更費錢。這是完全出乎預料的，也是造成項目中途下馬的根本原因。發生兩次機毀人亡的重大事故，五架航天飛機失去兩架，影響也壞。雖然產生故障有意外因素，事故后釆取了必要措施，但還是給人們留下難以抹掉的印象。

美國航天飛機運往發射臺

1.2SpaceX的獵鷹9號火箭和載人龍飛船

美國的世界首富埃隆.馬斯克(ElonMusk)院士旗下空間探索技術公司SpaceX的獵鷹9號火箭，是使用液氧煤油推進劑的兩級火箭，近地軌道運載能力22.8噸。發射報價6200萬美元，比航天飛機的發射價格低得多。一級火箭并聯9臺燃氣發生器循環的梅林1D發動機，單機最大推力只有86噸，地面比沖為282s比過去F-1發動機的264s高不少。釆用針栓式噴注器，可40%至100%節流變推力。一級火箭首創可垂直降落回收，2015年12月22日首次實現陸地回收，2016年4月9日首次實現海上回收，2021年12月21曰完成第100次回收。到目前為止已有4枚火箭實現第10次回收，1枚火箭近日進行了第12次發射。不回收的二級火箭使用1臺真空版梅林1C發動機，噴管面積比117，真空比沖可達336s。

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獵鷹9號火箭的發射已經超過一百次，其中在2021年就發射32次。一次發射最多能將60顆衛星送入不同的運行軌道，總共將發射42000顆衛星組成SpaceX的星鏈。截止2021年12月21日，已24次發射貨運龍飛船，向國際空間站運送補給。2020年5月30日，獵鷹9號火箭和載人龍飛船首次送2名宇航員升空，在國際空間站停留64天。2020年11月15日和2021年4月23日，兩次發射各4名宇航員升空，在國際空間站都停留6個月。2021年9月16日，4名平民乘坐載人龍飛船升空，在近地軌道飛行3天。有人出錢讓這四人進行半年培訓和升空觀賞太空景色，這是進行商業太空旅游的嘗試。2021年11月10日，又有4名宇航員乘龍飛船進駐國際空間站至今。

獵鷹9號火箭的研制并不一帆風順，除創業之初的三次發射失敗外，在2015年6月28日升空2分半鐘時突然爆炸解體，2016年9月1日在發射臺爆炸。2019年4月20日載人龍飛船的發動機靜態點火時，產生故障并發生爆炸，推遲了首次載人升空的時間。獵鷹9號火箭垂直降落回收的早期試驗失敗很多次。在2020年和2021年共58次發射和回收，回收失敗4次。第100次回收時，著陸腿和多個發動機的噴管嚴重損壞。獵鷹9號火箭發射和回收的可靠性一直在不斷努力提高中。值得注意的是用二手獵鷹9號火箭發射二手載人龍飛船已經成功。

筆者認為，SpaceX的獵鷹9號火箭是使用常規較小推力批量生產發動機的低價火箭。首創一級火箭垂直降落回收，能進一步降低發射成本。因而得到廣泛應用并在資本市場取得很大成功。完全稱得上是航天科技創新和民營航天企業發展的典范。SpaceX在追求把獵鷹9號火箭和載人龍飛船發展為可重復使用的載人航天運載器。在我看來，用獵鷹9號新火箭執行載人航天任務，回收復用的一級火箭及其發動機執行其它不載人任務，二級火箭和龍飛船均一次性使用，這樣安排也許更可靠和合理。

馬斯克和獵鷹9號火箭

1.3用大型雙機身飛機發射太空船

100公里高度是太空的最低高度，空氣密度只有海平面的千萬分之四。200公里高度是地球近地軌道的下限區域高度，空氣密度只有海平面的五億分之一。80至120公里高度屬于跨太空區域。80至40公里高度屬于亞太空區域。40公里高度空氣密度為海平面的1.8%，30公里高度空氣密度為海平面的3.4%，航空的現有飛機都飛不到這兩個高度。有加力燃燒室的軍用飛機能以2馬赫飛到20公里高度，此處的空氣密度為海平面的7.4%。民航客機以近1馬赫在10公里高度巡航，此處的空氣密度為海平面的三分之一。

2021年7月11日，英國71歲的維珍銀河創始人理查德.布蘭森(RichardBranson)成為真正意義的世界太空旅游第一人。他搭乘旅游專用的"太空船二號"由大型雙機身飛機"白騎士二號"攜帶到15.24公里高度，釋放點火后用火箭發動機推進直線爬升。幾分鐘后，飛行員關閉發動機，"太空船二號"慣性爬升到最高點89公里。布蘭森與旅伴解開安全帶，體驗4分鐘失重狀態，并透過十多扇橢圓形舷窗欣賞太空景色。

"白騎士二號"和"太空船二號"是航空航天相結合，經濟性很好。尤其是"太空船二號"的飛行高度和速度都較小，不需要粘貼隔熱瓦，制造容易和使用方便，重復使用次數比航天飛機多得多。這就使得這種跨太空旅游的票價大幅度降低到20萬至25萬美元。布蘭森的表率作用，加深了各國對這種太空旅游安全性和經濟性的認可，預定座位者絡繹不絕。票價一度漲到45萬美元。預計2023年的每年飛行270個航班，每班至少5名乘客。

大型雙機身飛機白騎士二號攜帶太空船二號在飛行

美股三大指數集體收漲，標普500指數漲1.22%:金色財經報道，美股三大指數集體收漲，納指漲1.45%，上半年累漲31.73%；標普500指數漲1.22%，上半年累漲15.9%；道指漲0.83%，上半年累漲3.79%。[2023/7/1 22:11:50]

筆者于2021年9月22日在搜狐發表"太空旅游的興起和航空航天結合一體"的文章，充分肯定布蘭森的"白騎士二號"和"太空船二號"，稱其利用空氣參加燃燒代表了航天技術新的發展方向。美中不足的是乘客人數一般只有5人，且難以提升飛行高度和速度。

2.開始試飛的兩種載人航天運載器

2.1用巨型雙機身飛機發射火箭或太空船

美國的前微軟聯合創始人保羅.艾倫(PaulAllen)于2011年提出用巨型雙機身飛機發射火箭或太空船。他推動斯特拉托發射系統公司積極研制這種世界最大翼展飛機和最大復合材料飛機。該飛機有翼展117米的大機翼，機身長度超過一百米，重量達225噸。使用6個波音747級別的渦扇發動機，設置28個輪子和12個獨立油箱。

在保羅.艾倫于2018年10月病逝后不久，巨型雙機身飛機已經于2019年4月14日成功地進行了第一次試飛。飛行高度達到5200米，速度達304公里/小時。在飛行兩個半小時后，飛機安全返回試飛基地。

巨型雙機身飛機可在機翼中間下面懸掛250噸質量火箭，運到空中9公里多高度分離發射，將6.1噸有效載荷送往180至200公里高度軌道。還可懸掛"太空船一號"載客進行跨太空旅游。

發射火箭或太空船一號用的巨型雙機身飛機

筆者認為，巨型雙機身飛機已經大到極限，造價很高，使用不便，至今只進行了一次飛行試驗，遲遲未等來后續飛行試驗和發射火箭或太空船一號。然而，用這種亞音速飛機發射火箭只能把6.1噸的有效載荷送往近地軌道，遠遠滿足不了航天發展的需要。解決這個問題需要從發動機和飛機兩方面著手。

2.2中國騰云空天飛機

2021年11月25日，在湖北武漢召開的第7屆商業航天高峰論壇上，證實中國騰云空天飛機已成功進行飛行驗證。從地面起飛之后，途經南極圍繞地球運行一圈，最后再度返回基地。計劃在2025年進行首次飛行試驗。

中國騰云空天飛機是用運載飛機背著飛行和釋放發射的。運載飛機配備噴氣發動機和沖壓發動機。運載飛機水平起飛時，先啟動噴氣發動機，接著啟動沖壓發動機，先后以亞燃沖壓模式和超燃沖壓模式飛行。當達到30公里高度和6至7馬赫時，運載飛機釋放空天飛機。空天飛機用火箭發動機繼續加速和攀升，進行環球飛行。

筆者認為，中國騰云工程的運載飛機創造飛行速度和高度的世界紀錄，利用空氣燃燒很充分。但是，這種高動壓飛行器的飛行阻力大，要實現多次重復使用還要做很多工作。衷心祝愿中國騰云工程按計劃于2030年完成，能早日用于太空旅游。還應盡早進行大型化的安排，以提高近地軌道運載能力，為航天發展發揮更大作用。

中國騰云空天飛機從運載飛機釋放后的飛行演示圖

3.即將試飛和正在研制的兩種載人航天運載器

3.1馬斯克的星艦

馬斯克的星艦是在獵鷹9號火箭成功研制的基礎上，將單臺發動機推力由86噸提高到230噸，由常規發動機改為先進的高壓補燃發動機，燃料由航天煤油改為再生冷卻性能更好和利于更多次重復使用的甲烷，一級火箭由9臺發動機并聯改為環狀排列的29臺發動機并聯，二級火箭和載人飛船合并為必須成功降落回收的星艦。馬斯克的星艦將應用于載人登火星、載人登月并返回、地球快速運輸人和貨物等任務。第一次整體飛行試驗時間未定，馬斯克就已經開始招攬環月球和登月球旅游的生意。據報道，日本富豪前澤友作將乘坐星艦進行首次環月球軌道的旅游，費用可觀。在此之前的2001至2009年，有多國的七位富豪搭乘俄羅斯的聯盟號飛船，進入近地軌道或國際空間站當太空遊客，每人花費2000萬至3500萬美元。

Coinbase股價自低點已上漲近50%，分析師認為上漲可能是短暫的:6月29日消息，Coinbase股價自低點已上漲近50%。自從貝萊德宣布提交比特幣ETF申請以來，Coinbase的股價一直在大幅上漲。該公司股價已從6月15日的每股約52美元上漲至撰寫本文時的每股71美元，彌補了自美國證券交易委員會本月初宣布對該交易平臺提起訴訟以來的所有損失。

但Berenberg Capital Markets的分析師Mark Palmer在給客戶的一份報告中表示，圍繞COIN的熱情可能是短暫的。這位分析師給予該股持有評級，目標價為39美元，他表示，投資者將COIN視為增加機構與數字資產生態系統參與度的一種方式，應該首先考慮該公司面臨的風險，這些風險可能會導致在不久的將來負面新聞將引發該股近期漲幅的逆轉。[2023/6/29 22:08:49]

馬斯克星艦的超重型火箭底部的發動機排列

馬斯克的星艦主要是為實現殖民火星的夢想而設計和正在研制中，是準備大批量生產1000發的。近地軌道運載能力在150噸以上。由超重型火箭和星艦組成，都垂直降落回收多次重復使用。設計重復使用100次，發動機重復使用不少于10次。是用推力230噸的猛禽Raptor高壓補燃液氧甲烷發動機，20%至100%節流變推力。2022年3月15日與星艦S20進行第三次組裝的超重型火箭B4，是按中心1臺、內圈8臺和外圈20臺進行29臺發動機并聯剛看到一條關于星艦的消息，需在3.1節第二段的29臺發動機并聯。BN4和SN20已于3月25日拆下，將換上試飛的BN7和SN4。星艦的體積825立方米，大于空客380客機，地球運輸可載客80至200人。目前的星艦動力系統方案是y用中間3臺短噴管海平面發動機和外圍3臺大噴管真空發動機。

星艦底部的發動機排列

星艦是釆用便宜的耐熱不銹鋼作為基體材料。在所有外表面貼敷TPS瓷磚(隔熱瓦)，用特種粘合劑和機械安裝(卡扣)方式進行固定。由于不銹鋼和瓷磚的線膨脹系數差別大，要確保再入大氣層時不會因為溫度的劇烈變化而損壞，這是很不容易做到的一件事。另外，瓷磚的粘貼工藝難和施工操作不便。這些都加大了對這種設計方案實施和可靠檢修復用的挑戰。

星艦鼻錐部分的隔熱瓷磚粘貼

筆者認為，馬斯克的星艦是比美國航天飛機更大的可重復使用的載人航天運載器。垂直降落回收的超重型火箭和星艦是全回收，超過了航天飛機的主要部分回收。但是，龐大的超重型火箭發射和回收成功不容易。大于空客380客機的星艦的回收更缺乏基礎和不符合先小后大的科研程序。人們對此存在可行性和可靠性的疑問是很自然的。我們將對超重型火箭和星艦的整體飛行試驗拭目以待，當愿成功。

3.2航空航天一體化的高超音速太空飛機

英國正與澳大利亞合作研發高超音速太空飛機，可使飛機從靜止狀態達到5倍音速以上。這種航空航天一體化飛機可有動力飛行到80公里高度，然后依靠慣性飛過100公里高度，進行快速旅行和跨太空旅游。這種飛機預計2030年實現試飛。

高超音速太空飛機設計外形圖

該飛機是使用一種航空航天一體化的SABRE合成渦噴火箭發動機。0至26公里高度用液氫對空氣進行深冷提高密度后，以高的壓力把深冷空氣輸入燃燒室與氫進行燃燒。當飛到26公里高度時進行切換，把液氧輸入同一燃燒室與氫進行燃燒，即26至80公里高度是用氫氧火箭發動機推進。SABRE發動機是全新型發動機，很先進但技術難度非常大，已經研制了三十多年，有望近些年由英國ReactionEngines公司研發成功。國內也有單位在研制。

美股低開，勢創08年以來最差年度表現:金色財經報道，美股2022年最后一個交易日集體低開，道指跌約170點，納指跌1.02%，標普500指數跌0.71%，三大股指勢將創下2008年以來最差年度表現。[2022/12/31 22:17:34]

SABRE合成渦噴火箭發動機簡圖

筆者認為，通過一架載人多的高超音速太空飛機代替載人少的"白騎士二號"和"太空船二號"這兩架飛機，且把利用空氣燃燒的工作高度由15.24公里提升到26公里，如果不完全計入SABRE發動機的昂貴研制成本，這種跨太空旅游的票價有望再降低些。

要實現近地軌道的太空游，也需要從發動機和飛機兩方面下功夫。

4.載人航天運載器的多樣化發展

4.1一次性運載火箭和載人飛船

傳統的運載火箭和載人飛船是一次性的載人航天運載器，具有結構較簡單、技術難度較小、研制較快、投資較少、可靠性高等優點。從世界上第一個宇航員尤.阿.加加林(YuriAlekseyevichGagarin)上天，到美國阿爾忒彌斯載人登月計劃的SLSBlock2重型運載火箭和獵戶座號多用途載人飛船，大量使用的是一次性載人航天運載器。2022年3月18日運往發射臺的首發SLSBlock2火箭，充分繼承了美國航天飛機發射、土星5號重型運載火箭等傳統。可以預料在今后相當長的時間內，一次性載人航天運載器仍不失繼續有好的使用價值。尤其是二、三級火箭和載人飛船的一次性使用時間將會更長。

SLSBlock2重型運載火箭運往發射臺

中國的921載人登月火箭保留了長征五號火箭的5米箭體直徑和主要的YF-100、YF-75D等發動機。近地軌道運載能力70噸，奔月軌道運載能力25噸。起飛質量2211噸，起飛推力2680噸，高度約100米。一次性的921火箭分兩次發射，先后將月球著陸器(登月艙)和載人飛船送入環月軌道，然后進行對接。研制921火箭較省錢和可靠，在2030年左右就能實現載人登月，這是走捷徑的好辦法。

921載人登月火箭布置圖

近地軌道載人飛行、空間站人員往返、載人登月、載人登火星等任務，都面臨著返程高速度再入大氣層的難點。目前的一次性載人飛船技術最成熟、很可靠和落點準。中國新一代載人飛船是面向中國空間站運營及未來載人探月需求。服務艙和返回艙的總長度8.8米，發射質量21.6噸。比現在服役的神舟載人飛船大多了，可乘坐6至7名航天員，活動空間13立方米。艙內設施更齊全、更先進和更適用。新一代載人飛船試驗船于2020年5月5日用長征五號B火箭首次發射，完成預定的一系列工作，三天后返回艙在東風著陸場預定區域成功著陸，試驗取得圓滿成功。

中國新一代載人飛船試驗船

4.2可重復使用的運載火箭和載人飛船

由于一級火箭有直徑大的箭體結構和貯箱，發動機的數量多和推力大，回收的價值大。一級火箭飛行高度、距離和速度都小，實現回收相對容易。SpaceX的獵鷹9號一級火箭是垂直降落回收。俄羅斯的安加拉火箭一子級公共芯級助推器，則是把可折疊翼板展開像飛機一樣在機場水平著陸回收。

安加拉火箭一子級公共芯級助推器

長征八號是中國新一代中型中低軌道兩級液體捆綁式運載火箭，已經成功飛行兩次。長征八號后續研制將采用可回收式的設計。據網絡平臺的文章介紹，可能是把一子級連同兩個助推器一起垂直降落回收。筆者認為，這種自主創新的回收方式難度大，很有可能會經歷從失敗到成功、回收成功率由低到高的過程。科學試驗允許失敗，這種失敗的后果不嚴重，無非是經濟效益少些，大不了算作以往的一次性使用。

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另據報道，我國還提出用網收方式來增加火箭垂直降落回收成功率和減少落地沖擊力。

長征八號運載火箭

應當看到，不管是SSME發動機，還是梅林1D發動機，美國對發動機回收后的檢修復用過程并不透明。有沒有更換發動機和換掉幾臺發動機也不知道。發動機的實際使用次數究竟是多少仍不清楚。參考猛禽發動機重復使用不少于10次，筆者分析梅林1D發動機重復使用應不少于5次。SSME發動機重復使用應不少于20次，目標是設計的55次。要做到像飛機發動機那樣不換或很少換新品，是很不容易的，差距很大。

由于二、三級火箭的回收價值不大和回收難度大，可以不回收但加以利用。2022年3月17日，我國發射的長征四號丙火箭搭載了末子級驗證系統。通過給末子級加能源、通信和控制模塊，使其變成一個衛星平臺。二級火箭如要回收需充分論證，并可研究更合適的回收方式。筆者建議可考慮充滿氫氣等的飛艇回收方式。

載人飛船是從近地軌道無翼返回用降落傘垂直降落地面，這種回收重復使用的難度也很大，外殼材料需解決一次性燒蝕材料的除舊換新或改為耐熱基體材料加貼隔熱瓦或防熱瓦。回收方式也可不用降落傘，全靠推力增大的反推發動機垂直降落地面。必須深入論證和有大的技術突破。

4.3助推火箭和航天飛機

美國航天飛機雖然下馬了，但畢竟技術先進和飛行了135次，仍有繼續研究和發展的價值。助推器可以改為可回收的。這種從近地軌道有翼返回水平降落地面的回收方式，也為其它太空飛機、太空船、空天飛機等采用，機體和機翼的隔熱瓦或防熱瓦設計、工藝、檢修、可靠性等都需要繼續研究和改進，爭取有較大突破。發動機應增加壽命和工作次數，減少檢修復用的難度和代價，并有合適的可靠性評估方法。

航天飛機是芯一級單級入軌的航天運載器，自重68噸比近地軌道有效載荷29.5噸大一倍多。如把航天飛機改作二級的太空飛機等，自重和尺寸可以縮小，而近地軌道有效載荷只增不減。

要研制出真正有實用價值的航天飛機或太空飛機等，適當縮小與民航客機優勢的差距，還需要做大量研究工作。飛機連同發動機都要達到重復使用100至200次或更多，檢修復用要相對簡單和方便，以此大大降低發射費用。

4.4一級火箭和星艦

一級火箭最早按環形排列并聯30臺發動機的是前蘇聯的N-1火箭。連續四次發射失敗都是一級火箭的故障，使得已花費巨資的載人登月計劃終止。筆者分析故障根本原因：(1)蘇美載人登月競爭激烈搶進度，單臺發動機沒有研制得特別可靠；(2)不好建設30機并聯的超大型試車臺，不僅不能高工況、長時間和多機搖擺考驗發動機，而且連起碼的30機起動關機程序和相互影響都無法試驗；(3)釆用了自動檢測發動機工作狀態、自動關閉故障發動機和自動調節保持總推力不變的冗余設計，高難技術不成熟適得其反，可靠性未見提高卻出現誤動作的故障。

馬斯克星艦的超重型火箭與N-1火箭非常相似。雖然時隔半個世紀的人工智能等技術有大發展，上述問題中的一部分可能不是問題，但有些問題依然存在。所以，對于將要進行的星艦首次整體發射試驗，馬斯克本人都不抱一舉成功希望。筆者認為，不要輕易放棄一級火箭傳統的四機并聯和五箭捆綁方案。另外，雖然有獵鷹火箭成功垂直降落回收的經驗，但超重型火箭太大，要成功回收未必很容易。

馬斯克為了實現全回收，把二級火箭和載人飛船合并成比空客380飛機還大的星艦，采用從近地軌道有短尾翼返回垂直降落地面的回收方式。這種厐然大物如此回收的技術難度非常大，且無獵鷹火箭二級回收試驗的基礎。一級火箭的回收失敗只有經濟上的影響，星艦的回收失敗則人命關天。所以說星艦是背水一戰，成敗在此一舉。

筆者認為，沒有必要非得像星艦那樣做得厐大。可以把三級火箭和載人飛船合并成一體，那就小得多和回收相對容易實現。應當指出，美國前世界首富杰夫.貝佐斯(JeffBezos)旗下藍色起源公司也研制成功BE-4液氧甲烷發動機，海平面推力250噸，20%至100%節流變推力，可重復使用。主要用于近地軌道運載能力45噸的新格倫運載火箭。并聯7臺BE-4發動機的一級火箭是垂直降落回收，設計至少重復飛行25次。二級火箭是一次性使用，用1臺BE-4真空版發動機。該火箭計劃于2022年首次試飛。

組裝后的超重型火箭和星艦

4.5用運載飛機發射太空船或火箭

正如中國騰云空天飛機所示，發射太空船或火箭用的運載飛機除大型或巨型雙機身飛機外，還可以是單機身飛機。最近毀于戰火的世界最大運輸機安225，由前蘇聯研制和烏克蘭繼承，貨艙最大載重量250噸。該飛機的機頂最大載重量200噸，曾運送暴風雪號航天飛機至發射場，也具備發射200噸質量以下火箭的能力。

安225飛機運載暴風雪號航天飛機

我國長征二號F載人運載火箭的近地軌道有效載荷是7.8噸。現有的運載飛機雖已大到接近極限，但仍不具備這種近地軌道運載能力，其原因是用現有航空渦扇發動機推進的推力太小。這就需要開發運載飛機用的改進型航空渦扇發動機，較多增加推力和提高性能。

航空航天一體化的高超音速太空飛機也可改作運載飛機，能使近地軌道有效載荷超過7.8噸。但是，這種飛機用的SABRE合成渦噴火箭發動機雖然很先進和經濟性好，但存在兩大問題：一是技術難度非常大，遲遲研制不出來；二是該發動機用液氧液氫燃燒的溫度高達3300攝氏度，存在與SSME發動機同樣的重復使用次數少和檢修復用難的問題。這就需要另尋航空航天結合一體的發動機。

用運載飛機發射太空船或火箭，因為機翼有升力，發動機總推力較多小于飛機的總質量，也大大小于火箭發動機的推力。盡管如此，由于燃料燃燒用的是周圍環境的空氣，研制推力大的發動機是很難的。需要自主創新開發航空航天相結合和一體化的發動機。筆者相信，隨著運載飛機及其發動機的發展，運載飛機會逐步取代小中大型一級火箭。但是，對于把載人飛船直接送往月球和火星的重型運載火箭，其一級火箭則是不能被直接取代的。

5.自主創新走自己的發展道路

為了研制出實用價值大的可重復使用的載人航天運載器。筆者通過航空航天結合一體的研究，提出一些創新技術方案和發明，主要是：

(1)用火箭推力室技術改進的航空渦扇發動機

這種航空航天相結合發動機，是把燃料由航空煤油改為液氫。由于空氣/氫的混合比大和液氫的熱值高，液氫用作航空燃料的油耗量要比航空煤油小3倍多。另外，可以把加力燃燒室的單壁改為用液氫再生冷卻的雙層夾套結構。這就可以使改進后的航空渦扇發動機全程在最高燃燒溫度下加力工作，成倍增加發動機推力，滿足航天用途的需要。

(2)三種新型航空航天渦扇發動機

把催化分解70%至79%過氧化氫生成的富氧氣引入航空渦扇發動機，與液氫或航空煤油燃燒的最高溫度只有1958至2277攝氏度，構成進氣道進富氧氣、加力燃燒室進富氧氣、兩處(進氣道和加力燃燒室)進富氧氣等三種航空航天渦扇發動機。能使超音速飛機在30公里高度以3馬赫飛行，并可以飛到40公里高度達到4馬赫。此類航空航天一體化發動機比SABRE發動機容易研制得多。

(3)亞太空旅游飛機

針對中國中產階層人士眾多的情況，提出票價有望降低至人民幣10萬元的亞太空旅游。是用上述航空航天渦扇發動機推進高速飛機，以4馬赫飛到40公里高度。然后按拋物線軌跡飛行產生短時間的失重，最大高度在50公里左右。該飛機還可改成超音速客機，用途更廣。

(4)低燃燒溫度火箭發動機

要改進現有的液氧煤油、液氧甲烷、液氧液氫等高燃燒溫度火箭發動機，增加重復使用次數和減少檢修復用難度，就應當向航空發動機學習，把燃燒溫度大幅度降低到空氣/煤油燃燒最高溫度2060攝氏度左右。現經數年研究提出一種低燃燒溫度火箭發動機，是以無可貯存的70%至79%過氧化氫為氧化劑，主要用液氫為燃料。燃燒溫度只有2020~2277攝氏度，渦輪溫度只有322~485攝氏度，發動機真空比沖可達300s以上，推進劑組合密度0.764~0.741g/cm3也不小。該發動機如開發成功，重復使用有望達到100至200次或更多，檢修復用也方便得多。將有助于研制實用價值大的可重復使用的載人航天運載器。

兩處進富氧氣航空航天渦扇發動機簡圖

(5)水平起落運載火箭

針對運載飛機造價高和近地軌道有效載荷不大的問題，提出水平起落運載火箭。方案設計要點：用圓柱形箭體和貯箱作為雙機身，機身尾部有主要在高空工作的低燃燒溫度火箭發動機；雙機身上方是大三角翼，三角翼上方尾部設置8臺左右航空航天渦扇發動機，三角翼中央下方懸掛待發射的上面級火箭或太空船；通過起落架在專用機場的跑道上滑動進行起飛和降落。

需要說明，以上發明多數取得中國專利證書。其中(1)(2)合并為"航空航天渦扇發動機"(AerospaceTurbofanEngines)的發明，美國專利號US10563619B2,專利證書日期2020年2月18日。享有該專利優先權的中國專利號ZL201610326598.2。另外，自主創新的難點并不主要在于技術，而是思想認識的統一、能否進行預研和關鍵技術攻關的立項、能否從小到大逐步研制等。

6.結論性意見

(1)載人航天運載器有三類：一次性；不利用空氣燃燒的可重復使用；利用空氣燃燒的可重復使用。這三類載人航天運載器各有優缺點，現在和以后都將多樣化并舉發展。

(2)一次性載人航天運載器是現階段筆者青睞的，航天本色，技術成熟，安全可靠，研制方便，最快實現。馬斯克的星艦載人登火星是有去無回。一次性重型運載火箭和載人飛船完全可以做到載人登火星有去有回。只需發射兩發長征九號重型運火箭，分別將有效載荷都不超過37噸的載人飛船和登火星艙送至環火星軌道，進行對接后類似阿波羅飛船登月那樣實現載人登火星并返回地球。如果需要，后續再發射長征九號火箭，通過貨運飛船的對接進行補給。

(3)不利用空氣燃燒的可重復使用載人航天運載器，研制始于美國航天飛機，現正由馬斯克的獵鷹9號火箭和星艦延續。名義上是解決一次性使用的浪費問題，結果航天飛機更貴更浪費并導致下馬。獵鷹9號火箭的回收究竟省了多少錢只有馬斯克自己知道，實際上主要是依靠低價火箭來降低發射報價的。星艦還沒有進行整體發射試驗，尚不知結果如何。筆者力挺自主創新進行長征八號等火箭的垂直降落回收研究，支持有人提出的網收方案，并自己提出低燃燒溫度火箭發動機方案，以便增加重復使用次數、提高回收成功率和降低回收后檢修復用難度。

(4)利用空氣燃燒的可重復使用載人航天運載器，最經濟和最有發展前途，最終將取代一級運載火箭。主要問題是當前的近地軌道運載能力很有限。為此，筆者提出用火箭推力室技術改進的航空渦扇發動機，以及三種新型航空航天渦扇發動機方案。國內外還有其它航空航天結合一體的方案。相信經過相當長時間的努力，能達到20至30噸的近地軌道運載能力。要達到30噸以上的近地軌道運載能力幾乎是不可能的，為此筆者于2021年9月7日在百度發表《在地球空間站用擺渡火箭向火星運載人和貨物》的文章，可以間接取代重型運載火箭，供參考。

結束語

研制可重復使用的載人航天運載器是發展方向和趨勢。我們應認真研究分析美英等國先行進行這種研制的情況，吸取他們的經驗教訓，找對自己的發展途徑，結合實際做好我們的工作。首先應當全力做好長征八號等火箭的垂直降落回收試驗及其變推力發動機的熱試車。建議重視和加強預先研究工作，優先對自主創新項目進行論證和研究。要走我們自己的發展道路，才能更好地趕超世界先進水平。

由于航天運載器高速再入大氣層和火箭發動機在高溫下燃燒，要研制實用價值大的可重復使用的載人航天運載器，并不是一件容易的事。根據今年一月發布的中國航天白皮書，我們要做好長征九號重型運載火箭的深入論證和太空旅游的規劃。希望本文有助于這些工作的進行。通過航空航天相結合和一體化，我國的航天航空事業將會發展得更快更好。

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