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        國外兩型亞軌道旅游方案對比分析

        2022-05-27 10:54:42劉琳北京宇航系統(tǒng)工程研究所
        國際太空 2022年4期

        劉琳 (北京宇航系統(tǒng)工程研究所)

        2021年7月11日,英國維珍銀河(Virgin Galactic)公司研制的太空船―2(Space Ship Two)亞軌道空天飛機從位于美國新墨西哥州的航天港起飛,使其創(chuàng)始人理查德·布蘭森“觸及”距離地面89km的太空邊緣。2021年7月20日,美國藍色起源公司(Blue Origin)研制的“新謝潑德”(New Shepard)飛船從美國得克薩斯州西部的1號發(fā)射場升空,將其創(chuàng)始人杰夫·貝索斯“送達”距離地面107km的太空邊緣。此后,兩家商業(yè)航天公司的“卡門線角逐”正式拉開帷幕。

        1 技術(shù)層面

        X―15高超聲速飛行器與太空船系列

        20世紀50年代,美國開始進行X-15高超聲速飛行器試驗驗證,采用B-52轟炸機攜帶至高空投放的方式,B-52轟炸機的投放高度13.7km,投放速度為馬赫數(shù)0.74,經(jīng)空投分離后的X-15高超聲速飛行器的最大飛行速度達到馬赫數(shù)6.7,最高飛行高度108km。X-15飛行器歷時10年研制,共完成199次飛行試驗。從發(fā)射模式上看,太空船-2搭載白衣騎士-2(White Knight Two)載機,在距離地面15km高度處實施空投分離,這種機載發(fā)射方案與利用B-52轟炸機空中發(fā)射X-15高超聲速飛行器是一脈相承的。

        在氣動布局設(shè)計、動力系統(tǒng)選擇等技術(shù)方案上,太空船-2是以2004年斬獲“安薩里X獎”的縮尺復(fù)合體公司(Scaled Composites)研制的太空船-1為模型進行設(shè)計的。2004年6月,太空船-1搭載白衣騎士-1雙體噴氣式飛機從加州莫哈維(Mojave)沙漠起飛,飛達距離地面111km的太空,成功突破X-15飛行器創(chuàng)造的108km飛行高度紀錄,轟動了全世界。太空船-2在太空船-1的基礎(chǔ)上,繼承了混合式火箭發(fā)動機動力系統(tǒng)以及可以傾斜的羽狀再入系統(tǒng),并顯著增加艙內(nèi)空間和成員數(shù)量,提升了推重比與最大飛行高度等性能指標。

        太空船-2采用的獨特的、傾斜旋轉(zhuǎn)的雙尾翼外形,設(shè)計師魯坦稱其靈感來源于羽毛球,因此稱為“羽狀再入系統(tǒng)”。太空船-2起飛時采用順翼模式,首先在15km高空與白衣騎士-2載機分離,之后在引擎作用下繼續(xù)爬升,當飛行速度達到馬赫數(shù)為3.3時,引擎關(guān)閉,太空船-2在慣性作用下繼續(xù)爬升直至達到軌跡最高點89.9km,隨即開始下降,當速度達到約78m/s時,羽狀再入系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)至約65°,以增加迎風面積實現(xiàn)飛行器減速,當下落速度達到馬赫數(shù)1.4時,飛行員會將尾翼再次調(diào)整為順翼狀態(tài),通過滑翔模式減緩下降速度,最后完成在預(yù)定機場跑道的無動力進場著陸。

        太空船―1與太空船―2的對比

        X―15飛行器和太空船―2的對比

        白衣騎士―2搭載太空船―2

        由此可知,太空船-2在發(fā)射方式上繼承了美國在20世紀50年代開始的X-15高超聲速飛行項目的研制成果,而飛船本身的技術(shù)方案則是以21世紀初斬獲大獎的新型飛行器為設(shè)計原型,并從更利于亞軌道旅游的角度,對系統(tǒng)能力進行提升。

        “水星”飛船與“新謝潑德”乘員艙

        1958年10月,美國開始“水星”(Mercury)飛船的研制?!八恰憋w船的部段從上至下分別為逃逸塔、圓柱形傘艙以及圓臺形單人密封座艙,底部裝有制動火箭和著陸緩沖氣囊?!八恰憋w船總高2.9m,底端直徑1.89m,頂部直徑0.5m,單人密封座艙可利用容積1.02m,設(shè)有一個舷窗以及一個凸出艙體表面的潛望鏡,用于航天員觀察空間景象。飛船采用自動控制與人工控制相結(jié)合的方式,飛船再入時,航天員通過手動調(diào)整飛船再入軌跡并選擇著陸點,實施飛船的海面著陸。1961年5月5日,艾倫·謝潑德乘坐水星-3飛船,從美國卡納維拉爾角發(fā)射場起飛升空,達到飛行高度186km,成為第一個“觸及”太空的美國人—他的名字也成為全球首富杰夫·貝索斯在2000年創(chuàng)立的藍色起源公司的“新謝潑德”飛船名字的由來。

        “新謝潑德”火箭的研制目標是開展商業(yè)飛行,將商業(yè)旅客運送到超過地球表面100km的高度,以體驗太空飛行。“新謝潑德”火箭由乘員艙和助推器組成。其中,“新謝潑德”乘員艙采用鈍頭旋成體外形,寬度3.8m,艙體外部配置環(huán)形翼、減速板以及可折疊的垂直翼等,艙內(nèi)容積15m,可以容納6名成員,設(shè)有大面積舷窗用于觀賞空間景象,艙內(nèi)正中間設(shè)有逃逸固體發(fā)動機,用于在任意高度啟動乘員艙逃逸程序。飛船全程采用自動控制程序,無需人員參與。

        由此可知,“新謝潑德”乘員艙不僅在名稱上來源于“水星”飛船的航天員的姓氏,技術(shù)方案上也與“水星”飛船近似,延續(xù)了單艙形載人飛船的氣動外形、并繼承了彈道式垂直起降的主要方案。同時,經(jīng)過近50年的發(fā)展,“新謝潑德”飛船在艙體容積、逃逸系統(tǒng)設(shè)計、著陸緩沖方案、姿態(tài)控制方法等方面都進一步改進。

        “水星”飛船與“新謝潑德”乘員艙對比

        “水星”飛船

        “新謝潑德”乘員艙

        綜上,太空船-2采用了X-15高超聲速飛行器的空基發(fā)射方式,但是在其他技術(shù)途徑上更加“非傳統(tǒng)”,外形像一條插著搖擺雙翼且體態(tài)豐滿的魚,羽狀再入系統(tǒng)的設(shè)計也頗為夢幻,起飛降落的方式更像是日常通勤的航班(還配有飛行員),座艙的設(shè)計更是可圈可點。“新謝潑德”飛船的創(chuàng)意來源于“水星”,嚴格地傳承了鈍頭圓錐外形和垂直起降方案,為了最大限度地確保載人飛船的可靠性和安全性,設(shè)計方案低調(diào)且保守,具有典型的“貝索斯”風格。然而實踐證明,無論是傳統(tǒng)還是非傳統(tǒng)、典型還是非典型,兩種技術(shù)途徑都獲得了成功。正如諺語所說的“條條大路通羅馬”。

        2 觀光體驗

        太空船-2的客艙空間設(shè)計可圈可點??团撜w是潛水艇外形,內(nèi)部由座椅、顯示屏、攝像系統(tǒng)、艙壁、觀光舷窗以及艙內(nèi)光照系統(tǒng)等組成??团搩?nèi)共設(shè)有6個座椅,使用鋁和碳纖維材料制造,并與艙壁的懸臂結(jié)構(gòu)固連,座椅具備調(diào)節(jié)功能,當太空船-2進入零重力飛行段以及再入返回段時,座椅將調(diào)節(jié)為后傾狀態(tài),以確保乘客進行失重體驗時獲得更大的活動空間,并在再入過程中減輕飛行過載帶來的不適。顯示屏安裝于座椅椅背上,可以提供實時飛行速度、飛行時間等信息。艙內(nèi)共安裝有16個攝像機和1面圓形鏡子,用于無死角地記錄整個飛行過程,而客艙后部的大面積圓鏡可以讓乘客看到自己失重時“自由漂浮”的身體姿態(tài)。艙壁采用泡沫材質(zhì)的蜂巢結(jié)構(gòu),在確保乘客失重狀態(tài)安全性的同時,兼顧艙內(nèi)的溫度環(huán)境與聲學效果調(diào)節(jié)??团搩?nèi)共有17扇觀光舷窗,分布于艙壁、艙頂?shù)牟煌恢?,使乘客可以在任意位置欣賞太空美景,觀光舷窗配有凸起的圓形軟環(huán),便于乘客輕松抓握以及在艙內(nèi)自由“攀爬”。非常獨具匠心的是,艙內(nèi)光照系統(tǒng)在飛行的各個階段能夠呈現(xiàn)不同的效果:在登機準備和空中分離階段使用冷色調(diào),和藍青色的座椅渾然一體,在引擎推進階段使用暖色調(diào),在進入太空后會完全關(guān)閉切換至光亮的地球背景。

        “新謝潑德”乘員艙空間設(shè)計中規(guī)中矩??团撜w像個鄉(xiāng)村的谷倉,矮胖而原始??团搩?nèi)部空間約15m,艙壁為白色,共設(shè)有6個靠窗的座位,座位上配有麥克風、控制開關(guān)和可視面板,用來和地面人員進行溝通。乘員艙的舷窗是目前全世界范圍內(nèi)進入太空的最大觀光舷窗,高度達到109cm,寬度達到73cm,可以投射92%的可見光,觀光舷窗的總面積占到太空艙表面積的三分之一。乘員艙設(shè)有環(huán)境控制系統(tǒng),用于確保艙內(nèi)的溫濕度條件,并防止舷窗起霧。與眾不同的是,在達到太空邊緣時,乘員艙會以緩慢的速度進行旋轉(zhuǎn),從而讓乘客獲得360°的全向觀光視野。

        “新謝潑德”乘員艙內(nèi)部空間

        太空船-2的內(nèi)部空間

        太空船―2與“新謝潑德”乘員艙的對比

        綜上,太空船-2的飛行時間更長,從起飛到降落約2h,是“新謝潑德”飛行時長的12倍;然而,“新謝潑德”乘員艙擁有全球最大的太空觀光舷窗,單個觀光舷窗的面積是太空船-2觀光舷窗的5.48倍;太空船-2的票價似乎更低,目前的官網(wǎng)報價是45萬美元,而“新謝潑德”的座位價格在最近一次拍賣會上的中標價格是2800萬美元;然而,“新謝潑德”飛行高度可以更高,達到107km,與太空船-2相比約超出17km??磥恚瑑杉夜舅峁┑奶罩皿w驗也是各有千秋。

        3 小結(jié)

        到達太空邊緣是多么“嘆為觀止”!目前全球有此經(jīng)歷的不超過600人。為了獲得這驚鴻一瞥,藍色起源公司和維珍銀河公司都付出了十余年的努力。作為見證者,我們很幸運地身處在“平民”也能參與亞軌道太空旅行的時代,更加幸運的是,在同一時間可以看到兩種截然不同、并都獲得成功驗證的訪問太空的技術(shù)途徑。作為旅行者,你甚至可以根據(jù)自己的喜好進行選擇:如果你想多飛一會兒,就選太空船-2,如果你想飛得更高,就選“新謝潑德”,如果你想省點錢,就選太空船-2,如果你喜歡全景天窗,就選“新謝潑德”。截至2022年3月,維珍銀河公司開放了面向公眾的商業(yè)旅行預(yù)訂,而“新謝潑德”正在致力于完成第4次載人太空任務(wù),兩家公司都在為最終贏得“卡門線角逐”而不懈努力。期待有一天,我們也可以把太空旅行加入到年假計劃里,去太空邊緣感受那深邃的黑暗、地球絢爛的弧線、消失殆盡的重力、薄如蟬翼的大氣,以及令人窒息的靜默。

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