单级入轨火箭（single-stage-to-orbit，或简写为SSTO）是指从地面起飞并能加速到第一宇宙速度直接把有效载荷送入轨道并返回地面可重复使用的单级火箭。

长期以来，发射航天器都使用一次性使用的运载火箭.其成本非常高昂，入轨的每千克质量需22000美元。美国半重复使用的航天飞机问世之后,其发射成本也未下降。为了降低发射成本，人们一直希望采用完全可重复使用的运载器，使成本降到每千克入轨质量只需2000美元。随着结构、材料、工艺、发动机和电子技术的进步，这个设想实现的可行性越来越大了。

航天运载器代表了进入空间的能力，是开发空间资源的基础。它不仅是航天发射市场的主力，而且是军队战斗力的一个组成部分。航天运载器（包括一次性使用的火箭和部分重复使用的航天飞机等），运输费用很高，安全性、可靠性和使用性能都比飞机要低得多，难于满足较大规模开发空间资源的要求，也限制了军用航天系统的能力。为此，有必要进一步改进和发展航天运载器。当前，航天运载器正在向低成本、高可靠性和快速发射的方向发展。各航天大国为改进现有航天运载器和发展新的航天运载器，都作出了很大的努力。发展完全重复使用的火箭是航天运载器发展的一个重要方向，而单级人轨火箭由于运行简单已作为重复使用火箭的首选目标。

在80年代初期，美国空军就认识到了可利用现有结构方案和材料的航天飞机主发动机的潜力来实现到低地球轨道的单级飞行。1982年12月波音公司董事长T.AWilson责成他的公司以每架14亿美元的价格建造1/2缩比尺寸的单级入轨火箭样机。但是美国空军未选定与波音公司签定合同，而是雇佣了一些空间承包商来探讨用火箭作动力的，可完全重复使用的—空间飞机的可行性。最初，鉴定了单级和两级两种运载器，但是经过分析始终认为单级设计方案是比较安全和经济的。

1994年8月5日，美国总统克林顿批准了新的航天运载政策，其核心内容是降低美国现有一次性使用火箭的高昂成本。根据这项政策，国防部负责一次性运载火箭的改进;航空航天局负责下一代重复使用的运载系统的技术发展和演示验证，并希望新的运载系统能在2012年前替代现有的航天飞机和一次性火箭。

美国航空航天局正在执行的先进运载技术计划中提出了三种单级入轨火箭的方案，即垂直起降方案、垂直起飞水平降落的翼身组合体方案和升力体方案。这三种方案采用的大部分技术都是相似的。先进运载技术计划的核心技术可以适用于所有这三种方案。但是，由于不同方案的飞行环境有很大不同，其分系统的技术亦可能有所不同。整个计划的进度要求1996年底对飞行演示验证进行决策，1999年底对研制重复使用的运载飞行器进行决策。

单级入轨火箭近两年呼声日高，自NASP收缩以来，已从单级入轨火箭技术(SSRT)发展到了火箭型单级入轨(SST())方案的研究。美国走在最前列，DC-X已进行了多次飞行．使其进入了验证性研究的第一阶段。德日法英俄等国仅处于观望论证阶段，相比之下他们对吸气式推进的研究要更深入，也更实际，特别是日本，在吸气式推进方面走得更远，俄则希望与美合作，特别在三组元发动机方面。

为了研制出重复使用的单级入轨火箭，必须攻克下列三大关键技术：

(1)先进的材料和结构技术。为了减轻结构重量，使火箭的质量比达到单级入轨的要求，并做到重复使用，大部分箭体结构材料将采用非金属复合材料，例如石墨复合材料蜂窝夹层结构。可重复使用的低温推进剂贮箱一直是研制单级入轨火箭的一个难题。液氧贮箱虽然也可采用和箭体一样的石墨复合材料，但由于液氧与复合材料之间的化学反应问题不好解决，.液氧贮箱将可能采用铝锂合金。低温推进剂贮箱无论是采用铝锂合金，还是采用石墨复合材料，都要求贮箱内保持低温和贮箱外表面能承受再入气动加热的复杂要求，即贮箱的隔热性能好，并要求易于检査和维修。因此，这种箱体、隔热层、火箭壳体和防热层的组合结构是十分复杂的。单级入轨火箭的防热结构，为了既能防热，又能重复使用和减轻重量，必须根据不同方案的热环境，在不同部位采用不同的材料和结构。由于单级入轨火箭的翼载比航天飞机小，它在再入时承受的气动加热也比航天飞机小。火箭的端头和机翼的前缘采用先进的抗氧化碳/碳材料。在外表面的高温区和低温区，可采用在美国航天飞机的陶瓷防热和先进柔性隔热毡的基础上发展起来的重量更轻和性能更好的材料和结构，例如可采用陶瓷复合材料和金属材料的最佳组合。除此以外，防热材料和结构还要进一步提高耐久性和可维修性。“冒险星”由于采用了升力体力案，在再入时承受的气动加热较小，所以综合各方面的要求后，除端头和机翼的前缘外，均采用金属防热结构。

(2)发展高性能的推进系统。理想的单级入轨火箭的推进系统，要求有高的比冲、高的推进剂密度和高的推重比。美国航天飞机的主发动机（以液氧为氧化剂，以液氢为燃料）的地面比冲已经达到很高的水平，进一步提高的潜力已不多了，为此需要开发新的火箭发动机。氢氧发动机虽然性能指标高，但液氢的密度小，燃料贮箱的体积大。为了缩小燃料贮箱的体积，从而减轻结构重量，为此，可以采用三组元推进剂，即以液氧为氧化剂，以液氢和烃类燃料(如煤油、甲烷、丙烷等）为燃料。使用三组元推进剂的发动机称为三组元发动机。三组元发动机一般在低空时使用的燃料大部分为烃类燃料，小部分为液氢；在髙空时使用的燃料全为液氢。当然，三组元发动机的结构要比二组元发动机复杂得多。典型的三组元发动机有单燃烧室和双燃烧室两种。前者如俄罗斯研制的RD-701发动机和俄、美联合研制的RD-704发动机。后者如美国Aerojet公司提出的双燃烧室双膨胀发动机。这种发动机采用液氢和丙烷为燃料。估计这种发动机在海平面的推重比可以达到188。显然，这种发动机对单级入轨火箭更为适合，但这种发动机要采用一些新技术，研制难度很大。研制的另一种新发动机就是塞式喷管发动机，这种发动机采用塞式喷管来提高发动机高空比冲。塞式喷管喷流的外缘是自由边界，可随环境压力的降低而完全膨胀，从而提高了发动机在高空的比冲。若推进剂为液氢、液氧，较低压力的试验表明，真空比冲可达455秒。估计在中等压力下，真空比冲可达470秒。为此，“冒险星”方案就采用了塞式喷管。但是，塞式喷管的流动十分复杂，也会给它的性能带来一些不确定性。“冒险星”的发动机承包商利用退役的SR-71侦察机，正在对塞式喷管发动机进行一系列的飞行试验。进一步提高单级入轨火箭发动机的比冲，还可以采用火箭发动机为基础的组合循环（RBCC)发动机。它可将火箭发动机和吸气式发动机最佳组合起来。

(3)髙效的地面操作技术。其目的是简化地面操作，缩短发射准备时间，提高其使用性能。作为美国重复使用运载器计划的一部分，美国继续支持麦道公司进行垂直起降的单级人轨火箭的试验飞行器DC-X的改型DC-XA的飞行试验。麦道公司在发展DC-X的过程中，改变了过去在航天系统的设计中只把提髙飞行性能作为目标，而很少考虑减少地面运行费用和全寿命费用的做法。在制订对飞行器初步设计的要求时，就把飞行器的可维护性作为主要目标。DC-X要求做到再次发射时间小于7天，地面运行人员不超过35人。在可维护性方面，DC-X要求能与飞机相类似。它将采用舱内的完全自动的故障探测系统，探测故障情况达到可更换组件一级，并将探测故障信息传到维修控制中心。在飞行器着陆后，可在飞行台上进行维修和更换组件的工作。“冒险星”是垂直起飞水平降落的，其可维护性要比DC-X更好。

垂直起飞垂直降落

图一是美国设想的垂直起飞垂直降落可重复使用运载火箭“三角快帆”DC-Y结构简图。该火箭髙38.7米，起飞推力5896.7千牛，起飞质量462.9吨，推进剂使用液氢和液氧，空重36.3吨，可见其结构是很轻的。该火箭可将9吨质量的有效载荷送上地球低轨道，横向机动能力约2500公里，可在轨14天。该火箭可重复使用，使用寿命长，设计要求使用为20年。发动机两次大修之间至少可重复使用200次，着陆与再发射之间的转场能力不超过一周，期望每次发射费用不超过1000万美元，这较之以数亿美元计算的航天飞机发射费用大大降低了。

“三角快帆”火箭在正式研制前，先研制了1/3缩比试验火箭DC-X，已进行过多次试验（图二）。“三角快帆”是垂直起飞的，可把有效载荷送入轨道，返回过程是这样的：离轨、再入、横向机动、调整姿态、制动、放下着陆架(此时火箭底部已向下)、着陆。

有翼的飞行器由轨道上返回地面，在通过稠密大气层滑翔飞行时，飞行速度会因空气阻力而有效地阻减，而后可水平着陆滑行，速度阻减为零达到飞行器无损的软着陆。而“三角快帆”DC-Y这种形式的飞行器没有翼面，在返回大气层时如果没有专门的措施，速度也会受到阻减，仍然会象一块石头一样抛落到地面上而被撞击得粉碎。因此，它在返回时仍需有发动机产生推力，以抵抗地球引力，使飞行速度降低到很低而达到无损着陆，这就要求火箭携带为返回时发动机所需的推进剂。这部分质量就相当于有效载荷一样从地面速度为零加速到入轨速度，这就加重了降低火箭结构重量的苛刻要求。也许有人会提出来使用降落伞，象飞船返回一样，可达到软着陆的要求，但着陆后即使经过检査维修可再用，也会导致使用周期加长，工作过程复杂，而现有的飞船着陆后都不能再用。

垂直起飞水平降落

这种飞行器象通常的运载火箭一样垂直发射、入轨，由轨道返回地面采用水平着陆方式，类似航天飞机那样，但只有一级。所以，要达到第一宇宙速度入轨，难度比航天飞机大多了。既然要求水平着陆，飞行器就需要升力面，例如翼体结构或升力体结构（参看图三）。飞行器在返回地球进行水平着陆时，必须要有足够大的升力，使之进入轨道。升力增大，可以增大调整轨道机动飞行的能力。具有翼体结构或升力体结构的飞行器，因为有较大的升力面，在返回时就会有横向机动能力。当预定的机场如气象条件等不宜降落时，它甚至可选择其它机场水平降落。飞行器的水平降落避免了垂直降落的两大缺点，即造成飞行器损伤性着陆冲击过载和不容易控制的落点散布。这类结构的飞行器由于再入大气层相对比较平缓，其航程和飞行的时间相对长一些，总的加热量大，并且加热时间也加长了。由于这类结构型式比较复杂，再加之多次重复使用的要求，使其气动力问题、防热问题和结构问题变得十分复杂。

水平起飞垂直降落及水平起飞水平

运载器水平起飞的特点是在起飞时使用吸气式发动机以充分利用空气中的氧，在稠密大气层中飞行运载器就要达到很高的入轨速度，这会给发动机的设计和气动热防护设计带来很大困难，大大加大了技术关键的难度。因此，就和近期技术水平发展而论，水平起飞垂直降落、水平起飞水平降落方案是不可取的。

三角快帆火箭方案

由美国麦道公司提出的方案，采用垂直起降方式。火箭的起飞质量为463t，空重36.2t。高度39m，底部直径12m，可以把4500kg的有效载荷送入极地轨道，返回过程中的横向机动能力3000千米，火箭外形及飞行过程见图4-24。火箭垂直起飞，起飞过载1.3g,上升并达到一定速度后关机，惯性飞行到接近入轨高度后再次起动点火，把火箭送入预定轨道。在轨停留14天后，启动制动发动机，以小头向前进入大气层，下降到15000〜18000m髙度时，火箭掉头，底部向下，降到6000〜9000m高度时，再启动发动机，进行有动力垂直着陆。

罗汤火箭方案

由英国罗塔里火箭公司研制的罗汤方案，采用垂直起降方式。是种由2名航天员驾驶的单级入轨火箭。火箭呈圆锥形，由箭体结构、推进系统、乘员舱、有效载荷舱和螺旋桨等组成(见图4-25〉。小型航天员舱位于下部，舱内有生命保障系统,足以保障乘员8小时的安全飞行和对付应急情况。火箭高度为20m,最大直径为6.7m,起飞质量为181.4t,可以把3180kg的有效载荷送入298km的近地球轨道。

火箭箭体结构、各舱段、推进剂箱等均采用碳-环氧复合材料.这样就使火箭起飞时与燃烧终了时的质量比（）大大提高，为了防止氧化剂箱中的碳与液氧接触时引起氧化反应，甚至发生爆炸，罗塔里火箭公司成功地研制了在氧化剂内壁喷涂液体化学聚合物，试验表明隔离效果非常好。

推进系统采用高性能的旋转式气动塞式火箭发动机，发动机底部为一旋转式圆盘，圆盘边缘环形排列着96个燃烧室（见图4-25）。有主燃烧室和助推燃烧室两种。推进剂采用液氧和煤油，起飞推力为2226.87kN，由于煤油密度较大，使结构更加紧凑，推进系统没有涡轮泵，火箭起飞前，气动塞式火箭发动机借助发射台上的液压马达高速旋转，其旋转速度达720n/min。当圆盘环绕纵轴旋转时，利用旋转产生的离心力，将液氧和煤油从推进剂箱注入燃烧室。

火箭的鼻锥部有4个长度各为8m,用铬镍合金制造的螺旋桨，火箭起飞时，锞旋桨呈折叠状。再入大气层后乘员启动螺旋桨，像直升机那样自动旋转下降，下降速度可洚低到小于1m/s，即使螺旋桨出现故障,也能保证安全降落。2000年后投入使用。

有翼火箭方案

由美国NASA和洛克威尔公司提出的两种有翼单级入轨火萷方案，均采用垂直起飞/水平降落方式。一种方案采用液氢/液氧双组元发动机，另一种采用三组元发动机（液氢/煤油/液氧）。

有翼单级入轨火箭方案继承了航天飞机方面的设计经验.其外形设计特点是箭身采用圆截曲，以提高结构效率,有效载荷舱和航天员座舱位于两个推进剂箱之间，箭体后部装三角形机翼，并采用翼端尾翼，提高了控制效率。该方案安装了7台主发动机及两台轨道机动发动机。7台发动机的布局有利于在出现1〜5台发动机故障关机的情况下，调整发动机推力，使火箭能应急返回。每台主发动机的推力调节范围是65%〜109%。

升力体形火箭方案

由美国洛克希德公司提出的升力体外形火箭方案,采用垂直起飞/水平降落方式。火箭起飞质量726t，机身长38.4m,翼展25.9m,入轨质量86.18t。该方案采用液氢/液氧线性塞式火箭发动机。火箭外形见图4-27。火箭的平面投影为三角形，钝前体，平滑下表面，大曲率半径侧向轮廓，机身厚度根据有效载荷舱长度和燃料箱容积要求进行优化选择。有效载荷舱取圆筒形，直径4.5m,长度13.5m。有效载荷舱位于中轴线的中部.其前后是前液氧箱和后液氧箱。液氢箱安排在箭体两侧。在尾部安装线性塞式火箭发动机，塞式喷管外形与箭体后部一体化设计。该发动机的特点是能随飞行高度自动适应大气压力的变化，具空比冲高，而且在相同膨胀比的条件下，可大大缩短喷管长度。

升力体外形的特点是具有小展弦比，气动中心与质量中心的距离较近，由机身产生80%的升力,在飞行马赫数范围内气动中心的移动较小(5%)，对实现控制有利。

NASA在一篇题为“进入空间的研究”的报中指出：“美国应当发展一种完全重复使用的单级入轨（SSTO）火箭，以代替正在使用的高成本、低效率的航天飞机和已经落后的一次性运载火箭。这样，预计到2030年，可以节省600多亿美元的支出。

报告指出，这种单级入轨火箭，可以设计成载人的或不载人的，是一种完全自动飞行的运载器，动力装置将采用7台俄罗斯研制的液体燃料发动机。运载器在近地轨道上运行，返回时，能象飞机那样在地面着陆。同时，其地面后勤保障工作量很小，操作简便，可以很快地再次执行任务。

该研究报告估计，单级入轨火箭大约在2008年左右开始代替美国现有的航天飞机和所有的一次性运载火箭，研制费用虽然高达185亿美元，但由于它是完全重复使用，运营成本会大幅度降低。因此，可在7〜9年内收回其投资。

而且正在使用的火箭缺点较多，如成本太高、可靠性和安全性不够高、可操作性不好，而且在今后将越来越突出，在国际市场上的竞争力会日益下降。

此外，该研究报告在进行分析比较后，否定了改进当前航天飞机和一次性火箭及建造一种新的一次性火箭的两种方案，建议将发展高技术的、可完全重复使用的单级入轨火箭作为NASA的发展目标。

美国前Patrick空军基地东部航天与导弹中心主任J.Mansur说，航天飞机已完成了大量的任务。同其他型号一样，它不适应商业应用和商业要求，它太贵、维护操作复杂。这个问题迟早是要解决的。