價低載客多成首選: 太空計程車的前世今生(12p)
波音研發的CST-100飛船:波音和SpaceX公司的消息稱2017年將NASA太空人送上國際太空站的計劃已經啟動,前不久兩家公司與NASA簽下了總價值68億美元的超級合同。主打產品「CST-100」和「龍」V2飛船將在今後兩年內進行一系列的測試,並開始第一次試飛,「太空計程車」時代即將開啟。波音的CST-100飛船能夠攜帶7名太空人,人員運載能力與美國航天飛機相當。
「龍」V2更具潛力:相比較CST-100飛船而言,SpaceX的「龍」V2飛船則更加成熟。目前貨運版的「龍」飛船使用獵鷹9v1.1火箭完成了第五次ISS貨運補給(SpaceX與NASA共簽了12次價值16億美元合同),進度領先CST-100飛船。「龍」V2飛船也可以搭載7名太空人,如果兩款「太空計程車」全面服役,NASA可以省去一筆不小開支,目前聯盟號一個座位報價為7000萬美元,而「龍」V2和CST-100每個座位平均價格可以降到5800萬美元以下,可謂是價格實惠量又足。
「追夢者」造型科幻:在NASA的商業乘員計劃中,還有一款「太空計程車」值得關注,這就是「追夢者」迷你航天飛機,研製方為內華達山脈公司,洛-馬公司提供全面的技術支持。從外觀上看,這款建立在HL-20升力體構造基礎之上的飛行器相當科幻,非飛船佈局也讓人眼前一亮。「追夢者」起飛方式為火箭發射,降落時能夠使用任何一處商業機場跑道,重複使用能力非常強大,這是波音和SpaceX方案所無法比擬的,但「追夢者」沒有被NASA選中。
內華達山脈的「追夢者」:「追夢者」落選原因之一就在於其技術風險較大,而且內華達山脈的技術實力有待考驗,能否解決NASA當初研製升力體飛行器時所遇到的困難仍然不得而知。事實上,NASA對升力體構造頗有感情,在上個世紀50年代,作為NASA前身NACA的工程師已經著手對軸對稱升力氣動進行研究,發現可以製造機身與機翼融合體的飛行器。1960年代,NASA研製了諸如M2-F2、M2-F3和HL-10升力體驗證機。
M2-F3源自M2-F2升力體:M2-F2來自蘭利研究中心,製造商為諾斯羅普公司,兩片巨大的垂尾位於機身後方,幾乎沒有機翼結構,機身提供主要升力。M2-F2在當時被認為是思想超前的飛行器驗證機,M2-F3為其後續型號。1960至1970年代中,M2-F2等升力體驗證機進行了多次無動力滑翔試飛,初步解決了關於升力體構型的氣動問題。
馬丁-瑪麗埃塔公司製造的X-24:諾斯羅普在1966年還製造了HL-10升力體,並在1970年成功突破了音速,保持當時最為優秀的升力體試飛記錄。不論是M2系列還是HL-10,都代表了NASA早期在升力體研製上的最高成就,此後美國空軍開始以升力體技術製造更先進的驗證機,比如X-24。X-24由馬丁-瑪麗埃塔公司製造,該公司通過X-23驗證了再入大氣層時升力體舵面控製技術,於是X-24的外形變得更加圓胖,如同一隻會飛的燙鬥。
HL-20驗證機外觀:1980年代,NASA挑戰者號航天飛機爆炸,NASA蘭利研究中心開始以升力體構型為基礎尋找一種能夠保證太空人安全返回的載體,同時試圖降低載人航天器的運營成本,於是HL-20升力體等到進一步發展。由於航天飛機昂貴的運營費用,HL-20在設計之初就強度了低成本運營,這一思路一直貫徹到現在幾款可重複使用空天飛行器的研發上,並形成了攜帶7名左右太空人和少量貨物快速進入軌道任務目標,類似於我們所熟知的出租車,「太空計程車」開始進入人們的視野。
蘇聯研製的米格-105:在NASA研製升力體飛行器時,蘇聯方面也有所建樹,1970年代蘇聯為了應對X-20驗證機計劃研製了米格-105飛行器,開始探索可載人的天地往返系統。到了1980年代初,蘇聯的BOR-4升力體飛行器進行了試飛,甚至完成了亞軌道飛行試驗。但總的來看,對「太空計程車」概念執行和貫徹程度最好的仍然是NASA。
完成試飛的X-38:1999年,NASA再次在空間站框架下啟動升力體飛行器研製計劃,X-38在德萊登飛行訓練中心完成首飛,歐洲空間局與德國航空航天機構也參與了該計劃。從外形上看,X-38顯得更加成熟,可搭載7名太空人和少量貨物,該型機被定位為空間站的應急救援飛行器,可攜帶太空人緊急撤離並返回地面,但該計劃在2002年中止。
「追夢者」內部結構:從NASA對升力體構型的「太空計程車」研發過程上可以看出,內華達山脈公司的「追夢者」其實受到NASA的青瞇,畢竟這是後者多年以來未完成的計劃。「追夢者」在設計上已經更加現代化,小展弦比機身更加幹練,在增加內部容積的同時也提高了升阻比。
RD-180發動機被限製用於美國火箭發射:在俄製RD-180發動機面臨斷貨風險後,「追夢者」方案中設定的Atlas V火箭也變得不那麼可靠,「追夢者」的落選似乎成了板上釘釘的事情。相對較而言,「CST-100」和「龍」V2飛船的風險較小、安全性更好,雖然升力體方案沒能突破重重困難,但「太空計程車」的理念已經被前兩者吸收,降低任務費用、進入軌道更加便捷是NASA合作夥伴今後需要努力的地方。
歐洲「過渡實驗飛行器」:展望未來,進入近地軌道的平台將越來越多,比如歐洲正在測試的「過渡實驗飛行器」、軌道科學公司的「天鵝座」飛船等等,這些平台都將安全性和入軌費用放在第一位。不過在這方面做得最優秀的仍然要數「龍」飛船和「獵鷹」系列火箭,SpaceX公司計劃將一次發射費用降低到百萬美元,當前的報價普遍在數千萬美元至數億美元。低廉的價格可以讓更多普通民眾選擇太空游,也符合「太空計程車」的初衷。
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