完全可重复使用航天器技术发展
随着人类对宇宙探索的持续深入，完全可重复使用航天器技术已成为当今航天领域研究的焦点与前沿。完全可重复使用航天器作为一种高效进出空间的系统，能够显著降低天地往返成本、缩短研制周期、提高太空探索的效率和频率。这种航天器不仅可以实现多次往返太空，还能在不同的轨道执行任务，为太空资源开发、太空旅游、卫星部署与维护、载人航天等领域提供更为高效、便捷的解决方案。
传统航天器在每次任务完成后，大部分部件被遗弃或报废，造成了巨大的资源浪费。完全可重复使用航天器发射完成任务后全部返回着陆，经过检修维护与燃料加注，可快速再次执行任务。可重复使用航天器主要包括可重复使用运载火箭、亚轨道空天飞行器、往返地球表面与地球轨道或月球、深空的可重复使用飞船、飞行器以及轨道间往返航天器等。
完全可重复使用航天器返回地球过程涉及复杂的轨道计算、导航制导与控制技术，首先通过推进系统进行减速，使其脱离原运行轨道，进入一条返回轨道，航天器实时监测自身的位置、速度和姿态等，利用航天器倾侧角或者倾侧角+攻角控制返回轨迹，以确保准确地进入地球大气层，并在预定区域安全着陆。返回过程中主要受到地球引力和气动力的作用，有弹道-升力式或升力式等方式，通过大升阻比气动布局设计、再入轨迹优化、智能自适应的制导控制策略等实现无损和定点返回。
人类一直积极探索开发可重复使用航天器，从早期的一次性使用航天器，到部分可重复使用的过渡阶段，再到如今追求的完全可重复使用，航天器技术的演进历程充分彰显了人类对太空探索的不懈追求以及技术上的稳步突破。
充满挑战与不断突破的发展历程自20世纪60年代开始，世界主要航天大国不断探索可重复使用航天器技术，发展路线如图1、图2所示。1）从20世纪60年代至90年代，早期的技术探索阶段，最先发展并研制出人类历史上第一种可重复使用航天器，即航天飞机；
2）从20世纪90年代至2010年前后，不断发展期，出现了多种气动外形的可重复使用航天器，包括以“龙”（Dragon）飞船为代表的钝头体型可重复使用航天器，以X-37B为代表的翼升组合体型可重复使用航天器，以“过渡试验性飞行器”（IXV）为代表的升力体型可重复使用航天器；3）2010年之后，以美国太空探索技术公司（SpaceX）为代表的商业航天公司崛起，推动了低成本可重复使用航天器的快速发展，猎鹰-9（Falcon - 9）开创了运载火箭垂直回收、重复使用的先例，目前正在研制以“超重-星舰”（Super Heavy - Starship）为代表的新一代完全可重复使用航天器。
美国通过长期积累与创新，先后实现了航天飞机、“猎鹰”系列火箭、X-37B轨道飞行器等回收复用里程碑式突破，显著降低了研制成本并推动商业航天发展，引领全球可重复使用航天器技术方向。
美国可重复使用航天器的探索始于20世纪60年代，早期的X-15高超声速试验项目、X-20载人航天轰炸机计划、X-24升力体验证机等为后续技术发展奠定基础。进入20世纪70年代，航天飞机的研发成为焦点。1981年，美国哥伦比亚号（Columbia）航天飞机发射成功，成为人类首个可重复使用航天器。航天飞机由轨道器、两个助推器和一个燃料贮箱组成（图3），其中轨道器单独入轨，任务完成后滑翔降落地面机场，经过一定的维修后，可再次使用。美国共研制了6架航天飞机，共执行过135次任务，为太空探索、卫星部署、“国际空间站”（ISS）建设等作出了重要贡献。航天飞机采用有翼升力体设计，垂直起飞、水平降落，然而由于航天飞机系统复杂、维护费用高昂，且存在一定的安全隐患，最终于2011年退役。为了减少技术难度、提高系统安全性，美国又发展了另一种类型的可重复使用航天器——钝头体外形的飞船，可完成载人、载货等地球轨道或登月飞行任务，重复使用10次以上，典型代表有SpaceX公司的“龙”飞船、波音公司（Boeing）的“星际客船”（Starliner）、洛马公司（Lockheed Martin）的“猎户座”（Orion）飞船等。这类航天器集成了逃逸系统，具备全程应急安全保障，采用弹道-升力式返回，简化气动外形设计，在成本效益和任务灵活性方面较航天飞机有较大技术进步，不足是复用率不高、再入过载大等。
进入20世纪90年代，融合航空与航天技术的空天飞机概念兴起，美国率先推出了X-30超高速空天飞机、德尔塔三角快帆和X-33等一系列验证项目，旨在实现更高效、更灵活的太空往返，但由于技术瓶颈难以突破以及经费短缺等原因，最终未能取得成功。
进入21世纪，美国推出了更为成熟的空天飞机项目，其中X-37B、“追梦者”（Dream Chaser）航天飞机等备受关注。2010年，X-37B成功投入飞行测试和使用，它能够携带200kg载荷在轨长期飞行并自主返回，可多次使用。X-37B外形与航天飞机相似，为翼升组合体结构布局，但只有航天飞机的四分之一，质量约为5t，长8.9m，高2.9m，翼展4.6m，具备良好的控制特性（图4）。X-37B由运载火箭垂直发射入轨，可重返大气层并水平着陆。目前X-37B共执行了7次任务，其中第7次飞行试验任务进入了地球同步轨道，是人类罕见发射和回收高轨道的可重复使用航天器，这意味着X-37B具备了高中低全轨道、强轨道机动以及多次往返能力，对未来空间态势感知、在轨维护、全轨道反卫星等具有深远影响。2010年之后，SpaceX等商业航天公司推动了低成本、可重复使用航天器快速发展。SpaceX的猎鹰-9火箭于2015年全球首次实现一级火箭垂直回收复用，具有多发动机并联、垂直回收、多次使用等优势，大幅降低了发射成本。
SpaceX正在积极研制“超重-星舰”完全重复使用航天器。“超重-星舰”是由超大型可回收飞船和可回收超重型火箭组成，“星舰”采用翼锥柱式升力体外形，垂直起飞、垂直降落，返回时充分利用气动效应进行减速，节省推进剂消耗、降低了着陆缓冲系统复杂度及着陆场地要求，是一款有显著技术特点的新型完全可重复使用航天器。截至2025年4月29日，“星舰”已进行了8次轨道级综合飞行试验，通过高频次试飞快速暴露并解决问题，逐步逼近完全可重复使用目标。与此同时，蓝色起源公司（Blue Origin）的“新谢泼德”（New Shepard）亚轨道飞行器、维珍银河公司（Virgin Galactic）的太空船二号（SpaceShip Two）等也在可重复使用航天器领域取得了进展，使得可重复使用航天器发展进入一个新阶段。
俄罗斯在可重复使用航天器技术方面也有一定研究，暴风雪号航天飞机由苏联研制，采用无人飞行模式。暴风雪号航天飞机的成功研制，表明俄罗斯在可重复使用航天器设计、制造、热防护、再入返回等关键技术方面的能力。2004年11月，俄罗斯能源火箭航天公司（RKK Energia）同时展示无翼升力体式（图5）和翼升组合体式（图6）两类“快船”飞行器的全尺寸模型。快船飞行器主要由返回舱和服务舱两部分构成，有效载荷为最多6名乘员及最多500~700kg货物。快船号在返回舱与服务舱分离后，制动发动机点火工作再入大气层，并最终通过翼伞、起落架着陆或通过充气膨胀装置溅落。另外，俄罗斯还提出了钝头体外形的可重复使用未来载人运输系统（PPTS）飞船方案。欧洲航天局在可重复使用航天器技术领域也进行了积极的探索和研究。英国提出的“云霄塔”飞行器为单级完全可重复使用航天器方案，如图7所示，“云霄塔”采用组合动力推进系统，能够在不依赖火箭助推的情况下，从地面起飞进入太空轨道，采用水平着陆方式返回地球，“云霄塔”项目面临着诸多技术挑战，如组合动力系统的研发、热防护技术的突破以及高精度导航控制技术等。欧洲航天局还参与其他可重复使用航天器研究，如IXV（图8），能够在低地球轨道执行多种任务，并在完成任务后返回地球，实现完全重复使用。IXV推动欧洲在可重复使用航天器领域的发展，为后续项目如“太空骑士”（Space Rider）奠定基础。
早在20世纪80年代，中国就开始了可重复使用航天器技术探索与研究。当时，中国航天专家意识到可重复使用航天器技术对于未来航天发展的重要性，开始在相关领域进行技术储备和理论研究。
进入21世纪，随着中国航天技术的不断进步和综合国力的提升，可重复使用航天器技术的研发工作得到了进一步的重视和支持。2020年9月4日，中国在酒泉卫星发射中心成功发射一型可重复使用试验航天器，在轨飞行2天后，于9月6日成功返回着陆。这次发射和回收任务的圆满成功，标志着中国在可重复使用航天器技术领域取得了重大突破，实现了从无到有的跨越。
2022年8月5日，中国再次发射可重复使用试验航天器，此次在轨飞行时间长达276天，于2023年5月8日成功返回预定着陆场。长时间的在轨飞行，对航天器的各项技术性能提出了更高的要求，包括能源供应、热防护、轨道维持、设备可靠性等。这次任务的成功，表明中国在可重复使用航天器的长期在轨运行、可靠性等方面取得了显著进展。
中国也正在研制钝头体外形、可重复使用的新一代飞船和翼升组合体外形的“昊龙”货运航天飞机。“昊龙”货运航天飞机是一种可重复使用的商业航天器，长度约10m、宽约8m，采用大翼展、高升阻比的气动布局，具备可重复使用能力，兼顾空间站上行和下行的货物运输。
气动布局构型是可重复使用航天器总体设计的关键之一，不同的构型具有不同的任务特点和适用场景。通过合理设计航天器的外形构型，如头部形状、机翼外形和机身轮廓等，可以有效改变气流特性，降低热流密度和过载峰值等。
钝头体式气动外形在再入过程中会形成一个较大的激波层，激波将部分动能转化为热能并耗散在激波层中，从而降低了表面的热流。据研究，钝头体外形可使再入热流降低约50%以上，有效减轻热防护系统的负担。
翼升组合体外形结合了机翼和机身的优势，具有高升阻比的特点，在返回大气层时能够产生较大的升力，降低再入过载，实现可控的滑翔飞行，提高着陆精度和安全性。美国的航天飞机、X-37B空天飞机和中国的“昊龙”货运航天飞机都采用了类似的构型设计，通过机翼和机身的组合，实现在大气层内的滑翔和着陆。
火箭构型则具有结构简单、可靠性高的优点，垂直起降的可重复使用运载火箭，如SpaceX的猎鹰-9，采用传统火箭构型，通过在箭体上增加着陆支撑机构、气动减速和控制机构等，实现一级火箭的垂直回收。这种构型对着陆点要求低，也适用于未来地外天体着陆和起飞任务。
大升力体的气动布局是完全可重复使用航天器发展趋势，这类航天器气动性能较好，在返回过程中具备较强的机动性和可控性，充分利用大气减速和机动，减少推进剂消耗，提高回收效率。
实现返回再入，精确的导航、制导与控制技术不可或缺。通过全球卫星导航系统（GNSS）、惯性导航系统（INS）以及天文导航等多种先进技术有机融合，提供精准的位置、速度和姿态信息。在返回过程中，利用高精度的制导算法，实现满足动压、过载、热流等约束条件下精确控制飞行轨迹，精准降落在预定着陆点。
在返回再入制导技术领域，自适应预测制导根据实时飞行状态和约束条件自主调整制导策略，展现出强大的智能化特性。自主轨迹规划对航天器安全高效的再入飞行起到至关重要的作用，基于实时飞行状态动态调整轨迹，应对返回过程中的不确定性（如大气扰动、热环境变化）。基于历史数据训练和强化学习的轨迹规划模型，提高复杂场景下的决策效率（例如：利用深度学习预测再入过程中的热流分布，动态调整飞行姿态和轨迹）。智能优化算法能够在无模型下进行决策控制，用于解决轨迹规划对模型依赖性强、适应性低的问题。
先进的推进技术是完全可重复使用航天器的核心支撑要素。可重复使用航天器的发动机需具备多次点火启动、精确推力调节等关键功能，以满足在不同飞行阶段的多样化需求。目前，液氧煤油、液氧甲烷等推进剂组合已成为应用的热点，液氧甲烷发动机以其燃烧效率高、积碳少等优势，在航天器回收后的维护工作中展现出极大便利。
精确返回导航、制导与控制技术正朝着高精度、智能化、自主化等方向发展，这些发展趋势将推动可重复使用技术快速迭代。
可重复使用航天器再入大气层时，会遭遇极其严苛的高温环境，完全可重复使用航天器对热防护系统提出了极高要求，应具备耐高温、抗烧蚀、高效隔热、高可靠性、可重复使用以及低成本等特点，常用的热防护材料包括陶瓷基复合材料、烧蚀热防护材料等。可重复使用航天器一般通过主动冷却与新型隔热材料相结合或隔热-烧蚀复合热防护方式。
未来热防护技术的研究聚焦于新材料的研发与应用。加大对纳米技术在热防护涂层中的应用，优化涂层结构，进一步提高涂层的耐高温、抗烧蚀和抗氧化性能。加强对超轻质、高比强度材料的研究，如碳纳米管、石墨烯等新型碳材料以及金属基复合材料，解决材料制备工艺复杂、成本高昂等问题。
在热防护结构设计创新方面，结合拓扑优化、增材制造等先进技术，实现热防护结构的轻量化和高性能化。
1）群伞减速+气囊缓冲或直接着水的回收方式：当前较为成熟的方案，广泛用于载人飞船与返回式卫星。当航天器返回地球进入大气层后，在一定高度和速度条件下，会依次打开引导伞、减速伞和主伞等。
2）动力减速+软着陆支架：垂直返回运载火箭的主流方案，基于发动机的反推减速和精确的制导控制，能够实现高精度定点回收。
3）充气式再入减速技术：柔性充气结构在再入阶段展开增大阻力实现软着陆。
4）起落架+阻力伞：有翼升力式航天器一般采用这种方式，通过能量管理和轮式起降，实现机场着陆回收。
再入无损着陆技术正朝着高适应性、低成本等方向演进，未来随着充气减速、自主控制技术的突破，回收系统将支撑完全可重复使用场景需求。
在可重复使用航天器的飞行过程中，其结构和设备面临着极端复杂的空间环境，如强辐射、高低温交变、再入大过载等，这些因素极大地增加了发生故障的风险。因此，对可重复使用航天器进行实时、精准的智能监测与健康管理至关重要。通过先进的传感器技术、数据处理算法和智能诊断模型，构建智能监测与自主控制系统，能够对航天器的健康状态进行实时、全方位监测与诊断，及时发现潜在故障隐患，提前采取维护措施，提高可重复使用次数。
在监测技术方面，新型传感器的选型与布局可实现对航天器结构应力、温度、振动、压力等多参数的高精度监测；通过多源数据融合技术，对来自不同类型传感器、飞行记录以及历史维护等多源数据的有效整合，运用融合算法实现信息高效处理和深度分析，为航天器健康状态评估提供了全面、准确的数据支持。
在故障诊断与预测技术方面，构建基于模型的故障诊断方法，实现对故障的快速定位和诊断；基于数据驱动的故障预测模型，利用历史监测数据和实时数据，预测故障发生的概率和时间，为提前采取措施提供依据。
在健康管理策略方面，根据航天器的健康状态和故障风险，合理安排维护计划；制定故障情况下的应急处置策略，确保在航天器发生故障时能够迅速采取有效的应对措施。
未来的监测与健康管理技术将更注重实时性与自主性，实现即时预警；同时，可重复使用航天器将具备更强的自主健康管理能力，自主完成故障诊断、决策制定和应对措施的执行。
展望未来，完全可重复使用航天器技术将持续创新升级。智能技术将深度融入可重复使用航天器的各个系统，通过人工智能、机器学习，航天器实现自主导航控制和智能决策。
在自主导航与控制方面，利用先进的传感器和算法，航天器可以实时感知自身的位置、姿态和周围环境，自主规划最优飞行路径。智能决策技术根据任务需求和实时状态，自动调整航天器的工作模式和参数，实现高效执行。在热防护技术领域，研发更加先进的耐高温、可重复使用材料将成为重点，以进一步提升热防护系统的综合性能。智能监测与健康管理技术将向更加智能化的方向迈进，实现航天器的自主决策与智能运维，从而显著降低对地面的依赖程度。
随着技术的逐步成熟，完全可重复使用航天器的应用领域将不断拓展延伸。除了传统的太空探索、发射等任务外，还将在太空旅游、太空资源开发等新兴领域发挥关键作用。例如，太空旅游有望成为一个蓬勃发展的新兴产业，完全可重复使用航天器能够大幅降低太空旅游成本，使更多人有机会亲身体验太空的魅力。在太空资源开发方面，可重复使用航天器可用于开采月球、小行星等天体的丰富资源，降低航天研制成本和周期。
完全可重复使用航天器技术的蓬勃发展将有力带动整个航天产业生态的构建与完善。从航天器的设计研发、生产制造、发射升空到运营管理、维护保养，将逐步形成一个完整、高效的产业链。同时，相关配套产业，如航天材料、电子设备、软件研发等也将迎来快速发展的黄金时期。商业航天公司将在这一进程中扮演重要角色，推动技术的商业化应用与产业的高速发展。完全可重复使用航天器技术无疑是航天领域的重要发展方向，蕴含着巨大的发展潜力与广阔的应用前景。各国均在大力投入研发资源，已取得一系列丰硕成果。关键技术的突破是实现完全可重复使用航天器的核心要素，未来需在总体构型、导航制导与控制、热防护等多个关键技术领域持续创新。发展趋势表明，该技术将在技术创新、应用拓展、产业生态构建等方面呈现出多元化、蓬勃发展的良好态势。相信在不久的将来，完全可重复使用航天器将发挥更加重要的作用，为人类的太空探索和发展作出更大的贡献。
