國外亞軌道旅游最新發(fā)展分析

趙琪 何慧東 宋國梁（北京空間科技信息研究所）

國外亞軌道旅游業(yè)務(wù)快速發(fā)展，太空船二號(hào)、“新謝潑德”系統(tǒng)在2021年相繼搭載乘客進(jìn)入亞軌道，亞軌道飛行正在從早期的試驗(yàn)性質(zhì)逐步向商業(yè)性質(zhì)轉(zhuǎn)變，世界開啟亞軌道旅游“元年”。

1 亞軌道旅游進(jìn)展

當(dāng)前，亞軌道旅游服務(wù)取得重要突破，以2021年為例，國外共實(shí)施8次亞軌道飛行任務(wù)，其中4次任務(wù)搭載了乘客，世界進(jìn)入亞軌道旅游“元年”。

2021年7月11日，維珍銀河公司（Virgin Galactic）在新墨西哥州的美洲航天港利用白騎士二號(hào)（White Knight Two）載機(jī)掛載太空船二號(hào)（Space Ship Two）成功實(shí)現(xiàn)載人亞軌道飛行。從白騎士二號(hào)釋放太空船二號(hào)到太空船二號(hào)著陸，整個(gè)過程持續(xù)約13min。本次太空船二號(hào)載人飛行任務(wù)是維珍銀河公司組織的第4次載人航天飛行，也是公司獲得私人太空飛行商業(yè)牌照后的首次飛行，搭載了2名駕駛員和4名乘客，其中包括公司創(chuàng)始人理查德·布蘭森。

2021年7月20日，藍(lán)源公司（Blue Origin）在西德克薩斯一號(hào)發(fā)射場利用“新謝潑德”（New Shepard）系統(tǒng)成功實(shí)施首次載人亞軌道飛行，飛行過程持續(xù)約10min。本次任務(wù)是“新謝潑德”系統(tǒng)的第16次飛行，也是其首次載人飛行，搭載了4名乘客，其中包括公司創(chuàng)始人兼世界首富杰夫·貝佐斯。2021年10月13日和12月11日，藍(lán)源公司“新謝潑德”系統(tǒng)開展了第2次、第3次載人飛行，分別將4名和6名乘客送入亞軌道。

2 亞軌道載人系統(tǒng)情況

“新謝潑德”系統(tǒng)

“新謝潑德”系統(tǒng)是美國藍(lán)源公司研制的、完全可重復(fù)使用的商業(yè)亞軌道載人飛行器，系統(tǒng)根據(jù)美國首位開展亞軌道飛行并進(jìn)入太空的航天員艾倫·謝潑德（Alan Shepard）命名?！靶轮x潑德”系統(tǒng)除了支持亞軌道旅游外，還能夠提供有效載荷飛行機(jī)會(huì)，支持開展一系列有人參與的教育、研究、技術(shù)開發(fā)活動(dòng)，同時(shí)能夠支持航天員訓(xùn)練等活動(dòng)。目前，藍(lán)源公司已開展“新謝潑德”系統(tǒng)座位拍賣相關(guān)工作，后續(xù)藍(lán)源公司計(jì)劃逐步實(shí)施常態(tài)化商業(yè)亞軌道飛行。

藍(lán)源公司于2000年成立不久即開始乘員艙的設(shè)計(jì)工作，2010年開始研制“新謝潑德”系統(tǒng)全尺寸樣機(jī)，并于2015年完成研制?！靶轮x潑德”系統(tǒng)通過垂直起飛、垂直著陸（VTVL）方式發(fā)射和回收，采用冗余安全設(shè)計(jì)，能夠完全自主飛行，不需地面控制和人員駕駛。系統(tǒng)由火箭和乘員艙兩部分組成，全長18m，最大直徑3.8m，最多能夠搭載6名乘員，可將乘員、研究載荷等送至卡門線（100km）以上，進(jìn)入太空環(huán)境。

“新謝潑德”系統(tǒng)

“新謝潑德”系統(tǒng)乘員艙為加壓艙段，內(nèi)部容積為15m，能夠?yàn)?名乘員提供舒適的環(huán)境，系統(tǒng)可完全自主運(yùn)行，6人均為乘客，無需駕駛員。每個(gè)座位均設(shè)在舷窗邊，可以在整個(gè)飛行過程獲得寬闊的視場。在所有進(jìn)入太空的航天器中，“新謝潑德”系統(tǒng)乘員艙擁有最大的舷窗，尺寸為107cm×71cm。

藍(lán)源公司已經(jīng)利用4套火箭和3套乘員艙連續(xù)成功完成了18次飛行任務(wù)，其典型的飛行方案如下：“新謝潑德”系統(tǒng)整個(gè)飛行過程持續(xù)約10min，系統(tǒng)從西德克薩斯一號(hào)發(fā)射場升空，有動(dòng)力飛行約140s后發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，隨后依靠慣性繼續(xù)向上飛行，15s后乘員艙與火箭分離，系統(tǒng)到達(dá)105.9km的最大高度后開始下降?；鸺懬?0s發(fā)動(dòng)機(jī)重新點(diǎn)火減速，垂直著陸在距離發(fā)射臺(tái)不遠(yuǎn)的著陸臺(tái)上。乘員艙再入大氣層后，利用降落傘減速，并著陸在發(fā)射點(diǎn)附近。

在起飛階段，“新謝潑德”系統(tǒng)在尾翼控制下，保持2～3°/s的角速度滾轉(zhuǎn)，從而使艙內(nèi)乘員每2～3min獲得360°的視角；發(fā)射過程的最大過載約3.5g，微重力飛行時(shí)間持續(xù)3～4min，能夠使乘員獲得良好的觀光體驗(yàn)。

乘員艙內(nèi)部視圖

“新謝潑德”系統(tǒng)典型任務(wù)剖面

太空船二號(hào)

太空船二號(hào)是斯卡爾德復(fù)合材料公司（Scaled Composites）和維珍銀河公司合作研制的亞軌道載人飛行器。美國斯卡爾德復(fù)合材料公司于2004年設(shè)計(jì)并制造了太空船一號(hào)原型機(jī)，完成了首次亞軌道飛行。隨后，維珍銀河公司與斯卡爾德復(fù)合材料公司合作，向其購買太空船二號(hào)。

維珍銀河公司使用的亞軌道載人飛行系統(tǒng)由白騎士二號(hào)載機(jī)和太空船二號(hào)亞軌道飛行器組成。

白騎士二號(hào)載機(jī)是定制的四發(fā)動(dòng)機(jī)、雙機(jī)身噴氣式飛機(jī)。系統(tǒng)采用雙機(jī)身構(gòu)型，主機(jī)翼為單體碳復(fù)合材料，配備4臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，雙尾桁構(gòu)型使雙機(jī)身之間有寬敞的區(qū)域用于掛載太空船二號(hào)亞軌道飛行器或發(fā)射器一號(hào)（LauncherOne）小型運(yùn)載火箭。

白騎士二號(hào)全長24m，翼展43m，安裝4臺(tái)加拿大普·惠公司（P＆W）PW308渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)推力30.69kN，系統(tǒng)最大升限21km，設(shè)計(jì)能夠攜帶17t的有效載荷至15km高度，或攜帶發(fā)射器一號(hào)火箭進(jìn)行安全、高效地空射，將200kg衛(wèi)星送入近地軌道。運(yùn)行過程中，能夠搭載2名駕駛員，另可搭載太空船系統(tǒng)的飛行乘組及亞軌道旅游乘客進(jìn)行訓(xùn)練。

白騎士二號(hào)載機(jī)

太空船二號(hào)是專為旅游設(shè)計(jì)的空射型有翼亞軌道飛行器，除了混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在每次飛行后需替換外，其余部分均可重復(fù)使用，繼承了太空船一號(hào)的技術(shù)。

太空船二號(hào)整體構(gòu)型為小展弦比載人亞軌道飛行器，全長18.3m，翼展8.3m，高5.5m，乘員艙長3.7m，直徑為2.3m，質(zhì)量9740kg，設(shè)計(jì)最大飛行高度近110km，使用單臺(tái)固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，最大飛行速度可達(dá)4000km/h（3.26馬赫）。太空船二號(hào)設(shè)計(jì)能夠以任何角度再入大氣層，采用羽狀再入系統(tǒng)，適用于較低再入速度情況。

太空船二號(hào)最多可搭載8人（包括2名駕駛員），安裝有直徑43cm和33cm兩種尺寸的舷窗以便乘客觀景，所有座椅可在著陸過程中向后傾斜，減少再入過載引起的不適。

以太空船二號(hào)搭載4名乘客的“團(tuán)結(jié)22”（Unity 22）任務(wù)為例，從載機(jī)起飛到亞軌道飛行器降落共耗時(shí)約58min。白騎士二號(hào)起飛45min后，太空船二號(hào)在13.7km高度與載機(jī)分離，隨后固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，系統(tǒng)最高速度達(dá)3馬赫，約60s后太空船二號(hào)沿亞軌道上升至85.9km的最大高度，隨后開始下降，最終太空船二號(hào)滑翔降落在航天港跑道上。

太空船二號(hào)結(jié)構(gòu)圖

太空船二號(hào)任務(wù)飛行路徑示意圖

3 亞軌道飛行特點(diǎn)分析

商業(yè)亞軌道旅游進(jìn)入快速發(fā)展階段

自1961年人類首次進(jìn)入太空以來，載人航天經(jīng)過了60年的發(fā)展，主要活動(dòng)范圍是近地軌道和地月空間，亞軌道飛行并不占據(jù)主流。截至2021年底，世界總共實(shí)施352次載人飛行任務(wù)，其中只包括26次亞軌道載人飛行。26次亞軌道載人飛行中，包括NASA早期的2次“水星”任務(wù)、13次X—15試驗(yàn)任務(wù)，俄羅斯“聯(lián)盟”（Soyuz）飛船2次未能發(fā)射入軌的異常任務(wù)，以及維珍公司的7次亞軌道飛行任務(wù)、藍(lán)源公司2次亞軌道任務(wù)?？傆?jì)有598人進(jìn)入80km以上的太空，其中585人進(jìn)入100km以上的太空，574人進(jìn)入地球軌道。

隨著航天技術(shù)不斷發(fā)展成熟，商業(yè)航天迅猛發(fā)展，亞軌道飛行也從早期的試驗(yàn)性質(zhì)逐步向商業(yè)性質(zhì)發(fā)展。2000年以來，維珍銀河公司的太空船一號(hào)、太空船二號(hào)，藍(lán)源公司的“新謝潑德”系統(tǒng)等商業(yè)亞軌道載人系統(tǒng)接連開展無人或載人飛行，系統(tǒng)逐步發(fā)展成熟，并計(jì)劃不久后投入正式的商業(yè)服務(wù)，商業(yè)亞軌道旅游已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展的新時(shí)期。

亞軌道飛行應(yīng)用廣泛，是搭載載荷的良好平臺(tái)

以“新謝潑德”系統(tǒng)、太空船二號(hào)為代表的亞軌道系統(tǒng)除了能夠搭載乘客外，還能夠?yàn)榭茖W(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)載荷提供飛行機(jī)會(huì)。NASA航天技術(shù)任務(wù)部（STMD）支持實(shí)施了“飛行機(jī)會(huì)”計(jì)劃（Flight Opportunities），旨在使具有前景的航天技術(shù)得到快速演示和試驗(yàn)，提升未來任務(wù)所需技術(shù)的成熟度。

“新謝潑德”系統(tǒng)是NASA“飛行機(jī)會(huì)”計(jì)劃采用的可重復(fù)使用亞軌道火箭（RLV）之一，自2016年開始為NASA和高校提供載荷搭載機(jī)會(huì)，目前已累計(jì)搭載超過100個(gè)載荷?！靶轮x潑德”系統(tǒng)上設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)的載荷機(jī)柜，拆除座位后可安裝到乘員艙內(nèi)的對(duì)應(yīng)位置，飛行中還可支持有人參與的實(shí)驗(yàn)。此外，火箭部分也可搭載非加壓載荷，開展真空環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)。

亞軌道環(huán)境處于空間的邊緣，具備類似空間的部分屬性，包括微重力條件、再入條件、著陸條件、高層太陽暴露、輻射、極限溫度、真空、強(qiáng)烈的航天器振動(dòng)等。在亞軌道系統(tǒng)上開展飛行試驗(yàn)，能夠使技術(shù)從地面實(shí)驗(yàn)室環(huán)境轉(zhuǎn)移到類似空間的環(huán)境，驗(yàn)證技術(shù)可行性，降低未來航天任務(wù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

亞軌道飛行器技術(shù)難度遠(yuǎn)小于軌道飛行器

目前，SpaceX公司的“載人龍”（Crew Gragon）飛船、藍(lán)源公司的“新謝潑德”系統(tǒng)、維珍銀河公司的太空船二號(hào)等三型商業(yè)系統(tǒng)能夠?qū)⒊藛T送入太空，其中，“載人龍”飛船能夠入軌，而“新謝潑德”系統(tǒng)、太空船二號(hào)只能進(jìn)行亞軌道飛行。

亞軌道飛行器主要飛行范圍在距離地面100km左右，飛行剖面上為直上直下式，最大上升速度約1km/s，水平速度很小，著陸點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)不遠(yuǎn)。而軌道飛行器入軌高度通常在200km以上，除了需要出地球大氣層外，水平速度還需要達(dá)到約7.8km/s以維持軌道飛行。以獵鷹—9（Falcon—9）火箭和“載人龍”飛船為代表的軌道飛行器在系統(tǒng)規(guī)模、技術(shù)難度等方面遠(yuǎn)大于亞軌道飛行器。

商業(yè)亞軌道旅游競爭激烈，發(fā)展模式更加創(chuàng)新

近地軌道載人航天活動(dòng)當(dāng)前仍主要面向政府用戶，而亞軌道旅游則是直接面向公眾客戶，其競爭更加激烈。藍(lán)源公司創(chuàng)始人兼世界首富貝佐斯搭乘“新謝潑德”系統(tǒng)開展首飛，得到了全球的關(guān)注，其廣告效應(yīng)巨大，為樹立客戶信心、贏得后續(xù)訂單起到了重要的作用。維珍銀河公司的太空船二號(hào)與“新謝潑德”系統(tǒng)面向同一市場和用戶群體。在藍(lán)源公司公布2021年7月20日載人首飛、紀(jì)念人類首次登月的情況下，為競爭市場份額，維珍銀河公司創(chuàng)始人理查德·布蘭森搶先于7月11日搭乘太空船二號(hào)體驗(yàn)亞軌道飛行，借藍(lán)源公司熱度對(duì)自身業(yè)務(wù)進(jìn)行營銷，取得良好的效果。

在報(bào)價(jià)方面，太空船二號(hào)每座約45萬美元，計(jì)劃最早于2022年轉(zhuǎn)入常態(tài)化商業(yè)運(yùn)營；藍(lán)源公司尚未公布標(biāo)準(zhǔn)報(bào)價(jià)，目前仍采用拍賣的方式出售首批座位，首個(gè)座位以2800萬美元賣出，顯著高于太空船二號(hào)報(bào)價(jià)，已接近軌道飛行任務(wù)的價(jià)格，后續(xù)藍(lán)源或?qū)⒁愿侠淼膬r(jià)格推出常態(tài)化乘員/載荷搭載服務(wù)，競爭亞軌道旅游市場。除了價(jià)格外，優(yōu)化服務(wù)和體驗(yàn)也是重要的競爭點(diǎn)，藍(lán)源公司“新謝潑德”系統(tǒng)通過超大舷窗、有人參與的實(shí)驗(yàn)等亮點(diǎn)吸引用戶，太空船二號(hào)以空天結(jié)合的飛行體驗(yàn)作為自身特色。在激烈的競爭中，不斷創(chuàng)新發(fā)展模式、優(yōu)化服務(wù)已經(jīng)成為重要的發(fā)展方向。

4 結(jié)束語

以“新謝潑德”系統(tǒng)、太空船二號(hào)為代表的亞軌道飛行器逐漸發(fā)展成熟，即將投入常態(tài)化應(yīng)用，亞軌道飛行業(yè)務(wù)迎來快速發(fā)展期。亞軌道飛行器除了開展旅游業(yè)務(wù)外，還為科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)載荷提供了飛行機(jī)會(huì)，加快創(chuàng)新系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)。亞軌道系統(tǒng)研制難度相對(duì)較低，研發(fā)亞軌道飛行器對(duì)于完善航天工業(yè)基礎(chǔ)、積累航天飛行技術(shù)、加速載荷搭載試驗(yàn)創(chuàng)新、提升航天技術(shù)發(fā)展水平、推動(dòng)航天經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。