NASA:s rymdfärja fungerade i låg omloppsbana runt jorden i 30 år innan den gick i pension 2011. Den amerikanska rymdorganisationens ersättare för detta fordon, Orion, återgick dock till den koniska kapseldesignen som var bekant från Apollo-uppdragen. Detta berodde på att NASA hade för avsikt att denna nyare farkost skulle användas för att utforska mål i rymden, som till exempel månen.
Men på senare år har vi sett en återkomst av rymdplansdesignen. Sedan 2010 har den amerikanska rymdstyrkan (och tidigare amerikanska flygvapnet) lanserat ett robotrymdplan kallat X-37B i låg omloppsbana om jorden på hemliga uppdrag. Kina har sitt eget militära rymdplan som heter Shenlong.
I år kan en testflygning av företaget Sierra Spaces Dream Chaser ses – det första kommersiella rymdplanet som kan flyga i omloppsbana. Om allt går bra kan fordonet användas för att återförse den internationella rymdstationen (ISS) med last och, så småningom, besättning.
Rymdplan kan flyga eller glida i jordens atmosfär och landa på landningsbanor istället för att använda fallskärmar för att landa i vatten eller platt mark som kapslar. De är också mer manövrerbara när rymdfarkosten går in i atmosfären igen, vilket ökar arean på jordens yta där landning är möjlig från en specifik återinträdespunkt.
Rymdplan tillåter också en mjukare men längre flygbana vid återinträde och en mjukare landning, vilket är lättare för besättning och last än kapslar, som kan landa med en duns. En landningsbana tillåter också markstödbesättningar och infrastruktur att vara redo vid landningsplatsen.
Men rymdplan är mer komplexa och tyngre än en motsvarande kapsel. Den bevingade kroppsformen utgör en särskild utmaning för att designa termiska skyddssystem (TPS) - de värmebeständiga materialen som skyddar farkosten från brännande temperaturer vid återinträde. Dessa extra kostnader innebär att det är opraktiskt att designa ett rymdplan för en enda flygning. De måste användas om och om igen för att vara livskraftiga.
Det har funnits intresse för rymdplan från de tidigaste dagarna av mänsklig rymdfärd. Ett militärt rymdplansprojekt kallat Dyna-Soar startades i USA 1957 och avbröts strax efter att bygget startade. Fordonet var sofistikerat för sin tid, byggt med en metallegering som klarar höga temperaturer och med en värmesköld på framsidan som kunde tas loss efter att den återvänt från rymden, så att piloten kunde se klart när han landade.
Rymdfärjan, som togs i bruk 1981, var det första operativa rymdplanet. Det var tänkt att den skulle lanseras oftare än den gjorde och ha större återanvändbarhet men det visade sig att det krävdes omfattande renoveringar mellan lanseringarna. Det visade dock förmågan att återvända astronauter och stor last från omloppsbana.
Andra rymdorganisationer investerade på 1980- och 1990-talen i Europa med Hermes-rymdplanet och Japan med HOPE-fordonet. Båda programmen avbröts till stor del på grund av kostnader. Sovjetunionen utvecklade sitt eget skyttelliknande fordon kallat Buran, som framgångsrikt flög till rymden en gång 1988. Programmet avbröts efter Sovjetunionens kollaps.
Rymdplan har specifika krav för den sista delen av sina resor – när de återvänder från rymden. Under återinträde i atmosfären värms de upp till över tusen grader Celsius när de färdas med hypersoniska hastigheter på över sju kilometer per sekund – mer än 20 gånger ljudets hastighet. En trubbig nosdesign (där kanten på rymdfarkosten är rundad) är en idealisk form eftersom den minskar uppbyggnaden av värme i den främre delen av fordonet.
Trots detta kan de förväntade temperaturerna som farkosten upplever fortfarande vara så höga som 1600°C, vilket kräver ett termiskt skyddssystem på utsidan av fordonet. Rymdfärjan TPS inkluderade keramiska plattor som var särskilt värmebeständiga och en förstärkt kol-kol-matris som kunde motstå temperaturer så höga som 2400°C.
Förlusten av Columbia-skytteln under återinträde 2003, vilket ledde till att sju astronauter dog, var resultatet av ett brott i TPS på vingens framkant. Detta berodde på att en bit isolerande skum flög från skyttelns yttre tank under Columbias uppskjutning och träffade vingen.
Detta skumproblem var återkommande med skytteln på grund av hur den startade på sidan av den externa drivmedelstanken. Men nyare rymdplanskonstruktioner kommer att flyga ovanpå konventionella raketer, där fallande skum inte är ett problem.
En effektiv TPS är fortfarande avgörande för rymdplanens framtida framgång, liksom system som övervakar TPS-prestandan i realtid.
Det finns för närvarande två rymdplan i drift, ett kinesiskt och ett amerikanskt, som kan nå omloppsbana. Lite information finns tillgänglig om Kinas Shenlong, men den amerikanska militärens X-37B är mer känd. Det nio meter långa, obemannade fordonet, som väger närmare fem ton vid uppskjutning, avfyras med en konventionell raket och landar självständigt på en landningsbana i slutet av sitt uppdrag.
X-37B:s TPS använder plattor som liknar skytteln över den nedre ytan med ett billigare alternativ till förstärkt kol-kol kallat Tufroc, utvecklat för X37B, på nosen och framkanterna.
De bör snart få sällskap av Dream Chaser, som utvecklades av företaget för att transportera både last och astronauter, men NASA vill bevisa sin säkerhet innan de transporterar människor genom att använda den för att frakta last till rymdstationen först. Möjligheten att återföra jämförelsevis ömtålig last till ytan på grund av en mjukare landning är en nyckelförmåga. Plattorna som skyddar Dream Chaser är gjorda av kiseldioxid, och var och en har en unik form som är anpassad till området på fordonet de är designade för att skydda.
Det finns ett fortsatt intresse för rymdplan på grund av deras förmåga att återföra besättning och last till en landningsbana. Efterfrågan på denna förmåga är begränsad nu. Men om kostnaderna för uppskjutning till rymden fortsätter att sjunka och en expansion av industrin i rymden ökar efterfrågan, kommer de att bli ett allt mer lönsamt alternativ till kapslar.
På längre sikt finns det också potential för rymdplan som kan nå omloppsbana efter att ha lyft från en bana. Utmaningarna med att utveckla dessa enstegs-till-omloppsfordon (SSTO) är betydande. Koncept som Skylon-fordonet leder dock till teknisk utveckling som så småningom kan stödja utvecklingen av en SSTO-farkost.
Under överskådlig framtid ser rymdplan lovande ut av följande skäl:nya designtekniker, förbättrade material för TPS, avancerade datormodellerings- och simuleringsverktyg för att optimera olika aspekter av design och flygparametrar och kontinuerliga förbättringar av framdrivningssystem.
Med tanke på att flera regeringar, rymdorganisationer och privata företag över hela världen investerar mycket i forskning och utveckling av rymdplan, kan vi se en framtid där flygningar med dessa fordon blir rutin.
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
