2019年10月21日，中国航天空气动力研究院宣布，中国首次两级入轨水平起降空天飞行器的风洞分离试验顺利完成。
这标志着两级水平入轨空天飞行器的分离空气动力学获得了里程碑式的成功。
图：中国新型两级入轨空天飞行器进行风洞试验的实拍图，来自中国航天空气动力研究院。上图较大的为基础级飞行器，以背驮的方式，运载较小的上面级共同迎接超声速来流。
图：基础级飞行器产生一个低头动作，上面级飞行器与基础级的连接机构打开，准备分离。
图：在巧妙的空气动力学设计下，上面级和基础级实现了在超声速气流环境中的无干涉气动分离。这在中国，还是首次。
随着人类的技术发展和生活水平的提高，太空不再仅仅是超级大国展示肌肉的秀场，而是更多地融入了商业与科学研究的元素。
人类对进入太空的成本要求，也就从之前的不惜一切代价，变成了尽量降低成本。目前来看，运载工具的可重复使用是较为可行的方案。通过复用运载器，使得进入太空的成本缩减为燃料本身和少量的维护运营成本，能够实现一个数量级的成本降低。
传统的一次使用的运载火箭，在把卫星或者其他航天器送入预定轨道后，就彻底报废了，基础级坠入落区，上面级再入大气焚毁。可重复使用的运载器，则能够安全返回，重新加注燃料后，实现再次使用。
这两者的区别，就像打车去一个地方：传统运载火箭，到目的地后，把整辆出租车推到附近的河里不再使用；可重复使用的运载器，则是能够加满油再次运营的出租车。
对于可重复使用的运载器，有三种技术方案。
图：航天飞机正在发射
最早实现的，是航天飞机。航天飞机的轨道飞行器和两侧的固体助推器，都是可以重复使用的。
不过，因为航天飞机的主发动机采用的是液氢液氧燃料组合，成本高昂。而且，每次复用的时候，都需要对周身的防热瓦进行大量检修，人工成本不菲。
这就造成了航天飞机虽然是部分可重复使用的先进飞行器，但是其单次发射成本，相较于传统运载火箭，并未降低，反而大幅提升。同样的载荷，使用传统运载火箭，发射成本为1.8亿美元，而使用航天飞机，则是将近15亿美元。
考虑到成本原因和两次重大的事故，在2011年7月，航天飞机这种可重复使用的飞行器，提前退役了。
图：SpaceX公司的猎鹰9号运载火箭发射的第一级弹道。
图：重型猎鹰运载火箭两枚助推器实现同步回收着陆的场景。
第二种可重复使用的飞行器方案，是SpaceX公司的猎鹰9号运载火箭。
这种飞行器，带有支撑腿，通过合理设计第一级的再入弹道，能够让火箭的第一级实现陆地或者海上平台的软着陆回收。
猎鹰9号运载火箭，其燃料成本仅占火箭总成本的不到1%。目前已经能够做到单枚火箭第一级的第4次复用，对卫星等航天器的入轨成本，实现了数量级程度的降低（从3万美元/公斤降到3000美元/公斤）。
图：桑格尔两级入轨空天飞行器
第三种方案，就是两级入轨水平分离式空天飞行器了。
相较于航天飞机的垂直起飞 水平着陆和猎鹰9号运载火箭的垂直起飞 垂直着陆的飞行模式，两级入轨空天飞行器采用水平起飞 水平着陆的方式进行发射和回收。
这类飞行器，由较大的基础级和较小的上面级构成。
上面级是一种带机翼的火箭动力飞行器。
基础级通常拥有和波音747体量相当的尺寸，能够在长度超过3000米的机场像普通民航客机那样起降。不过不同的是，空天飞行器的基础级，会配备多台超燃冲压发动机。其强劲动力能够使其在背驮上面级的时候，依然能够爬升到3万米的高空并以6马赫以上的速度做高超声速飞行。
这种采用超燃冲压发动机进行爬升的飞行器，带来了三个好处：
第一，能够充分利用大气中的氧气，而无需像航天飞机或者猎鹰9号运载火箭那样自带氧化剂，极大地节省了起飞重量，并有可能进一步降低入轨发射成本。
第二，水平起降的方式，更加适合于给飞行器设计大型客舱，同时让上面级拥有更好的过载条件，有利于精密科研载荷的入轨或者太空兵力的快速投送；
第三，一旦研制成功，那就在获得了两级空天飞机的同时，催生了一种跨越洲际的快速货运或者客运的新手段（稍作改动，进行亚轨道飞行）。
图：当时为美国空军中校的钱学森博士提出了“钱学森弹道”，也就是助推-滑翔式弹道。这是当年他向大家讲解如何用这种弹道从纽约飞到巴黎时的场景。
图：钱学森与桑格尔的弹道都有助于高超声速飞行器进行超远距离飞行。两种弹道的差别见小火箭画的上图。
钱学森弹道以助推-滑翔为特点，强调滑翔段的稳定和优化，而桑格尔弹道则强调多次跳跃。
当然，自上世纪40年代，由德国工程师桑格尔提出设想，到后来中国钱学森博士提出新型助推滑翔式弹道，再到美国的X-30技术验证空天飞行器出现，最后到差一点就成为现实的欧洲桑格尔空天飞行器概念，此类单级或者两级入轨的飞行器以及基础级的玄妙飞行弹道，都面临着极高的技术门槛：
第一，超燃冲压发动机技术要足够可靠，才能推动上百吨的飞行器达到高超声速的飞行状态。
第二，基础级和上面级需要在稠密大气中进行长达一个多小时的高超声速飞行，这对机体的防热系统提出了极其苛刻的要求。
第三，背驮式的上面级在高超声速的气流中进行分离，需要设计团队具备雄厚的空气动力学仿真水平和试验基础条件才能做到心中有数。
图：两级入轨空天飞行器和环形空间站概念图。
图：美国X-30单级入轨空天飞机概念图，当年设想从纽约飞东京只需要2小时。
遥想当年，欧洲的两级入轨空天飞行器的方案，最终就是卡在了高超声速气流中的分离试验上。德国工程师在上世纪90年代初终于承认本国尚无进行相关试验的基础设施条件，开始寻求和苏联的合作。不过，随着苏联的轰然倒塌，德国工程师的分离试验也再也没能寻得具备条件的高超声速风洞，实在令人扼腕叹息。
如今，中国的两级入轨水平起降空天飞行器完成了超声速风洞分离试验，跨越了此类飞行器三个重大门槛中的一个。
让我们静候超燃冲压发动机进入工程实用化的消息出现。而在防热材料领域，我国在神舟飞船的自主防热材料和新一代载人飞船的防热系统设计方面，也有了不错的技术经验。顺利的话，相信在十年之内，两级入轨水平起降空天飞行器就能够实现真正的商业化运营。
图：防热测试的场景
结合我国在高超声速飞行器领域积累的工程技术经验，人类梦寐以求的空天飞行器将会在中国诞生。这类飞行器的工程实用化，将会结束我们一直以来的仿制和跟跑的历史，在新型空天飞行器的部分领域实现领跑。这一意义将超越空天飞机本身，对中国航天，中国科技界，乃至整个中华民族都将是一个极大的激励！（文/小火箭联合会创始人 邢强博士 欢迎关注微信公众号：小火箭）
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