一、运载火箭、上面级和飞行器
运载火箭
作为航天运载工具的核心类型，运载火箭是将有效载荷按预定轨迹送入太空的一次性使用系统。其工作原理是通过多级火箭或助推器组合，在燃料耗尽后逐级抛弃无效结构（如空燃料箱和发动机），以减轻重量并提升后续加速效率。尽管分节技术需承载后续阶段发动机，导致系统复杂度增加，但单级火箭效率过低（无法达到第一宇宙速度），而四级以上系统又因结构重量冗余，故现役火箭多采用二级或三级构型。此外，火箭依赖弹道式控制，轨道倾角由发射场纬度决定，高轨任务燃料消耗呈指数增长，调姿能力受限。
上面级
上面级是多级火箭中第一级以上的部分（通常为第二或第三级），其中末子级直接对接载荷并执行入轨释放任务，其发动机一般不具备多次点火能力。本文讨论的 “上面级” 对标国内外通用型号，如中国 “远征” 系列、俄罗斯 “微风”、美国 “质子” 上面级，特指在定型运载火箭基础上增设的拓展级，用于提升运载能力或执行复杂轨道任务。
空间飞行器
空间飞行器与卫星的核心区别在于轨道机动能力。卫星进具备有限燃料，用于轨道位置保持和离轨操作，任务期间轨位固定。空间飞行器是搭载大功率推进系统，可实现轨道高度、相位、倾角的大范围调整，并具备空间目标抵近控制能力。
本系列所述 “空间飞行器” 为未来宇航提出的产品概念，国际上等效术语包括轨道转移飞行器（OTV）、太空拖船（Space Tug）、在轨服务飞行器（OSV）等，涵盖具备机动能力的卫星平台及复杂轨道作业系统。
而本系列文章所讨论的“空间飞行器”是由未来宇航提出的产品名称，目前没有固定的叫法，国内外其他企业有提出轨道转移飞行器（OTV）、太空拖船（Space Tug）或转移卫星（Transfer Satellite）、在轨服务飞行器（OSV）、轨道机器人飞行器（MRV）等不同名称。
空间飞行器、卫星与上面级定位差异
卫星聚焦固定轨位应用，如对地观测、通信、导航等，入轨后不再变更轨道。
上面级作为运载火箭的扩展级，本质仍属火箭系统，用于提升发射能力。
空间飞行器定位 “轨道移动平台”，支持碎片清理、在轨补给、空间建造等动态任务，类比 “太空汽车”，具备更高灵活性。大型空间站虽称 “站”，但其轨道转移能力使其归属于特殊类型的大型飞行器，然其轨道机动燃料消耗巨大，类似 “太空母舰” 与常规飞行器的差异。
图 空间飞行器在轨执行任务示意图
二、发展现状
目前在空间飞行器领域国外发展的比较领先，其机动能力从近地LEO轨道向MEO、GEO及地月转移轨道拓展，飞行器任务功能从单一功能、多星部署向多功能、在轨服务（含空间碎片清理和在轨延寿）发展。
近地轨道转移与深空推进
美国Impulse Space公司的Mira飞行器专为有效载荷承载、部署和轨道转移而设计，使用可储存的一氧化二氮和乙烷双推进剂，其LEO Express-1任务，已成功部署100kg立方星并在LEO轨道仅用75秒完成其远地点提升150公里的机动任务。
Impulse Space公司的另一个Helios 轨道转移飞行器采用液氧 / 甲烷推进系统，可在 8 小时内将 4 吨级卫星从低地球轨道（LEO）运送至地球静止轨道（GEO），较传统电推进系统效率提升数十倍。
美国Intuitive Machines公司的Nova跳跃器提供月球转移轨道机动服务，可搭载多达1吨的有效载荷送至环月轨道，探测范围扩大至25千米，并能进出永久阴影区。
空间碎片清理与在轨服务
日本Astroscale公司通过磁吸对接技术在 ADRAS-J 任务中成功接近并检查日本 H-2A 火箭第二级，验证了主动碎片移除的可行性。其 ELSA-d 项目虽因推进器故障受限，但核心磁吸捕获技术已通过测试，未来将与印度 Digantara 等企业合作推广亚太地区的轨道服务。
政府任务和资金支持
日本Astroscale公司于2020年入围英国航天局（UKSA）2026年清除两颗LEO轨道航天器任务，并获得其太空碎片清理项目的B轮资金支持。
美国Impulse Space公司于2024年分别获得美国太空发展局（SDA）价值190万美元合同以研究卫星移除和离轨方案、美国太空军和国防创新部门（DIU）价值3450万美元合同以支持2026年部署两辆轨道转移飞行器（OTV）分别发射到近地轨道（LEO）和地球同步转移轨道（GTO）。
三、应用展望
从单一技术功能向系统能力升级
可重复使用与高效推进技术的规模化落地。通过火箭回收与飞行器复用技术，大幅降低太空运输成本和提高部署效率。通过采用液氧 / 甲烷推进技术，轨道转移飞行器可将卫星从LEO到GEO的转移时间从5天压缩至 8 小时，较传统电推进效率提升数十倍。而国外政府向商业公司释放的合同订单，标志着快速轨道部署技术的实用化。
智能化与自主控制技术的深度融合。通过磁吸对接技术完成碎片捕获试验，可将空间飞行器的轨道转移部署拓展至卫星延寿与在轨维修，未来可执行失效卫星移除任务，进一步验证商业化碎片清理流程。同时，借助自主避障算法实现月球软着陆，其低温推进系统与地形识别技术将为后续深空探测奠定基础。
从单一任务应用向全域场景覆盖
从“太空基建”到“太空运维”的轨道服务商业化。商业公司正构建覆盖 “发射 - 部署 - 维护 - 清理” 的全链条轨道服务体系。通过快速轨道转移飞行器，为巨型星座提供高效部署服务；以磁吸对接和机械臂技术切入碎片清理市场，获得政府部门的订单任务支持。此外，卫星延寿服务逐步兴起，通过在轨燃料补加将卫星寿命延长 3-5 年，预计 2030 年相关市场规模达 50 亿美元。
从“政府主导”到“商业协同”的深空探测市场化。如美国NASA “商业月球有效载荷服务”（CLPS）计划推动商业公司参与月球探测任务中，为其可持续地月深空探索任务提供商业支持，其中覆盖阿尔忒弥斯计划中的无人/载人任务、月球车及未来月球基地需求，商业公司并提供关键基建保障。
国外公司在空间飞行器领域的发展，本质上是技术创新与市场需求共振的结果。从快速轨道转移到深空资源开发，从碎片清理到军事应用，其核心逻辑在于通过降低成本、提升效率、拓展场景，将航天技术从 “高门槛探索” 转化为 “可盈利产业”。未来，随着可重复使用、AI 自主控制、核动力等技术的持续突破，以及国际规则与商业生态的逐步完善，空间飞行器有望成为连接地球与太空的 “基础设施”，推动人类正式迈入 “大航天时代”。与此同时，技术可靠性验证、太空安全治理、可持续发展等挑战，仍需全球产业链协同应对，以确保太空探索始终服务于人类共同利益。
