國外兩型亞軌道旅游方案對比分析

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(jī)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(lán)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(dá)”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(jì)50年代，美國開始進(jìn)行X-15高超聲速飛行器試驗(yàn)驗(yàn)證，采用B-52轟炸機(jī)攜帶至高空投放的方式，B-52轟炸機(jī)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(dá)到馬赫數(shù)6.7，最高飛行高度108km。X-15飛行器歷時(shí)10年研制，共完成199次飛行試驗(yàn)。從發(fā)射模式上看，太空船-2搭載白衣騎士-2（White Knight Two）載機(jī)，在距離地面15km高度處實(shí)施空投分離，這種機(jī)載發(fā)射方案與利用B-52轟炸機(jī)空中發(fā)射X-15高超聲速飛行器是一脈相承的。

在氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)、動(dòng)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(jiǎng)”的縮尺復(fù)合體公司（Scaled Composites）研制的太空船-1為模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的。2004年6月，太空船-1搭載白衣騎士-1雙體噴氣式飛機(jī)從加州莫哈維（Mojave）沙漠起飛，飛達(dá)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(jì)錄，轟動(dòng)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(dòng)機(jī)動(dòng)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(biāo)。

太空船-2采用的獨(dú)特的、傾斜旋轉(zhuǎn)的雙尾翼外形，設(shè)計(jì)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(shí)采用順翼模式，首先在15km高空與白衣騎士-2載機(jī)分離，之后在引擎作用下繼續(xù)爬升，當(dāng)飛行速度達(dá)到馬赫數(shù)為3.3時(shí)，引擎關(guān)閉，太空船-2在慣性作用下繼續(xù)爬升直至達(dá)到軌跡最高點(diǎn)89.9km，隨即開始下降，當(dāng)速度達(dá)到約78m/s時(shí)，羽狀再入系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)至約65°，以增加迎風(fēng)面積實(shí)現(xiàn)飛行器減速，當(dāng)下落速度達(dá)到馬赫數(shù)1.4時(shí)，飛行員會(huì)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(jī)場跑道的無動(dòng)力進(jìn)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(jì)50年代開始的X-15高超聲速飛行項(xiàng)目的研制成果，而飛船本身的技術(shù)方案則是以21世紀(jì)初斬獲大獎(jiǎng)的新型飛行器為設(shè)計(jì)原型，并從更利于亞軌道旅游的角度，對系統(tǒng)能力進(jìn)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。“水星”飛船的部段從上至下分別為逃逸塔、圓柱形傘艙以及圓臺(tái)形單人密封座艙，底部裝有制動(dòng)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(gè)舷窗以及一個(gè)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(dòng)控制與人工控制相結(jié)合的方式，飛船再入時(shí)，航天員通過手動(dòng)調(diào)整飛船再入軌跡并選擇著陸點(diǎn)，實(shí)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(dá)到飛行高度186km，成為第一個(gè)“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(lán)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(biāo)是開展商業(yè)飛行，將商業(yè)旅客運(yùn)送到超過地球表面100km的高度，以體驗(yàn)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(dòng)機(jī)，用于在任意高度啟動(dòng)乘員艙逃逸程序。飛船全程采用自動(dòng)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(dòng)外形、并繼承了彈道式垂直起降的主要方案。同時(shí)，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(jì)、著陸緩沖方案、姿態(tài)控制方法等方面都進(jìn)一步改進(jìn)。

“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(jì)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(jì)更是可圈可點(diǎn)。“新謝潑德”飛船的創(chuàng)意來源于“水星”，嚴(yán)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(jì)方案低調(diào)且保守，具有典型的“貝索斯”風(fēng)格。然而實(shí)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(yàn)

太空船-2的客艙空間設(shè)計(jì)可圈可點(diǎn)?？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(gè)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(dāng)太空船-2進(jìn)入零重力飛行段以及再入返回段時(shí)，座椅將調(diào)節(jié)為后傾狀態(tài)，以確保乘客進(jìn)行失重體驗(yàn)時(shí)獲得更大的活動(dòng)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(shí)時(shí)飛行速度、飛行時(shí)間等信息。艙內(nèi)共安裝有16個(gè)攝像機(jī)和1面圓形鏡子，用于無死角地記錄整個(gè)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(shí)“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(shí)，兼顧艙內(nèi)的溫度環(huán)境與聲學(xué)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恢茫钩丝涂梢栽谌我馕恢眯蕾p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(dú)具匠心的是，艙內(nèi)光照系統(tǒng)在飛行的各個(gè)階段能夠呈現(xiàn)不同的效果：在登機(jī)準(zhǔn)備和空中分離階段使用冷色調(diào)，和藍(lán)青色的座椅渾然一體，在引擎推進(jìn)階段使用暖色調(diào)，在進(jìn)入太空后會(huì)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(jì)中規(guī)中矩?？团撜w像個(gè)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(gè)靠窗的座位，座位上配有麥克風(fēng)、控制開關(guān)和可視面板，用來和地面人員進(jìn)行溝通。乘員艙的舷窗是目前全世界范圍內(nèi)進(jìn)入太空的最大觀光舷窗，高度達(dá)到109cm,寬度達(dá)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(dá)到太空邊緣時(shí)，乘員艙會(huì)以緩慢的速度進(jìn)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(shí)間更長，從起飛到降落約2h，是“新謝潑德”飛行時(shí)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(gè)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(jià)似乎更低，目前的官網(wǎng)報(bào)價(jià)是45萬美元，而“新謝潑德”的座位價(jià)格在最近一次拍賣會(huì)上的中標(biāo)價(jià)格是2800萬美元；然而，“新謝潑德”飛行高度可以更高，達(dá)到107km，與太空船-2相比約超出17km?？磥?，兩家公司所提供的太空之旅體驗(yàn)也是各有千秋。

3 小結(jié)

到達(dá)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(lán)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(yùn)地身處在“平民”也能參與亞軌道太空旅行的時(shí)代，更加幸運(yùn)的是，在同一時(shí)間可以看到兩種截然不同、并都獲得成功驗(yàn)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(jìn)行選擇：如果你想多飛一會(huì)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(diǎn)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(jì)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。