商業(yè)載人亞軌道飛行器發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析

王開強 張柏楠

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

載人太空觀光一直是人類的夢想。長期以來，載人近地軌道飛行器的研發(fā)難度很高，飛行任務(wù)實施過程復(fù)雜，成本高昂，并且對航天員的身體素質(zhì)要求嚴(yán)，其飛行前需要經(jīng)受長期的嚴(yán)格訓(xùn)練才具備上天飛行的條件。這些都大大限制了載人太空觀光的發(fā)展。基于這樣的背景，國外有一些公司瞄準(zhǔn)了載人亞軌道飛行領(lǐng)域。

亞軌道飛行是指最大飛行高度達(dá)到100 km的飛行任務(wù)類型。100 km被廣泛認(rèn)為是外層空間與地球大氣的分界線，位于該高度上的乘客仍然可以觀賞到地球的全貌并體驗失重飛行[1]。相比于載人航天器，亞軌道飛行器無須達(dá)到第一宇宙速度，其最大飛行速度僅需要1000 m/s左右即可完成亞軌道飛行[2-3]，此時再入飛行的氣動力、熱環(huán)境相較載人航天器都得到了大幅改善。這些都大大降低了載人亞軌道飛行器的研發(fā)難度和成本。截止目前，亞軌道飛行器的研發(fā)和試飛均已取得了長足發(fā)展，不同商業(yè)公司的發(fā)展思路各具特色，載人亞軌道飛行器具有代表性的主要有美國縮尺復(fù)合體公司(Scaled Composites)與英國維珍銀河公司聯(lián)合研制的“太空船”(SpaceShip)[2-3]、美國藍(lán)色起源公司的“新謝潑德”(New Shepard)[4]、美國XCOR公司的“山貓”(Lynx)[5]、瑞士空間系統(tǒng)公司的“亞軌道飛機可復(fù)用”(SOAR)飛行器[6-7]等。其中，“太空船”和“新謝潑德”飛行器已成功開展了多次亞軌道飛行試驗，并基本具備了提供商業(yè)亞軌道旅行觀光服務(wù)的能力。

基于以上發(fā)展背景，本文對上述4家國外商業(yè)公司的載人亞軌道飛行器發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研和綜述，對關(guān)于亞軌道飛行器的總體技術(shù)特點、發(fā)展思路進(jìn)行了分析和比較，并對其目前呈現(xiàn)出來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了論述，得出了我國發(fā)展商業(yè)亞軌道飛行器的若干啟示和建議。

1 商業(yè)載人亞軌道飛行器發(fā)展現(xiàn)狀綜述

目前，國外已有一些公司提出了明確的商業(yè)亞軌道飛行器計劃，部分公司在飛行器研發(fā)和試驗試飛上面已取得了較大突破和進(jìn)展。

1.1 SpaceShip亞軌道飛行器

1.1.1 飛行器系統(tǒng)概況

SpaceShip亞軌道飛行器由美國縮尺復(fù)合體公司研制，先后研發(fā)了SpaceShip-1和SpaceShip-2兩種型號升力式亞軌道飛行器(見圖1)及相應(yīng)的“白色騎士”載機。SpaceShip-2研制和飛行試驗期間，英國維珍銀河公司(Virgin Galactic)也加入了整個項目，主要負(fù)責(zé)商業(yè)亞軌道旅行業(yè)務(wù)的運營，同時也參與了飛行器的研制和飛行試驗。亞軌道旅行的單次票價在SpaceShip-1時期為10萬美元/人[2]，SpaceShip-2則為25萬美元/人[3]。

兩種型號SpaceShip亞軌道飛行器的主要參數(shù)性能對比見表1。SpaceShip-1機長5 m，翼展5 m，座艙直徑1.52 m，總質(zhì)量為3.6 t，干質(zhì)量為1.2 t，采用火箭發(fā)動機，可承載3名乘員(包括一名駕駛員)，其由白色騎士-1飛機運送至約15 km的高空進(jìn)行空中投放發(fā)射。SpaceShip-1的最高飛行馬赫數(shù)可達(dá)3，最大飛行高度超過100 km。SpaceShip-2與前者相比，主要提升了艙內(nèi)空間和乘員數(shù)量，推重比和最大飛行速度也有所提升。其機長18 m，翼展8.2 m，座艙直徑為2.3 m，可承載8人，包含2名駕駛員和6名乘客。最大飛行高度與前者相當(dāng)，最大飛行馬赫數(shù)約提升至3.7，其由白色騎士-2飛機在約15 km的高度進(jìn)行空中投放發(fā)射。兩型SpaceShip均采用端羥基聚丁二烯/一氧化二氮(HTPB/N2O)固液混合火箭發(fā)動機。

圖1 SpaceShip亞軌道飛行器Fig.1 SpaceShip suborbital vehicles

表1 兩型SpaceShip主要參數(shù)性能對比

1.1.2 飛行方案

SpaceShip的飛行方案如圖2所示。“白色騎士”載機[8-9]腹部掛載SpaceShip在地面跑道上水平起飛，達(dá)到約15 km的高度后釋放SpaceShip(如圖3所示)，后者隨后開啟自身的火箭發(fā)動機進(jìn)行爬升，而“白色騎士”載機則返回機場降落。SpaceShip在爬升過程中，發(fā)動機燃盡后關(guān)機，此后開始經(jīng)歷約5 min的失重環(huán)境，并繼續(xù)上升滑行至約110 km的軌跡最高點，此時SpaceShip將尾翼由水平狀態(tài)調(diào)整為豎直狀態(tài)，并開始再入返回飛行。飛行高度降至21.5 km后，SpaceShip的尾翼復(fù)位為水平狀態(tài)，并開始螺旋飛行以調(diào)整飛行器的能量狀態(tài)，達(dá)到無動力進(jìn)場著陸入口條件后，開始最終的無動力進(jìn)場著陸滑翔飛行，直至在預(yù)定的機場跑道上水平著陸。值得說明的是，再入過程中SpaceShip尾翼旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)旨在增加氣動阻力，從而增強再入過程的減速效應(yīng)。

圖2 SpaceShip飛行方案Fig.2 Flight scheme of SpaceShip

圖3 “白色騎士”載機釋放SpaceShipFig.3 Release of SpaceShip from the White Knight carrier aircraft

1.1.3 項目進(jìn)展

截至目前，SpaceShip-1共經(jīng)歷了17次飛行試驗[2]，其于2004年6月21日完成了首次亞軌道飛行，最大高度為100 km，最大馬赫數(shù)達(dá)到2.9，總飛行時長為24 min。2004年10月4日，SpaceShip-1完成了最后一次飛行，最大高度達(dá)到112 km，最大馬赫數(shù)達(dá)到3.09。其隨后退役，現(xiàn)于美國華盛頓的國家航空航天博物館存放和展覽。

SpaceShip-2則于2010年完成研制并開始進(jìn)行飛行試驗[3]。2014年10月31日，SpaceShip-2在分離后的有動力爬升過程中，由于副駕駛誤操作過早使尾翼變?yōu)樨Q直的“減速制動模式”，于分離后幾分鐘內(nèi)爆炸，導(dǎo)致一名駕駛員死亡，另一名駕駛員跳傘逃生受重傷[10]。2018年12月13日和2019年2月22日，墜機事故后重新生產(chǎn)的第二艘SpaceShip-2成功實施了兩次接近100 km的完整的準(zhǔn)亞軌道飛行，飛行高度分別達(dá)到83 km和90 km。從目前的試驗進(jìn)展分析，SpaceShip-2飛行器系統(tǒng)已經(jīng)基本具備完成完整亞軌道飛行的能力，其為游客提供亞軌道太空旅行觀光已經(jīng)為期不遠(yuǎn)了。

1.2 “新謝潑德”亞軌道飛行器系統(tǒng)

1.2.1 飛行器系統(tǒng)概況

“新謝潑德”(New Shepard)亞軌道飛行器由美國藍(lán)色起源(Blue Origin)公司研發(fā)，系統(tǒng)包含助推火箭和乘員艙兩部分(見圖4)，整個組合體高為18 m，其采用了垂直起降的技術(shù)路線[4,11]。New Shepard助推火箭也是世界上第一個返回地面著陸的可重復(fù)使用亞軌道火箭。

圖4 New Shepard亞軌道飛行器系統(tǒng)Fig.4 New Shepard suborbital vehicle system

New Shepard的助推火箭為單級火箭，為組合體的上升段和自身的著陸段分別提供上升推力和減速與制動推力。其在頭部配置了環(huán)形翼和可展開的垂直翼以提高再入返回飛行的穩(wěn)定性；環(huán)形翼上設(shè)置8塊可展開的減速板，用于再入返回飛行期間的氣動減速；尾部配備了4個尾翼和4個可伸展著陸腿，前者在上升過程中提高飛行穩(wěn)定性，并在返回飛行中控制飛行方向趨近于著陸點，后者用于著陸時的緩沖和軟著陸。乘員艙則為乘員提供生活環(huán)境，內(nèi)部空間總計15 m3，可搭載6名乘員；配備了逃逸固體火箭發(fā)動機，可在任意高度實施分離和逃逸；配備制動火箭用于乘員艙最終的軟著陸[12-14]。

New Shepard助推火箭主發(fā)動機采用一臺Blue Engine-3(BE-3)液氫液氧火箭發(fā)動機(見圖5)。該發(fā)動機推力490 kN，工作時間110 s，節(jié)流模式下最小推力為89 kN，采用泵壓式進(jìn)行推進(jìn)劑供給，循環(huán)方式采用分級燃燒循環(huán)，將主燃燒室里面的少量燃燒氣體引流以驅(qū)動渦輪泵。BE-3于2010年初開始研制，于2015年初完成鑒定試驗，隨后搭載New Shepard飛行器開始飛行試驗[12]。

圖5 BE-3液氫液氧火箭發(fā)動機Fig.5 BE-3 liquid hydrogen and liquid oxygen rocket engine

New Shepard飛行器系統(tǒng)具備達(dá)到100 km亞軌道飛行高度的能力，助推火箭和乘員艙均可實現(xiàn)垂直回收和可重復(fù)使用。兩者由各自攜帶的飛控計算機進(jìn)行控制，無地面控制和駕駛員控制系統(tǒng)[12]。

1.2.2 飛行方案

New Shepard的飛行方案如圖6所示[12-13]。整個飛行器組合體在地面發(fā)射架垂直發(fā)射起飛，助推火箭攜帶乘員艙進(jìn)行有動力爬升。約110 s后達(dá)到40 km高度時，火箭發(fā)動機關(guān)機，此時馬赫數(shù)達(dá)到最大，超過3。隨后組合體進(jìn)行無動力上升，接近100 km高度之前，乘員艙與助推火箭分離。分離后乘員艙進(jìn)行無動力滑行，直至達(dá)到超過100 km的軌跡最高點，期間助推火箭進(jìn)行適當(dāng)軌跡機動，避免飛行軌跡與乘員艙重合而造成碰撞。乘員艙達(dá)到軌跡最高點后開始再入返回，進(jìn)入稠密大氣層之后打開降落傘減速，并在著陸前開啟著陸制動發(fā)動機進(jìn)行軟著陸；而助推火箭發(fā)動機再入后則打開減速板進(jìn)行減速，隨后重啟主火箭發(fā)動機進(jìn)行減速制動和著陸點控制，在著陸前下放著陸腿，并在火箭發(fā)動機的制動和控制下在預(yù)定著陸點軟著陸(見圖7)。

圖6 New Shepard飛行方案Fig.6 Flight scheme of New Shepard

圖7 New Shepard亞軌道飛行器系統(tǒng)軟著陸Fig.7 Soft landing of New Shepard suborbital vehicle system

1.2.3 項目進(jìn)展

迄今為止，藍(lán)色起源公司已經(jīng)累計研發(fā)了3個狀態(tài)相同的New Shepard助推火箭和兩個乘員艙用于飛行試驗，共計進(jìn)行飛行試驗11次[12]。其中，2015年4月29日，New Shepard-1進(jìn)行了首飛并達(dá)到了94 km的高度，隨后乘員艙安全返回地面，而助推火箭著陸時墜毀。2015年11月23日，New Shepard-2(2號助推火箭+1號乘員艙)的亞軌道飛行試驗獲得了圓滿成功，乘員艙飛抵至101 km的高度并成功返回著陸，而助推火箭也首次成功實現(xiàn)了返回和著陸，并成為人類歷史上第一個抵達(dá)太空并成功回收的可重復(fù)使用亞軌道火箭。2019年1月23日和5月2日，New Shepard-3(3號助推火箭+2號乘員艙)實施了兩次亞軌道飛行試驗，均獲得圓滿成功。完成了上述飛行試驗后，藍(lán)色起源公司已計劃開展首次載人亞軌道飛行，并將開始銷售商業(yè)亞軌道飛行的船票，票價在20萬～30萬美元/人[11-12]。

此外，基于“新謝潑德”亞軌道飛行器系統(tǒng)的研發(fā)和試驗基礎(chǔ)，藍(lán)色起源公司已提出了兩級運載火箭新格倫(New Glenn)項目和月球著陸器藍(lán)色月球(Blue Moon)項目的發(fā)展計劃[4]，可見該公司已經(jīng)將發(fā)展目光從亞軌道拓展到了地球軌道以及更遙遠(yuǎn)的月面著陸。

1.3 “山貓”亞軌道飛行器

1.3.1 飛行器系統(tǒng)概況

“山貓”(Lynx)亞軌道飛行器由美國XCOR公司研發(fā)。XCOR公司成立于1999年，主要研發(fā)Lynx亞軌道飛行器提供亞軌道旅行服務(wù)和低成本發(fā)射服務(wù)，同時進(jìn)行火箭發(fā)動機的研發(fā)。該公司2008年12月對外宣稱，一次亞軌道旅行票價為10萬美元/人；2015年7月，該票價增長了50%，達(dá)到15萬美元/人。遺憾的是，該公司由于經(jīng)營不善已于2017年宣布破產(chǎn)[5]。

Lynx亞軌道飛行器為單級水平起降亞軌道飛行器(見圖8)，機長9 m，翼展7.3 m，可搭載一名駕駛員和乘客共兩人。與“太空船”相比，Lynx可以自主從跑道上起飛，無需載機。XCOR公司總共研發(fā)了3個型號的Lynx亞軌道飛行器(見表2)。其中Lynx-1為原型樣機，還達(dá)不到100 km的亞軌道飛行高度；Lynx-2和Lynx-3為正式的亞軌道飛行器，Lynx-3相比Lynx-2的主要改進(jìn)為：在機背配置了外部載荷艙，可以額外攜帶和發(fā)射650 kg載荷(見圖9)。Lynx采用XCOR公司于2011年自主研發(fā)的5K18液氧煤油火箭發(fā)動機(見圖10)，該發(fā)動機可提供110 kN～130 kN的推力[15]。

圖8 山貓-2亞軌道飛行器Fig.8 Lynx-2 suborbital vehicle

表2 3個型號Lynx亞軌道飛行器性能參數(shù)比較

圖9 Lynx-3攜帶并發(fā)射載荷Fig.9 Payload carriage and launch from Lynx-3

圖10 5K18液氧煤油火箭發(fā)動機進(jìn)行地面試驗Fig.10 Ground test of 5K18 liquid oxygen and kerosene rocket engine

1.3.2 飛行方案

Lynx的飛行方案如圖11所示，其自身的火箭發(fā)動機點火后完成在機長跑道上的滑跑加速和起飛，隨后進(jìn)行有動力爬升飛行。約3 min后，Lynx的火箭發(fā)動機燃盡關(guān)機，此時馬赫數(shù)達(dá)到最大值2.9。隨后開始無動力上升滑行，并開始經(jīng)歷歷時4.6 min的失重環(huán)境，期間達(dá)到103 km高度的軌跡頂點。經(jīng)過頂點后，Lynx開始再入返回飛行。當(dāng)高度降低至大氣較為稠密時，Lynx開始拉起，此時過載達(dá)到最大值4，然后開始進(jìn)行螺旋飛行以調(diào)整飛行器的能量狀態(tài)。當(dāng)飛行狀態(tài)滿足無動力進(jìn)場著陸的條件后，開始最終的進(jìn)場飛行，直至在起飛的機場跑道上水平降落。

圖11 Lynx飛行方案Fig.11 Flight scheme of Lynx

1.3.3 項目進(jìn)展

XCOR公司僅在2011年3月完成了5K18液氧煤油火箭發(fā)動機的研發(fā)和測試，隨后曾在2014年10月宣稱2015年進(jìn)行Lynx-1原型機的飛行試驗，但由于技術(shù)原因一直推遲。該公司于2017年11月宣布破產(chǎn)[5,15]。對于公司破產(chǎn)的原因，本文分析認(rèn)為XCOR公司過度拓展自己的產(chǎn)品線。在Lynx-1飛行器尚未進(jìn)行飛行試驗時，就過早啟動Lynx-2甚至Lynx-3的設(shè)計研制，與此同時，XCOR公司在并行開展多款液體火箭發(fā)動機的研發(fā)。這些都大大消耗了XCOR公司的資金和技術(shù)資源。但是該公司最終未能集中力量研發(fā)出一款能夠?qū)崿F(xiàn)營收的產(chǎn)品，最終的破產(chǎn)命運也因而難以避免。

1.4 SOAR亞軌道飛行器

1.4.1 飛行器系統(tǒng)概況

“亞軌道飛機可復(fù)用”(SOAR)飛行器由瑞士空間系統(tǒng)(Swiss Space Systems)公司(簡稱S3公司)研發(fā)。該公司成立于2012年，一直致力于設(shè)計研發(fā)SOAR亞軌道飛行器，以提供低成本衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)以及亞軌道商業(yè)太空旅行服務(wù)。S3的載人SOAR飛行器可以容納4名乘員和2名駕駛員。其同時宣稱SOAR飛行器配合上面級火箭可將250 kg的載荷送入地球軌道，一次發(fā)射報價約1千萬美元[6]。

SOAR亞軌道飛行器為升力式飛機構(gòu)型(見圖12)，以空客A300客機作為載機采用背部馱載的方式進(jìn)行搭載[6,16](見圖13)。整個系統(tǒng)組成與前文“太空船”飛行器系統(tǒng)十分類似。只不過S3公司的方案傾向于購買成熟的A300客機改裝作為載機，以節(jié)約研發(fā)費用。SOAR亞軌道飛行器采用液體火箭推進(jìn)，最大飛行馬赫數(shù)設(shè)計約為3。

圖12 SOAR亞軌道飛行器Fig.12 SOAR suborbital vehicle

圖13 A300客機與SOAR的組合構(gòu)型Fig.13 Combined configuration of A300 airplane and SOAR

1.4.2 飛行方案

SOAR的飛行方案與SpaceShip類似[17-18]，如圖14所示。首先空客A300客機搭載SOAR飛行器從地面跑道滑跑并水平起飛，到達(dá)10 km的高度后SOAR從背部與A300分離并開啟火箭發(fā)動機開始爬升，A300返回地面機場。爬升至約80 km高度后，SOAR發(fā)動機燃盡關(guān)機，若執(zhí)行衛(wèi)星載荷發(fā)射任務(wù)，則需在此時打開貨艙艙門，釋放上面級有效載荷，隨后上面級火箭發(fā)動機點火將有效載荷送入地球軌道；若僅執(zhí)行亞軌道觀光飛行，則SOAR發(fā)動機關(guān)機后無動力滑行上升至100 km高度的軌跡頂點，隨后開始再入返回飛行。當(dāng)高度下降至約10 km時，SOAR開始進(jìn)場飛行，直至最后在地面預(yù)定機場水平著陸。目前，S3公司暫未披露SOAR飛行器返回至稠密大氣以下高度的能量管理飛行方案。

圖14 SOAR飛行方案Fig.14 Flight scheme of SOAR

1.4.3 項目進(jìn)展

2016年S3公司曾宣稱采用購買的A300客機提供失重體驗飛行服務(wù)，飛機從10.4 km高度以45°角俯沖至7.3 km高度，可為乘客提供20～25 s的微重力體驗。但是該計劃一直未實現(xiàn)[6]。S3公司曾計劃于2018年實施首次發(fā)射任務(wù)，將一顆重量為30 kg的太空垃圾清理衛(wèi)星CleanSpace One送入低地球軌道[19]。遺憾的是，該公司目前處于瀕臨倒閉的狀態(tài)。

2 商業(yè)載人亞軌道飛行器發(fā)展思路與趨勢分析

2.1 總體技術(shù)特點比較分析

本節(jié)對前文4個載人亞軌道飛行器的總體技術(shù)特點從4個方面進(jìn)行分析比較，見表3。

表3 亞軌道飛行器總體技術(shù)特點比較

1)飛行器構(gòu)型與著陸方式

飛行器構(gòu)型方面，目前已形成了升力式空天飛機和傳統(tǒng)旋成體兩大類基本構(gòu)型。其中，前者在當(dāng)前的發(fā)展中相對更受青睞，4家公司中有3家公司選擇升力式亞軌道空天飛機的技術(shù)路線，飛行任務(wù)完成后返回地面預(yù)定機場進(jìn)行水平著陸；僅藍(lán)色起源公司的New Shepard選擇了傳統(tǒng)的旋成體構(gòu)型，由旋成體火箭+旋成體乘員艙組合構(gòu)成整個亞軌道飛行器，飛行任務(wù)完成后進(jìn)行垂直軟著陸回收。

2)起飛/發(fā)射方式

SpaceShip和SOAR亞軌道飛行器均設(shè)計了由載機進(jìn)行空中投放和發(fā)射的方式，兩者除了分離發(fā)射高度不同，與載機組成組合體的并聯(lián)方式也不同。前者由載機進(jìn)行腹部掛載，在空中從腹部投放后進(jìn)行發(fā)射和爬升；后者則由載機進(jìn)行背部馱載搭載，亞軌道飛行器在空中從載機背部分離后發(fā)射并爬升。Lynx則獨立從地面跑道起飛和爬升。而New Shepard作為傳統(tǒng)的旋成體構(gòu)型飛行器，其發(fā)射方式與傳統(tǒng)火箭相同，在發(fā)射架上直接進(jìn)行垂直發(fā)射。比較而言，New Shepard充分繼承了傳統(tǒng)火箭技術(shù)，成熟度最高；而SpaceShip和SOAR飛行器均需由載機搭載起飛后在空中發(fā)射，技術(shù)方案較有特色，但系統(tǒng)復(fù)雜度較高；Lynx則直接從地面起飛和爬升，無需載機配置、無分離操作，系統(tǒng)復(fù)雜度較低，但是Lynx飛行器本身的功能集成度和研發(fā)難度則因此上升。

3)容納的人數(shù)與駕駛員配置

在可容納人數(shù)方面，美國Lynx飛行器僅能容納兩人，New Shepard和SOAR可以容納6人，SpaceShip-2則可以容納多達(dá)8人。其中，在駕駛員配置方面，升力式空天飛機構(gòu)型的飛行器均至少配置了1名駕駛員，而New Shepard的旋成體乘員艙則沒有配備駕駛員。從這一角度而言，New Shepard所攜帶的乘客人數(shù)占比為100%，商業(yè)效率最高。

4)動力形式與最大飛行高度、馬赫數(shù)

動力形式方面液體火箭推進(jìn)占據(jù)了主流，僅SpaceShip配置了HTPB/N2O固液混合火箭，其余均為液體火箭動力。各飛行器的最大飛行高度范圍在100～120 km區(qū)間，最大飛行馬赫數(shù)范圍則大致在3左右。

5)再入飛行減速效應(yīng)增強設(shè)計

SpaceShip和New Shepard分別為升力式構(gòu)型和旋成體構(gòu)型飛行器的再入飛行提供了各自不同的減速效應(yīng)增強設(shè)計方式。SpaceShip將尾翼設(shè)計成可旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，尾翼水平時進(jìn)行正常的升力式飛行，旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)后實現(xiàn)了阻力面積的增加，從而增加飛行器的減速效應(yīng)。New Shepard則設(shè)計了可展開式的減速板，在發(fā)射和上升過程中位于收縮狀態(tài)，進(jìn)入再入返回飛行階段后展開以增加阻力面積，增強減速效應(yīng)。

6)螺旋能量管理飛行

3個升力式空天飛機構(gòu)型的亞軌道飛行器中，SpaceShip和Lynx兩者均明確提出使用螺旋飛行的方式調(diào)整飛行器的能量狀態(tài)。通過該方式消耗多余的能量，從而實現(xiàn)在地面預(yù)定的機場進(jìn)行水平著陸。

2.2 發(fā)展思路比較分析

分析亞軌道飛行器的當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，目前已形成了發(fā)展升力式空天飛機和傳統(tǒng)旋成體構(gòu)型兩大類發(fā)展思路。以此為基礎(chǔ)，每家公司的商業(yè)亞軌道飛行器的發(fā)展思路又不盡相同，且各有特色，本節(jié)對其進(jìn)行比較和分析(見表4)。

表4 亞軌道飛行器發(fā)展思路比較

總結(jié)而言，4家公司的中心發(fā)展思路分析如下：

(1)美國縮尺復(fù)合體公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一為著名的航空航天器設(shè)計師伯特·魯坦(Burt Rutan)，該公司基于自己在升力體飛行器的設(shè)計能力和發(fā)展經(jīng)驗，同時研發(fā)SpaceShip亞軌道空天飛機和“白色騎士”載機，并突破高空投放與發(fā)射技術(shù)。其發(fā)展思路具有較大的創(chuàng)新性和先進(jìn)性，低空亞音速飛行時可充分利用大氣中的氧氣以提高飛行效率，升力式再入返回軌跡平緩，水平著陸沖擊較小，有助于提升乘客的舒適度體驗。但創(chuàng)新的發(fā)展思路也意味著較大的研發(fā)風(fēng)險。在經(jīng)歷了多次試飛甚至是災(zāi)難性的墜機事故后，SpaceShip-2的發(fā)展已趨于成熟和穩(wěn)定，目前已基本具備了實施商業(yè)亞軌道太空旅行的能力。

(2)美國藍(lán)色起源公司在New Shepard的研發(fā)過程中，選擇了旋成體火箭+乘員艙的成熟技術(shù)路線，充分借鑒繼承已有運載火箭和飛船的設(shè)計、分離等成熟技術(shù)基礎(chǔ)，盡可能降低研發(fā)風(fēng)險。其11次飛行試驗僅第一次試驗中助推火箭著陸失敗，其余10次均獲得圓滿成功。這足以看出New Shepard亞軌道飛行器研發(fā)的可靠性之高，穩(wěn)定性之好?；谶@一穩(wěn)妥的發(fā)展思路，目前New Shepard也基本具備了實施商業(yè)亞軌道太空旅行的能力。

(3)美國XCOR公司僅研發(fā)單級亞軌道空天飛機進(jìn)行獨立的起飛和爬升，不使用任何助推火箭和載機，飛行器系統(tǒng)組成簡單，且不涉及分離、空射等復(fù)雜技術(shù)。但是Lynx須兼顧稠密大氣內(nèi)的火箭動力爬升飛行，期間的大動壓和過載會對飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來一定的難度。

(4)瑞士S3公司的發(fā)展思路與美國縮尺公司基本一致，主要區(qū)別在于直接購買成熟的民用客機作為亞音速載機，以縮減研發(fā)成本和周期。此舉可能也是考慮到該公司的主要成員團體來自于瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的亞軌道飛行課題組，其先前專注于亞軌道飛行器的設(shè)計和分析研究，在亞音速載機的設(shè)計方面缺乏經(jīng)驗。

2.3 商業(yè)載人亞軌道飛行器發(fā)展趨勢分析

根據(jù)目前商業(yè)載人亞軌道飛行器的發(fā)展情況，對其相關(guān)發(fā)展趨勢進(jìn)行分析如下。

1)發(fā)展升力式空天飛機逐漸成為趨勢

發(fā)展升力式空天飛機構(gòu)型的載人亞軌道飛行器逐漸成為趨勢，本文調(diào)研的4家商業(yè)公司中有3家選擇了這一路線。升力式構(gòu)型的飛行器再入過載小，軌跡較為平緩，機動飛行能力和軌跡調(diào)整能力強，在機場水平降落時的著陸沖擊小，有助于提升乘客的亞軌道太空旅行舒適度體驗。與此同時，再入過載和著陸沖擊的減小均更易于實現(xiàn)飛行器的完全可重復(fù)使用。

2)低空配合使用亞音速載機已嶄露頭角

通過亞音速載機搭載亞軌道飛行器從地面起飛，可以在低空亞音速爬升期間充分利用大氣中的氧氣，從而降低亞軌道飛行器所需攜帶的氧化劑重量，有助于提高飛行效率。而亞音速載機的研發(fā)則可充分繼承已有成熟的航空飛機技術(shù)，降低整個商業(yè)飛行器研發(fā)過程的風(fēng)險。也可參照瑞士S3公司，購買已有的成熟亞音速飛機進(jìn)行改裝，作為亞軌道飛行器的載機，以進(jìn)一步縮短研發(fā)周期和成本。

3)進(jìn)入入軌運載領(lǐng)域

維珍銀河公司基于SpaceShip-2的亞軌道飛行技術(shù)基礎(chǔ)，提出了空射入軌兩級運載火箭發(fā)射者一號(Launcher One)的研制計劃[20]。該火箭(見圖15)同樣由白色騎士-2搭載在15 km的高度進(jìn)行空射，其近地軌道最大運載能力為225 kg，太陽同步軌道最大運載能力為120 kg。藍(lán)色起源公司則基于New Shepard亞軌道飛行器的技術(shù)基礎(chǔ)，提出了“新格倫”兩級運載火箭的研發(fā)計劃，其中一級設(shè)計為可重復(fù)使用。美國XCOR公司則直接設(shè)計在亞軌道飛行器Lynx-3的背部配置外部載荷艙，通過Lynx-3在接近100 km的高度空射上面級火箭，實現(xiàn)衛(wèi)星載荷的入軌。瑞士S3公司也采取了相似的思路，通過SOAR亞軌道飛行器在接近100 km的高度空射上面級火箭，將250 kg的載荷送入地球軌道[6]。與XCOR公司不同的是，S3公司基于人貨分運的原則，研發(fā)載人型用于亞軌道觀光旅行，研發(fā)貨運型用于入軌運載發(fā)射。充分利用已有的亞軌道飛行技術(shù)基礎(chǔ)和飛行器研發(fā)經(jīng)驗，拓展進(jìn)入入軌運載領(lǐng)域，可以減小后者相關(guān)的研發(fā)周期和成本，是未來可能的發(fā)展趨勢。

圖15 發(fā)射者一號運載火箭Fig.15 Launcher One launch vehicle

3 啟示與建議

通過調(diào)研和分析國外載人亞軌道飛行器的發(fā)展思路和趨勢，得出我國發(fā)展載人亞軌道飛行器的啟示和建議如下。

(1)以研制旋成體亞軌道乘員艙為起點，及早謀劃進(jìn)入載人亞軌道飛行領(lǐng)域。我國載人航天事業(yè)經(jīng)過20多年的發(fā)展，自主研發(fā)了旋成體構(gòu)型的神舟號飛船，并成功進(jìn)行了5次無人飛行和6次載人飛行任務(wù)，取得了豐碩發(fā)展成果。神舟號飛船尤其是返回艙的研制和飛行，可以為構(gòu)型類似的亞軌道乘員艙的設(shè)計研發(fā)和試驗試飛提供技術(shù)基礎(chǔ)和寶貴的經(jīng)驗支持，有助于降低亞軌道乘員艙研制的技術(shù)難度和風(fēng)險，縮短研發(fā)周期?？紤]到目前國際上SpaceShip和New Shepard飛行器在載人亞軌道飛行領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)了領(lǐng)先地位，此時快速研制成熟可靠的商業(yè)亞軌道乘員艙，及早進(jìn)入載人亞軌道飛行領(lǐng)域就顯的尤為重要。

(2)謀劃亞軌道空天飛機的長遠(yuǎn)發(fā)展。升力式亞軌道空天飛機可有效提升乘客的亞軌道太空旅行舒適度體驗，且更易于實現(xiàn)完全可重復(fù)使用，已逐漸成為未來的發(fā)展趨勢。發(fā)展空天飛機有助于在未來的亞軌道飛行領(lǐng)域仍然保持競爭力。但是，空天飛機相較旋成體乘員艙存在較大的技術(shù)跨越，涉及了較多新技術(shù)，例如氣動外形與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計技術(shù)、防隔熱技術(shù)、能量管理技術(shù)、無動力進(jìn)場著陸技術(shù)等。其關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和飛行器系統(tǒng)集成均存在一定難度，因此應(yīng)謀劃亞軌道空天飛機的長遠(yuǎn)發(fā)展，逐步突破關(guān)鍵技術(shù)，最終完成飛行器的研制和飛行試驗。

(3)配合應(yīng)用低空域輔助飛行器，提高飛行效率。目前國外亞軌道空天飛機多配合使用載機形式的低空域輔助飛行器，充分利用大氣中的氧氣以提高低空的飛行效率，降低飛行成本，從而提高競爭力。我國在未來的亞軌道空天飛機設(shè)計研發(fā)中，也可考慮應(yīng)用載機進(jìn)行空中發(fā)射。其中，可以參考瑞士S3公司采購空客A300改裝的思路，選擇我國的C919等商用飛機型號進(jìn)行改裝作為載機使用。而針對亞軌道乘員艙，高空氣球是一種潛在的低空域輔助飛行器。即通過氣球?qū)嗆壍乐苹鸺统藛T艙的組合體運送至20 km～30 km的高度后發(fā)射。該方案在低空域充分利用大氣浮力上升，期間幾乎不消耗任何推進(jìn)劑，可以減小亞軌道助推火箭的推進(jìn)劑攜帶量，提高飛行效率。目前西班牙零至無窮公司(Zero 2 Infinity，Z2I)在高空氦氣球及其發(fā)射技術(shù)方面已取得初步成果[21-22]，已于2017年3月1日成功進(jìn)行了“氣球星”(Bloostar)運載火箭縮比原型樣機的高空氣球發(fā)射試驗，火箭從氣球發(fā)射分離的高度為25 km。

4 結(jié)束語

本文對國外商業(yè)載人亞軌道飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，對各公司商業(yè)飛行器的技術(shù)特點、發(fā)展思路以及呈現(xiàn)出的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析?？梢钥闯?，當(dāng)前不同的公司結(jié)合自己的技術(shù)基礎(chǔ)情況，對于商業(yè)亞軌道飛行以及相應(yīng)飛行器的研發(fā)均采取了各具特色的發(fā)展思路和成熟度各異的技術(shù)路線。其中，美國縮尺復(fù)合體與英國維珍銀河公司的SpaceShip和美國藍(lán)色起源公司的New Shepard亞軌道飛行器分別代表了當(dāng)前升力式空天飛機構(gòu)型和傳統(tǒng)旋成體構(gòu)型兩大類發(fā)展思路。迄今為止，這兩家公司在各自亞軌道飛行器的研發(fā)和試驗方面都取得了重要的突破和成果，有力推動了商業(yè)亞軌道飛行的發(fā)展。兩者均已基本具備實施完整載人亞軌道飛行的能力，其為游客提供亞軌道太空旅行觀光的服務(wù)已經(jīng)指日可待了。鑒于目前的發(fā)展現(xiàn)狀，建議我國盡早謀劃商業(yè)載人亞軌道飛行器的發(fā)展布局，盡快進(jìn)入商業(yè)亞軌道飛行領(lǐng)域。