空天飞行器（Aerospace Vehicle）是航空航天飞行器的简称。美国国家航空航天局（NASA）航空航天技术术语词典和麦格劳-希尔科学与技术术语词典对空天飞行器的解释为“在可感大气层内外都可以飞行的一类飞行器”，即既能航空又能航天的飞行器。

  本文从商业和军事两方面阐述了空天飞行器的研究意义，介绍了空天飞行器研发所必须要突破的关键技术和世界代表性空天飞行器项目的研制情况，并对空天飞行器的未来发展趋势做出了预测。

  发展空天飞行器可以大幅度降低空天之间的运输费用。据估计，空天飞行器的运输费用至少可以降到航天飞机的1/5，甚至可降到1%，其实现途径有三点：

  三是水平起飞，水平降落，简化起飞（发射）和降落（返回）所需的场地设施和操作程序，不受发射窗口限制，减少维修费用和管理调度成本。

  空天飞行器不但可以向空间站等空间系统补充人员、物资、燃料，提供在轨服务，把空间站内制成的产品运回地球，还可以搭载乘客进行太空旅行，方便快捷地到达世界的任何地方。此外，空天飞行器还可以对自然灾害进行快速响应。

  在军事上，空天飞行器可以在大气层内外自由飞行，如果将它发展成一种全新的航空航天轰炸机、战斗机和运输机，其作战区域将是整个地球乃至近地空间。它能在1～2h内突破任何地面防御系统，从空间对陆、海、空目标实施精确打击，即具备了全球快速打击能力。而且，空天飞行器可以长期在太空部署，可以对敌方的卫星、宇宙飞船，甚至太空站实施打击。只要装备简单的机械手，空天飞行器就能将敌方卫星俘获；装备导弹后，空天飞行器就能成为标准的太空战机。

  1）气动设计分析技术。空天飞行器的最严重的问题之一就是其空气动力学性能。空天飞行器的飞行范围是从大气层内到大气层外，速度从0到马赫数25。由于如此大的空间、速度跨度和工作环境变化，飞行器设计必须要满足几个相互矛盾的要求。

  2）推进系统研发技术。空天飞行器所面对的大空间、速度跨度和工作环境变化是现有的所有单一类型发动机都不可能胜任的，所以全新的推进系统也是空天飞行器研发的关键技术之一。设想的空天飞行器的推进系统一般都会采用超燃冲压发动机与火箭发动机，或涡轮喷气发动机、冲压喷气发动机与火箭发动机的组合动力方式。

  3）材料与结构设计技术。空天飞行器需要多次出入大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热。除此之外，空天飞行器在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力、振动、空气动力等作用，在返回再入阶段要经受颤振、抖振、起落架摆振等作用。在多种工况复合作用下，热防护系统既要保持良好的气动外形，又要能够长期重复使用，维护方便，所以其设计具有相当的技术难度。

  4）一体化设计技术。空天飞行器除起飞加速阶段外，其他阶段的飞行速度都很高，当其以马赫数超过6的速度在大气层内飞行时，空气阻力将急剧上升，所以其外形必须高度流线化，这就要实现发动机与机身一体化。在一体化设计中，最复杂的是要使进气道与排气喷管的几何形状能够随着飞行速度的变化而变化，以便调节进气量，使发动机在低速时能产生额定推力，而在高速时又可降低耗油量，还要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能，以使它在再入大气层的过程中能经受住高速气流和气动加热的作用。

  目前，美国、俄罗斯、欧盟、英国及日本都在空天飞行器的研发方面有较大的投入。然而，从目前资料分析，世界上所有在研的空天飞行器都还未取得实质性成功，还处在研究及发展阶段。

  美国开展的空天飞行器研发项目占全球总数的50%以上。1982－1985年，美国在国防高级研究计划局（DARPA）的主持下开展了“国家航空航天飞机”（NASP）方案的可行性研究工作，旨在研发一种可以水平起飞和着陆的单级入轨飞行器，X－30是NASP的一个先进的技术演示试验飞行器，能携带1～2名航天员。

  尽管在必要的结构和推进技术方面取得了一些进展，X－30方案还是由于诸多技术难题和昂贵的开发成本于1993年停止。取而代之的是X－43无人驾驶试验飞行器。X－43继承了X－30已突破的技术，但是规模要比X－30小，长度只有3.7m，质量约为1300kg。X－43共进行了3次飞行测试，并在2004年11月6日的第3次测试时实现了马赫数9.6的飞行速度。

  比较而言，目前为止最为成功的空天飞行器项目就是X－37B“轨道试验飞行器”（OTV）。X－37B由波音公司旗下幻影工厂制造，大小是航天飞机的1/4，起飞质量超过5t。X－37B体积虽小，但功能齐全，有一个与航天飞机相似的背部载荷舱，尺寸与皮卡车的后货箱相当，载荷能力约为2t，内置货舱可以搭载小型机械臂，抵达轨道后可展开进行轨道作业。为满足在轨能源需求，X－37B还携带了太阳能电池板。X－37B采用火箭发动机（没办法实现水平起飞），推进剂为甲基肼（MMH）和四氧化二氮（N2O4）的双组元自燃推进剂。

  2010年4月23日，首架X－37B从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功发射升空，宇宙神－5（Atlas－5）火箭执行了此次发射任务。这架X－37B轨道试验飞行器于2010年12月3日成功降落在美国加州范登堡空军基地，飞行时间224天。

  项目发展至今，X－37B的存在价值一直备受争议，而且美国军方甚少透露它的任务与行踪，令外界对其用途有诸多猜测。有军事专家认为，美国会在此基础上开发出彻底颠覆现有军事武器体系的作战系统；美国的《》称，X－37B的试飞“很清楚地表明‘军事武器太空化’慢慢的开始”。

  除X系列试验飞行器外，美国还有多项私人资本投资的空天飞行器研发项目。太空船－1是1架装有火箭发动机的有翼飞行器，由美国缩尺复合体公司制造。在太空船－1的基础上，缩尺复合体公司与维珍银河公司联合开发了太空船－2。太空船－2是一个低长宽比飞行器，可以容纳6名乘客和2名飞行员。

  俄罗斯和美国是目前世界上仅有的2个成功完成航天飞机飞行的国家。俄罗斯正在开展代号为“多用途空天系统”的空天飞行器的研制工作。“多用途空天系统”是可重复使用的超声速有翼飞机火箭系统，设想可以将20～60t的有效载荷送入轨道，由赫鲁尼切夫国家航天研究与生产中心及中央航空动力学研究所等单位负责开发。

  早在2013年，俄罗斯中央航空动力学研究所就已完成了该飞行器载波空间飞行的可行性研究的第一阶段，其进一步的研制进展还未有公开报道。

  早在20世纪80年代，德国就开始了代号为“桑格”的空天飞行器研发工作。飞行器采用两级概念，第一阶段采用冲压式喷气发动机，使飞行器水平起飞并爬升到30km的高度，达到马赫数7的速度；第二阶段采用液氧/液氢火箭发动机将飞行器加速到轨道速度和高度。由于研发成本的原因，该项目于1995年停止。

  英国在1982年由罗尔斯-罗伊斯公司和英国航空航天公司进行合作开始了自己的空天飞行器“霍托尔”[即“水平起飞水平着陆”（horizontal takeoff and landing）]的研发。“霍托尔”被设想为一个无人的、完全可重复使用的单级入轨有翼飞行器，可将约7～8t的有效载荷运送到300km的轨道高度。由于缺乏资金，该项目于1989年停止。“霍托尔”虽然被停止，发动机RB545的研发却为英国新的空天飞行器“云霄塔”奠定了技术基础。

  欧盟开发的“欧洲宇航防务集团太空飞机”在2007年的巴黎航空展上首次亮相。该飞行器的推进系统由2个喷气式发动机和1个火箭发动机组成。飞行器按照设想能够在通常的民用机场起降。

  日本从1988年开始慢慢地把研究重点从航天飞机转向单级入轨的空天飞行器，并针对其中的关键技术进行了进场着陆、流体力学计算、单级入轨方案分析、轻型耐热结构及高超声速发动机研究，新建了冲压/超燃冲压发动机试验设施、先进复合材料试验设施，扩大了高超声速风洞试验段，积累了大量的技术基础。

  由于空天飞行器具有巨大的商业经济价值和军事价值，世界各航空航天强国必定会更加重视空天飞行器的发展，进一步加大研制投入和加快研制节奏。

  根据预测，在未来10年，由于空气动力学的发展，飞行器的阻力将下降15%～20%；由于材料和设计技术的进步，飞行器的结构质量将下降20%；由于元器件可靠性提高和制造工艺的改进，飞行器的事故率将下降80%。商业空天飞行器将向更大、更快、更安全、更经济、对环境污染更小的方向发展。

  未来空天飞行器平台的显著特点将是多采用具有大升阻比的升力体构型。其结构是超轻质，高强度，功能、结构一体化的，具有最先进的高超声速推进系统、结构热防护系统、控制管理系统和安全保障系统。