空天发动机13次试车，又一新型飞行器横空出世！波音同款已夭折
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长征五号B遥一火箭成功发射、新一代载人飞船试验船首飞成功、北斗三号全球组网、天问一号火星探测器发射、嫦娥五号月球采样返回任务成功、长征五号系列火箭四连胜、长征八号首飞成功……2020年“成功”成了中国航天的高频词。
然而这并非全部，还有很多其他重点型号也迎来了关键节点，取得的成果同样激动人心。近日，航天科技六院发文回顾该院所属京11所十三五期间型号研制任务时提到，在过去5年时间里60吨级液氧甲烷发动机连续进行了13次整机热试车。
液氧甲烷发动机凭借燃料低成本、高比冲、利于复用等核心优势近年来在航天运载领域成了炙手可热的宇航动力选择，大洋彼岸SpaceX“星舰”、蓝色起源“新格伦”两型火箭接连选择液氧甲烷动力。
近年来我国民营航天创企在军民融合战略助力下同样异军突起，星际荣耀、蓝箭航天、宇航推进等多家公司也接连推出天鹊-12、天鹊-11、焦点一号、沧龙一号等多款液氧甲烷发动机，其中配置天鹊系列的朱雀二号与配置焦点一号的双曲线二号两款火箭按照计划都将在今年迎来首飞时刻。
为什么我国民营航天可以在短短数年时间里从无到有，并大踏步追赶世界先进水平？
水有源树有根，这主要得益于国营航天的前置部署，航天科技六院京11所抓总研制的60吨级液氧甲烷发动机首次整机热试车时，是当时世界最大推力的液氧甲烷发动机，现如今包括猛禽、BE-4在内的一票液氧甲烷发动机当时都还在襁褓之中。
强调这一点并不是说我国航天已经领袖群伦，毕竟大洋彼岸的氢氧动力优势可以更轻松地转化为液氧甲烷动力优势，但航天科技六院京11所60吨级液氧甲烷发动机的高瞻远瞩是毋庸置疑的，得益于此如今我国民营航天的系列液氧甲烷发动机才有了高歌猛进的基础。
星际荣耀公司焦点一号液氧甲烷发动机
那么，为什么航天科技六院可以做出如此高明的前置部署呢？主要有两点原因：
首先是强大国力孕育强大航天。进入新世纪以来在嫦娥探月与载人航天两大工程任务牵引下长征五号系列新一代大推力无毒无污染运载火箭应运而生，服务该型火箭的YF-77、YF-100、YF-75D三型先进低温动力的研制为航天科技六院积累了扎实的型号经验，为拓展新型动力打下了坚实基础。
长征五号遥五运载火箭发射
再就是勇于创新历来是中国航天的先天属性。例如，上世纪六十年代我国航天实施了“八年四弹”工程，即在1965年至1972年八年时间里连续研制DF-2A中近程导弹、DF-3中程导弹、DF-4中远程导弹、DF-5洲际导弹。
DF-5之前的三型导弹射程相互衔接技术继承性比较好，然而由DF-4过渡至DF-5却存在巨大的射程鸿沟，在上万公里洲际射程要求下，战斗部还要保持较高的命中精度。
随着射程增加导弹飞行累积误差也会增加，理论上就是射程越远精度越差。
DF-5导弹战斗部
此时导弹系统主任设计师梁思礼提出使用运算速度更高的集成电路计算机，在当时全球只有一款导弹使用此项装置，而这对于初生牛犊的中国航天而言无疑是巨大挑战（45吨阿波罗11号飞船实施载人登月任务时我们重量仅有0.173吨的东方红一号卫星还没上天）。最终我们拿出了完全国产化的弹载集成电路计算机，后来精准命中南太平洋靶区的事实证明了中国航天令人信服的实力。
DF-5全射程发射试验
谈到创新近些年大洋彼岸SpaceX公司猎鹰-9号垂直回收复用火箭的大放异彩让人印象深刻，此刻一定有人会将矛头对准国内伞降回收技术的研发，这时候他们不讲什么学术自由了，把探索道路上的讨论摸索粗暴地定性为故步自封。
创新从来不是一蹴而就，而是量的积累引发的质变。猎鹰-9号使用的高推重比梅林1D系列液氧煤油发动机，以及配置于星舰的猛禽液氧甲烷发动机，全都是建立在大洋彼岸深厚的航天产业链基础之上。
猎鹰9号一子级垂直回收
伞降回收同样也是猎鹰-9号回收整流罩的核心技术，而如今这项技术我们也已经步入成熟阶段。
比如，去年在第54颗北斗卫星发射任务中长征三号乙火箭助推器就成功实施伞降回收，此前归燕一号伞降系统也成功应用于我国整流罩回收任务。
猎鹰-9号整流罩伞降回收
航天科技六院敢为天下先的60吨级液氧甲烷发动机更是我国航天进入21世纪以来的创新典范，这还得谈及上世纪八十年代末那场旷日持久的关于载人航天工程的技术路线之争。
当时各参研单位拿出了五个评比方案，分别是方案一多用途飞船、方案二小型航天飞机、方案三带主动力航天飞机、方案四火箭飞机、方案五空天飞机。如今大洋彼岸SpaceX公司正在全力研制的星舰与我们当年的方案三相比，除最后着陆方式不同外，原理几乎一致。
参与载人航天工程评比的五大方案
这五大方案史称“五朵金花”，在评委打分表上方案二小型航天飞机获得了84分的最高分，方案一多用途飞船以0.31分微弱差距居于第二名，双方相持不下，最终在航天之父钱学森投票多用途载人飞船之后一锤定音。
从评分角度看航空航天战线科技人员都希望能够有一个更大的发展，然而载人航天决策并非纯粹的技术问题，而是要着眼全局考虑，钱学森作为战略科学家对这一点看得非常清楚。受限于当时羸弱的国力，选择载人飞船是明智之举。
神舟五号载人飞船
选择载人飞船方案并不意味着航天飞机就是错误的技术路线，恰恰相反钱老在投票给载人飞船的第二年就叮嘱年轻一代航天人要重视带翼航天器发展，因为这将是21世纪的重大成就，它可以作为1小时全球到达的民航工具。
如今X-37B、星舰等带翼航天器的再发展进一步佐证了钱老深邃的战略眼光，而实际上比航天飞机更进一步的“空天飞机”概念也是钱老的原创方案构想。
未来星舰也将承担全球点对点运输业务
上世纪七十年代被迫下马曙光载人航天工程后，钱老更是力争保留了专门从事研究临近空间气动技术小组，为如今我国临近空间飞行器以及带翼航天器的发展埋下了种子。
DF-21D、DF-26、无侦-8临近空间侦察机、DF-17等一大批机动滑翔式非对称撒手锏武器就是这颗种子结出的累累硕果。
无侦-8
进入21世纪第二个十年带翼航天器又有了新发展，航天科技六院60吨级液氧甲烷发动机并不是单纯为了突破有无问题，而是要作为天地往返可重复使用运输系统的主动力，这款飞行器与昔日参与载人航天评比的方案四火箭飞机非常相似。
天地往返可重复使用运输系统由航天科技一院抓总研制，该系统基于两步走规划迭代实施，到2025年完成带翼亚轨道运载器研制，到2030年完成轨道级两级运载器研制并投入工程化应用。
航天科技六院京11所60吨级液氧甲烷发动机
到2025年完成带翼亚轨道运载器研制，意味着到那时要完成试验性飞行，进而定型。按照规划2020年至2022年期间带翼亚轨道运载器要实现首飞。
天地往返可重复使用运输系统
为了拓展用途航天科技一院赋予这款飞行器从事太空旅游的新业务，也就是说它分为两个版本，货运版由带翼亚轨道运载器背负一次性入轨上面级搭载卫星发射，太空旅游版则是直接改装带翼亚轨道运载器进行不入轨发射，可搭载5至20名乘客进行亚轨道飞行。
太空旅游版
这比SpaceX用星舰殖民火星的大饼要实在得多，后者主要是为了部署数万颗卫星组网的星链天基互联网星座，为了博得支持这才有了利用星舰进行殖民火星的畅想。这里套用《潜伏》里的一句台词很应景“嘴上都是主义，心里全是生意”，生意就是生意何必遮遮掩掩呢。
带翼亚轨道运载器初期动力方案是配置60吨级液氧甲烷发动机，这款发动机改进自长征五号芯级使用的YF-77氢氧发动机，采用燃气发生器循环方案，海平面推力65吨，真空推力79吨，重复使用次数50次。
YF-77氢氧发动机
前文提到十三五期间该型发动机实施了13次整机热试车，加上此前试车次数，总试车次数超过20次，已经具备工程应用条件。
依托该型动力带翼亚轨道运载器可实现航班化发射，重复使用间隔时间仅3天，可以做到即时响应发射。
带翼亚轨道运载器载人版
带翼亚轨道运载器采用液氧甲烷火箭动力助推垂直发射，在抵达60至80公里飞行顶点高度前分离入轨上面级，带翼亚轨道运载器则关闭主发动机开始惯性爬升，尔后进入再入返回航程，此后它会像航天飞机一样有一个利用空气动力减速的能量管理飞行段，最终水平滑跑着陆于机场跑道。
带翼亚轨道运载器飞行示意图
航天科技一院亚轨道运载器与大洋彼岸的XS-1太空飞机项目几乎是同步推进，至2017年美国国防高等研究计划署选中了波音公司的设计方案，并将该型飞行器全权委托于波音，但是当研制计划推进至2020年时波音公司突然单方面宣布退出计划，进而宣告XS-1太空飞机项目的终结。
近年来波音公司由于遭遇多起空难导致订单萎缩，资金流大不如前，因而不得不全线收缩业务，而XS-1这款短期无法盈利的项目自然就在裁撤计划之中。
XS-1太空飞机已夭折
就在大洋彼岸XS-1中道崩殂之际，我国带翼亚轨道运载器却即将迎来首飞时刻。到2025年全面完成带翼亚轨道运载器研制任务后，下一步就是再用五年时间研制两级重复使用火箭飞机，其规模更大，也是由亚轨道运载器与入轨上面级组成，不同的是这两大组件都具备重复使用能力，皆为带翼航天器。
两级重复使用火箭飞机与SpaceX公司的星舰一样都属于航天飞机技术路线的再发展，话已至此就不得不强调，自去年9月6日成功回收可重复使用试验航天器以来我国已经正式结束没有航天飞机的历史，这是一款功能定位与X-37B一样的航天飞机，目前全球仅两个玩家拥有此款顶级装备。
我国已经结束没有航天飞机历史
可重复使用试验航天器是由中航成都所研制的跨大气层入轨级航天器，它的成功回收标志着我国已经全面掌握带翼航天器的发射入轨、带翼返回气动设计、复杂翼面构型防热等一系列核心技术，有了这个基础再研制两级重复使用火箭飞机的带翼上面级就不存在难以逾越的技术难关。
由于两级复用火箭飞机起飞质量更大使得60吨级液氧甲烷发动机已经难堪重负，彼时就需要更大推力的发动机。
60吨级液氧甲烷发动机试车
航天科技六院将为两级重复使用火箭飞机配置一款200吨级全流量补燃循环液氧甲烷发动机，海平面比冲330s，大范围变工况燃烧稳定性更好，推力调节范围30%至100%，自带健康管理系统，具备故障诊断和智能减损功能，重复使用次数超过50次。
200吨级全流量补燃循环液氧甲烷发动机
纵观可重复使用天地往返运输系统整个研制周期，前后时间跨度超过二十年，下这么大力气的需求是什么？正所谓不谋全局者，不足谋一域，不谋万世者，不足谋一时。两级重复使用火箭飞机实际上从属于航天科技集团升力体式重复使用运载器"三步走"发展战略。
三步走对于我们而言并不陌生，北斗全球卫星导航工程、载人航天工程、嫦娥探月工程都是三步走规划。以往的三步走都是瞄准一个终极目标进行技术的快速迭代，而升力体式重复使用运载器的三步走却更具特色，它有三条发展轴线，三个终极目标，是互为依托并行发展的关系。
三步走分别是：
第一、现有火箭构型推进主发动机重复使用技术研究及相关改进工作，近期完成回收验证节点工作，化解火箭落区安全问题，2025年前后实现落区可控回收与火箭起飞级重复使用。
今年航天科技集团将实施垂直回收降落试验
第二、新研火箭产品开展重复使用液氧烃类发动机研究，支撑垂直降落、水平滑跑着陆等多种回收方案，中期具备火箭全箭重复使用能力，加速两级入轨航天运输产业形成，2030年实现完全重复使用两级运输系统的工程化应用。
第三、研制水平起降重复使用空天飞机，开展吸气式组合动力研究，远期形成单级入轨空天飞机的工程应用能力。
两级空天飞机风洞分离试验
简而言之就是垂直回收复用火箭、两级复用火箭动力航天飞机、两级复用空天飞机、单级入轨空天飞机我们全都要，生动诠释了什么叫做“大国不做选择题”。
垂直回收复用火箭可以在较短时间周期里实现降本增效，两级复用火箭动力航天飞机能够在较短时间周期里获得更快速便捷的空间进入能力。
现代战争对天基网络的依赖非常深，两级复用火箭飞机可以实施快速补网发射，即便敌军实施天基节点破坏行动，也能够快速修复。同时依托带翼上面级可以实施在轨捕获、抵近干扰等作战行动，国防应用前景十分广阔。
空天飞行器国防应用前景广阔
两级复用火箭飞机对两级复用空天飞机的研制也能起到过渡作用，二者在再入防热、气动设计、级间分离、轨道设计等领域有很多共性技术，不同的是动力来源。
两级复用空天飞机将依托组合动力发动机进入太空空间，研制难度极大，但近些年我国在组合动力领域已经收获了相当丰硕的成果，并居于世界前列水平。
西北某靶场
航天科技六院11所去年在西北某靶场完成了世界首次RBCC方案的火箭基组合动力飞行器模态转换试飞，首飞任务中组合动力发动机成功实现火箭、亚燃冲压、火箭、超燃冲压多种动力模态的连续稳定切换。此次试飞不仅顺利完成动力试验，还成功回收了飞行器，经检验飞行器各载荷工况良好为空天飞机重复使用打下了坚实基础。
到下一个十年两级复用空天飞机就将具备工程应用能力，随着技术不断迭代人类向往已久的单级入轨空天飞机也将梦想成真。而上述型号研制任务也只是航天科技集团一家，除此之外航天科工集团的腾云空天飞机工程，以及中航工业也有相关研制项目。
腾云两级空天飞机
回想20世纪的中国航天可以说是要什么没什么，载人飞船、大火箭、卫星导航系统、空间站、深空探测等等全都是空白，为什么在最近短短一二十年该有的都有了？背后是体系能力的整体跃升，以及旺盛的需求所致。
无法想象再过一二十年持续迭代加速发展的中国航天会以何种姿态屹立于世界，有一点可以肯定那就是我们必然会成为人类航天探索的先锋力量。
空天大视野热文回顾