“云霄塔”空天飞机
德国两级空天飞机“桑格尔”示意图
英国“霍托尔”在轨飞行示意图
新闻背景
近来，网络上有很多关于中国空天飞机的讨论。那么，中国是否有研制空天飞机的计划？世界各国研制空天飞机都做了哪些努力？技术上的困难又在什么地方？
什么是空天飞机？
早在美国航天飞机投入使用不久的20世纪80年代，航天专家就开始构思空天飞机的方案了。空天飞机全称叫航空航天飞机，是航空飞机和航天飞机的“混血儿”，因为它同时装有航空发动机和火箭发动机，所以在大气层内飞行时可像普通飞机一样在跑道上起飞，用航空发动机提供动力，按航空飞机方式飞行和操纵；在大气层外飞行时则由火箭发动机提供动力，按航天器方式飞行和操纵。
这样做的好处是，它在大气层内飞行时可用空气中的氧做氧化剂，因而能大大减少整个飞机的氧化剂装载量，使飞机的质量和体积大大减少，由此降低成本。此外，由于它可像普通飞机一样完全重复使用，且能水平起飞，水平降落，这样就省去垂直发射所需的复杂设备。
有很多媒体将美国发射的X-37B称为空天飞机，这是不准确的。因为X-37B的发射方式和航天飞机一样，依靠火箭发动机进行垂直发射，所以它是一种小型航天飞机，而不能算空天飞机。
由于这一设想看起来很美，想航空就航空，想航天就航天，所以曾在20世纪80年代红极一时，有不少国家提出了多种空天飞机的方案，其中最有名的当属英国“霍托尔”、美国“东方快车”单级空天飞机方案和德国 “桑格尔”双级空天飞机方案。不过，因为空天飞机的技术十分复杂，以致于在研制过程中这些空天飞机工程又都纷纷下马了。这是为什么呢？
“霍托尔”遭流产
英国“霍托尔”空天飞机外形和普通飞机基本一样，可完全重复使用。它采用4台吸气式喷气发动机和液氢-液氧火箭发动机的组合动力装置。起飞时吸气式喷气发动机首先启动，速度达到马赫数5、高度为26千米时停止工作，这时火箭发动机启动，直至进入200千米高的近地轨道。
“霍托尔”空天飞机的概念是1982年10月英国宇航公司提出的。“霍托尔”从伦敦飞到悉尼只需45分钟，所以能为未来的高超音速民航机提供必要的技术储备。“霍托尔”的起飞方式不同于美国航天飞机，也不同于普通飞机。它采用火箭发射车辅助，采用这种起飞方式可降低起飞重量达70吨。
发动机是“霍托尔”最关键技术，原定采用罗·罗公司设计的RB545吸气式氢氧发动机，它是高度先进的单一机体式发动机，总重2.5吨，兼有喷气发动机和火箭发动机的功能和优点，有两种工作状态：空气喷气发动机工作状态和液氢-液氧发动机工作状态。但经过几年的详细研究，英国宇航公司和罗·罗公司都感到，无论从经费上还是从技术上，都无力独立承担“霍托尔”的研制开发工作。加之国际形势的变化和世界航天发展方向的改变，最终于1988年决定放弃“霍托尔”计划。
不过在1991年10月的第42届国际宇航联合会会议上，英国宇航公司又报告了英国与苏联合作研究的新“霍托尔”空天飞机方案的设想。新 “霍托尔”方案采用双级发射方式，即用苏联安-225大型运输机作为第1级把“霍托尔”驮运到高空，然后分离，“霍托尔”靠自身安装的俄罗斯氢氧火箭发动机进入太空。其结构形式简单得多，也可行得多，技术风险小。但该方案后来也杳无音信。
“东方快车”夭折
美国“东方快车”空天飞机的方案与英国的类似，最大特点是以超音速燃烧冲压发动机为主发动机，是航空、航天两用运输系统。
1986年2月4日，里根总统向美国国会发表国情咨文，此时正是挑战者号航天飞机悲惨事故发生的一周之后。里根总统强调，他继续支持美国的载人航天计划，包括航天飞机计划和已经提出的永久性载人空间站计划。同时，他还批准了国家空天飞机计划 （俗称新的东方快车计划）。里根说：“我们计划研究新的‘东方快车’，它能从杜勒斯机场起飞，加速到25倍音速后进入地球轨道，或在2小时内飞抵东京。”里根的讲话标志着美国官方的空天飞机计划正式开始。
这种飞行器原定有三大用途：高性能军用飞机；高速民航飞机；空间运输系统。东方快车计划的第一期目标是研制两架X-30试验型飞机，它能够在跑道上水平起飞，加速到入轨速度，然后返回大气层并水平着陆。
虽然美国国会和政府原计划在1990年底做出决定是否研制X-30全尺寸试验机，但由于技术、经费和政治等方面的原因，决策时间一推再推，直到1993年夏，美国决定放弃X-30试验机计划，并将东方快车计划调整。后来，东方快车计划也不了了之。
“桑格尔”两级方案不了了之
德国空天飞机的方案叫“桑格尔”，它采用两级入轨方式。其第1级是一架大型超音速航空飞机。第2级是轨道器，类似于美国航天飞机轨道器，但要自带液氢-液氧。
1985年，西德为谋求在欧洲空间运载技术方面的领先地位，经过近一年的研究论证，提出了一种比英国“霍托尔”冒险性小的空天飞机方案，以作为欧洲当时研制的“赫尔墨斯”航天飞机（后来中途下马了）的后继型。为了纪念航天飞机的先驱者欧根·桑格尔，西德把这一方案定名为“桑格尔”空天飞机。1986年6月，西德向欧洲航天局提交了该方案，希望作为与英国“霍托尔”方案竞争的另一个可供选择的方案。
“桑格尔”空天飞机的飞行过程是：驮运飞机把轨道器推进到30千米高，速度达到马赫6后，两者分离。驮运飞机返回地面着陆。轨道器在自身的液氢-液氧发动机推进下，继续爬升，直到进入402千米的近地轨道。在完成轨道飞行任务后，“桑格尔”轨道器像美国航天飞机轨道器那样再入大气层并水平着陆。按设想，“桑格尔”航天飞机返场休整时间只需几天。
德国曾计划在2006年进行“桑格尔”全尺寸机首次飞行。但后来由于欧洲载人航天战略和统一后的德国对宇航投资的态度发生了很大变化，“桑格尔”也中止研制了。
能否东山再起
然而，空天飞机并没有因此消失。比如，英国就一直不甘心放弃“霍托尔”，曾参与“霍托尔”研制的3名工程师于1989年成立了英国喷气发动机公司，低调实施名为“云霄塔”的空天飞机计划。“云霄塔”是根据“霍托尔”水平起降概念设计而成，继承并应用了“霍托尔”项目已取得的成果，但是在整体结构、机体以及发动机等方面进行了大量的技术创新，并于1995年完成了初步方案设计工作。
近年，“云霄塔”的研制实现了重大突破，成功测试了“云霄塔”空天飞机的发动机。“云霄塔”在大气层内飞行时，其上的发动机能将氢与空气混合燃烧；出了大气层以后，可将氢与液氧混合燃烧。所以，“云霄塔”被认为是实现人类太空旅行梦想的航天器。
不过，从目前来看，由于空天飞机技术太复杂，因此在当代科技水平的条件下，“云霄塔”是否能研制出来还很难说。
此外，美国私人公司为英国维珍银河公司研制的太空船1号/白骑士1号两级亚轨道空天飞机取得了成功，目前正研制用于亚轨道旅游的太空船1号/白骑士1号亚轨道空天飞机。
延伸阅读
我国提出了自己的空天飞机计划
今年，中国航天科工集团提出了“腾云工程”计划，计划在2030年完成空天飞机技术验证试飞。按照设想，空天飞机可从地面机场水平起飞，在大气层中加速爬升；到达30-40千米高度时一二级分离，一级水平着陆返回；二级继续爬升进入近地轨道，完成运输任务后再入大气层返回，具有廉价、安全、便捷、机动等优势。
无独有偶，中国航天科技集团公司今年也宣布开始研制组合动力飞行器。根据设计，它在起飞时会使用普通飞机所配备的涡轮发动机，当飞行器达到一定速度后，再使用适应高速飞行的冲压发动机进行冲刺，最后在大气稀薄的地方点燃火箭发动机，实现入轨。通过多种发动机“各司其职”，在距离地面几十千米的大气层以内，组合动力飞行器利用氧气就可以完成飞行，进入太空之后，再使用不依赖空气的火箭发动机，这样就大大降低了进入太空的成本，未来它将主要应用于距离地球几十千米到几百千米的太空飞行。其实，它也是空天飞机。
