天地往返飛行器（RLV），又名空天飛機，介于航天飛機和普通飛機之間的飛行器。屬于亞軌道可重復使用飛行器。
天地往返飛行器能夠以普通飛機的方式起飛，能在20～100千米高的大氣層中超聲速飛行，能夠直接加速進入低層軌道，完成施放衛星、發射宇宙探測器等。由于其可重復使用的特點，是一種經濟廉價的軌道運載器，能夠大大節約制造成本和運輸周期。分為短距/垂直起降機垂直降落、垂直起飛水平降落、水平起飛水平降落等常見方式。
截至2023年5月，美國、日本、歐盟、俄羅斯等紛紛開展相關研究工作，并取得了一定成果。有美國X-37B空天飛行器、俄羅斯的多用途空天系統計劃、英國的云霄塔項目、歐洲航天局的空天飛機項目等。2023年5月8日，中國可重復使用試驗航天器取得成功，返回預定著陸場。
領域劃分
航空和航天是以高度來劃分的，高度在20公里以下為航空，高度在20至80公里為空天，高度在80公里以上的為航天。在此之前，航空和航天是兩個不同的技術領域，航空是由飛機等飛行器在大氣層內飛行，航天是由航天飛行器在大氣層外飛行。航空運輸系統是重復使用的，航天運載系統一般是不能重復使用的，而天地往返飛行器（空天飛機）則是航空、航天的高度重合，達到完全重復使用和大幅度降低航天運輸費用的目的。
發展沿革
研制背景
航空和航天中使用的天地往返系統方案分為兩類，一類是以火箭發動機為推進裝置的火箭動力方案，另一類是以吸氣式組合發動機為推進裝置的吸氣式組合發動機動力方案。為實現未來航天運載器 “廉價 、快捷 、可靠 ”地進人太空的要求 ，世界各國航天機構經過大量的研究論證 ，一致認為發展可重復使用的天地往返飛行器是解決矛盾的重要途徑 ；如果能夠投人運行 ，就能使空間運載技術在經濟上和安全可靠性上出現重大改觀。
發展歷程
1986年，美國著手研制的單級入軌、完全重復使用的“國家空天飛機”項目，在歷經近十年的發展后終因當時的技術難度巨大而放棄。隨后美國轉入了火箭推進單級入軌飛行器的研發，其中既有短距/垂直起降機，水平降落的飛行器，也有垂直起飛，垂直降落的飛行器。美國軍隊的X-37B空天飛機最初也是以民用為目的天地往返飛行器。
英國提出了一種名叫“霍托爾”單級水平起降空天飛機，其特點是采用一種全新的空氣液化循環發動機；20世紀90年代，德國提出兩級水平起降空天飛機“桑格爾”，第一級實際上相當于一架超音速運輸機，第二級是以火箭發動機為動力的有翼飛行器。兩級都能分別水平著陸；俄羅斯是老牌的航空航天技術強國，它在空天飛機使用的超燃沖壓發動機方面技術積累尤為雄厚，其彩虹機械設計局在上世紀七八十年代就先后推出了“針”式、“彩虹”-2等驗證機計劃，對高超音速的空天飛行器進行預研。
在中國，也有多款重復使用的天地往返運輸系統被公開報道。中國對可重復使用航天器的研究始于上世紀80年代，經過多年的探索和試驗，逐步形成了自己的技術路線和發展規劃。中國多次強調，“發展可重復使用航天器，意在為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式”，它屬于天地往返航天運輸系統之一。
中國神舟飛船”系列飛船從“神舟”八號開始有了許多技術改進，成為一種嶄新的天地往返飛行器。
2020年9月4日，中國在酒泉衛星發射中心成功發射了可重復使用航天器，該航天器在軌飛行2天后，于9月6日成功返回預定著陸場，標志著中國可重復使用航天器技術研究取得重要突破。2021年7月16日，由中國研制的亞軌道重復使用演示驗證項目運載器在酒泉衛星發射中心準時點火起飛，按照設定程序完成飛行后，平穩水平著陸于阿拉善右旗機場，首飛任務取得圓滿成功。2023年7月媒體報道，JF-22超高速風洞通過驗收。研發目標主要是為解決超高速飛行技術的試驗研究問題，在項目驗收后，科研團隊首先展開的就是天地往返飛行技術的研究。
截至2023年5月，美國、日本、歐盟、俄羅斯等紛紛開展相關研究工作，并取得了一定成果。美國X-37B空天飛行器的成功發射推動了世界各國競逐空天飛行器的研制。包括俄羅斯的多用途空天系統計劃、英國的云霄塔項目、歐洲航天局的空天飛機項目都在開展，日本和印度也在對相關技術進行攻關。
技術特點
動力系統
天地往返飛行器同時有飛機發動機和火箭發動機，起飛時可以不使用火箭助推器，能像普通飛機一樣從飛機場跑道上水平起飛，以每小時1.6萬～3萬公里的高超音速在大氣層內飛行，在30～100公里高空的飛行速度為12～25倍音速，可以直接加速進入太空地球軌道，成為航天飛行器。
控制系統
天地往返飛行器返回大氣層也可以像普通飛機一樣在飛機場跑道上降落著陸，成為自由往返天地之間的運輸工具。能夠直接加速進入低層軌道，完成施放衛星、發射宇宙探測器等。是一種能夠在稠密大氣層、臨近空間、軌道空間往返飛行的重復使用航天運輸系統。
氣動設計
20世紀50年代起，美國和蘇聯就開始天地往返飛行器升力體布局的研究工作，包括翼面后掠角、前緣半徑、頭部半徑、鈍度比、厚度比、平面形狀、平面角、橫截面面積、升力體分類等影響性研究，歸納總結認為，升力再人的三類候選外形分別是翼身組合體、升力體和融合體。
材料結構
天地往返飛行器再入過程最大飛行馬赫數可達20，機體與大氣摩擦使得機體表 面溫度急劇升高 ，機頭錐體 、翼前緣表面溫度高達 1800～2000℃ ，機身迎風面的溫度也在 1200℃左 右 ，最高持續時 間約為 25min左右。一般結構材料難 以承受如此高溫 ，因此需要將熱防護系統與承力結構分開設計 。可重復使用 的熱防護系統要承受高溫 、振動 、高噪音 、強輻射 ，要有 良好 的隔熱效果，還要防潮 、防腐 、防煙霧等 。防熱系統關鍵技術包括 ：
①抗氧化 c／c復合材料技術 、鈦合金與高溫合金蜂窩結構防熱瓦、陶瓷防熱蓋板技術研究 ；
②結構與熱防護系統包括機身 、氣動面 、熱防護系統等 ，油箱 、機載設備 以隔艙形式安裝在機身 內部；
③結構與熱防護 系統進行一體化設計 ，實現滿足飛行器氣動特性的氣動外形 ；
④高溫情況下飛行器本體材料在采取熱防護技術后 ，其材料應力滿足使用要求 ，其結構強度 、剛度滿足總體要求 ；
⑤熱防護材料具有一定 的強度和附著力 ，不允許損壞或脫落。
有研究論文指出，天地往返飛行器可采用于硼化物(ZrB,)，此材料具有較好的力學性能和熱物理性能，包括高熔點( > 3000 C)、高電導率、高熱導率、較高的抗熱沖擊性能，硼化物是在高于2000 9C熱沖擊環境下應用的最具前景的候選材料。超高溫陶瓷材料具備在高超聲速長時飛行、大氣層再人跨大氣層飛行和火箭推進系統等極端環境中的性能，其使用對象包括飛行器鼻錐、翼緣、發動機熱端等各種關鍵部位或部件。
價值意義
商業價值
天地往返飛行器僅能大幅降低單位有效載荷的運輸成本，縮短發射準備時間，實現航班化的天地往返運輸。是一種經濟廉價的軌道運載器，能夠大大節約制造成本和運輸周期。 此外，天地往返飛行器能降低太空探索成本，進一步提高太空飛行的效費比。一些開展亞軌道旅行項目的太空旅游公司以及瞄準未來民航運輸系統發展的新技術公司，都在開展天地往返飛行器的研發。
軍事價值
在軍事上，天地往返飛行器可以作為偵察監視與預警平臺、空間武器發射平臺、快速遠距離運輸系統，還可用于反衛星，充當戰時空間預備指揮所。搭載武器化身為航空航天轟炸機后，作戰區域將是整個地球乃至近地空間。如果長期部署在太空，可以對敵方的衛星、宇宙飛船甚至空間站實施打擊。
發展趨勢
天地往返飛行器相比于傳統航天飛機可重復使用，運行成本低；可由計算機自主進行導航和控制，可以相應減少地面控制中心的規模；可以像普通飛機那樣起飛、著陸、加注燃料和檢修，在普通飛機跑道上起降，不用建設專用發射場地，減小了地勤服務壓力，更便于部署和使用；能在升空的任何時間立即降落，它可以進行無動力飛行，例如當燃料系統和控制系統發生故障的情況下利用空氣動力學特性來進行控制；兩次飛行之間的檢修可以像普通飛機那樣簡單。
參考資料 >
中國試驗天地往返航天器為何被西方炒作為“武器研發”？航天專家指出兩點原因. 環球網.2023-08-10
中國空天飛機2030年試飛 可多次重復使用的天地往返飛行器.人民政協網.2023-08-10
亞軌道飛行器 可實現航班化天地往返運輸.人民網.2023-08-15
中國可重復使用試驗航天器成功著陸，有望實現航班化天地往返運輸.海外網.2023-08-10
空天飛機——天地間的自由行者.人民政協網.2023-08-14
中國天地往返航天器為何被西方炒作“武器研發”？專家指出兩點原因.環球時報.2023-08-20
中國可重復使用試驗航天器成功著陸，有望實現航班化天地往返運輸.光明網.2023-08-10
“天宮一號”發射倒計時 中國奔向載人空間站時代.中國載人航天工程官方網站.2023-08-20
網友：懂了！“一般”先進，可以展示.環球網.2023-08-14