飞得更快、更高、更远，是人类永恒的追求。1903年12月17日，美国莱特兄弟实现了首次有动力持续可操纵飞行。在这之后，人类就盼望能乘坐飞机直奔太空。为了实现这个追求，人类虽屡经挫折，但仍在继续努力。

三个阶段不懈奋斗
人类要飞向太空，必须将运载器加速到第一宇宙速度（7 900米/秒）。显然，这不是低速飞机能达到的。因此，人类在进入太空的尝试中一开始就采用了与飞机完全不同的方法。
第一阶段采用了垂直起降、用火箭发射、一次性使用的飞船。1961年4月12日，苏联航天员加加林乘坐东方一号飞船用“联盟-2.1a”火箭发射升空，成为第一位进入太空的人。飞船的体积利用效率较高，对火箭运载能力的要求较低，技术风险小，研制费用低，进度容易保证。同时，飞船特别适合用于登陆没有大气层的月球。当然，飞船也有不足，如过载较大、横向机动能力小、着陆散布度较大等。
第二阶段开始采用垂直发射、水平降落、部分重复使用的航天飞机。美国的航天飞机由重复使用的轨道器、外储箱和固体助推器组成。自1981年4月12日发射首个航天飞机后的30年间，5架航天飞机共执行了135次任务。2011年7月21日，亚特兰蒂斯号航天飞机在美国肯尼迪航天中心着陆，宣告美国航天飞机时代的结束。航天飞机在使用中也暴露出不少问题，如安全性低、运输费用高、使用与维护不方便、地面周转时间长、发射频度较低等。在那之后，美国转向发展由火箭顶推的小型无人的航天飞机，如已飞行了6次的X-37B和正在研制的“追梦者”。
第三阶段将采用全部重复使用的航天飞机。近年来，美国太空探索技术公司可重复使用的猎鹰9号火箭成功发射了也可重复使用的龙飞船。该公司正在研制的“超重-星舰”星际运输系统，近地轨道运载能力达到100~150吨，并可返回发射台，若其成功必将是一个里程碑。美国曾多次提出要发展两级入轨的火箭飞机，但始终未能实现。
早在1986年2月4日，时任美国总统里根宣布推行“国家空天飞机”（NASP）计划，将发展完全重复使用、单级入轨、水平起降的使用吸气式发动机的空天飞机。1995年，这个耗资超过30亿美元的计划，因技术还不成熟而下马。在那之后，多国进行了以高超声速吸气式发动机为核心的预研工作。

两种方案各有千秋
空天飞机是在上升段部分使用吸气式发动机、能在常规跑道上水平起落的空天运载器。它在大气层内飞行时，可用空气中的氧气做氧化剂而减少飞机的质量和体积，并由此降低了成本。目前主要有单级入轨和两级入轨两种方案。
单级入轨空天飞机简单可靠，但技术难度很大。当飞行马赫数（速度与音速的比值）小于15时，吸气式发动机的比冲（单位推进剂的量所产生的冲量）比火箭发动机更高；当马赫数大于3时，后涡轮发动机的比冲就大大下降；当马赫数为3~5时，亚声速燃烧冲压发动机具有较高的比冲；当马赫数为5~14时，只有超声速燃烧冲压发动机具有较高的比冲；当马赫数为14~25时，只能使用火箭发动机。
空天飞机的另一种方案是较易实现的两级入轨方案。钱学森早在1962年出版的《星际航行概论》一书中就提出了使用吸气式发动机的概念。他提出了用一架装有喷气发动机的大飞机作为第一级运载工具，用一架装有火箭发动机的飞机作为第二级运载工具。关于吸气式发动机，他提出要“以涡轮喷气发动机起飞，当高度超过10千米及飞行速度达到2倍声速以上时再把冲压发动机开动，继续爬高和加速，直到极限，然后第二级火箭脱离第一级起飞”。德国在1986年也提出了“桑格尔”两级入轨的空天飞机方案。在这之后，多国还分别研究了超燃冲压发动机、强预冷式发动机和旋转爆轰式发动机等，以促进空天飞机的发展。

我国空天运输的发展
1987年，我国“863计划”在航天领域选取了5种空天运输方案，包括飞船、不带主动力的小型航天飞机、带主动力的航天飞机、两级火箭飞机和空天飞机等进行论证，最终确定了研制“投资较小，风险较小，把握较大”的飞船方案。之后，我国继续对空天运输进行了大量的研究和试验。2020年9月5日，我国成功发射了可重复使用的航天运载器。2021年7月16日，我国进行了亚轨道重复使用演示验证运载器首飞试验。2022年8月26日，升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验获得圆满成功。2022年8月5日，我国又成功发射一型可重复使用的试验航天器，它在轨飞行276天后，于2023年5月8日成功返回预定着陆场。
未来，我国空天运输的发展将分三步走：第一步，研制重复使用的运载火箭和升力式运载器的第一级；第二步，研制完全重复使用的运载火箭和升力式两级重复使用运载器；第三步，研制组合动力的空天飞机，从而逐步实现便捷而廉价的太空航班化运输和地球上1小时到达的极速运输。
钱学森先生在1993年7月23日给作者的信中说：“21世纪的中国人，一定要在空天飞机上显一显身手，这是一件国家大事！”

 

黄志澄，研究员，从事高超声速技术和航天发展战略研究。曾任国家高技术航天领域专家委员会委员和综合专家组组长、921工程论证组办公室主任。著作有《航天科技与社会第四次浪潮》等。