“追梦者”：美国新一代航天飞机

国外航天 · 2016-11-22 16:56:33

美国的航天飞机(SpaceShuttle)自2011年退役之后,它那雄伟而优美的身影，已离我们远去，但事实上，这种类型的航天器却并未退出历史舞台。除了美国军方研制成功小型号军用航天飞机X-37B之外，美国正在借助私营企业的力量，让新型航天飞机，重新进入我们的视野。　　上周四，美国宇航局（NASA）宣布：轨道ATK公司、太空探索技术公司（SpaceX）和内华达山脉公司（SNC）赢得第二轮国际空间站商业货运任务合同。　　这三家公司中，前两者是“老面孔”，承包了第一轮空间站商业货运任务。“新面孔”内华达山公司凭借什么法宝竞标成功？为什么美国宇航局局长说这是“又一个重大的里程碑”？　　“追梦者”为何成功中标　　“用不了多久，全世界将再次看到美国的有翼航天器从太空返回，降落到跑道上。”　　——内华达山脉公司太空系统部副总裁马克·西兰杰洛　　内华达山脉公司此次中标成功，凭借的是一款利用火箭垂直发射升空、能像飞机那样水平着陆返回的迷你航天飞机 ——“追梦者”。　　它长9米、直径7米、总重为11吨，比以往的航天飞机要轻和小得多，最多可搭载7名乘员。　　它的结构采用了大量最先进的复合材料，其在轨动力来自两台推力可调的固体与液体混合的火箭发动机，推进剂采用端羟基聚丁二烯（HTPB，固体燃料）和一氧化二氮（氧化剂），它们都具有无毒、易存储的特性。　　可以说，“追梦者”体现了美国新一代航天飞机的基本特征。　　“追梦者”中标的关键，在于它采用的是NASA多年积累的技术。“追梦者”的设计方案，其实就是NASA研发的HL-20升力体构型。

NASA研发的HL-20升力体　　升力体是一半像飞船、一半像飞机的飞行器。美国早在上世纪六七十年代，就已进行了M2-F2、M2-F3、HL-1O、X-24A、X-24B等一系列升力体的研究。因此，它本身就是由NASA技术成果转化而来的继承项目。　　美国SpaceDev公司2004年宣布，以“追梦者”加入NASA的太空探索愿景计划以及后来的“商业轨道运输服务(COTS)项目”。2006年，该公司与NASA签订合同，正式决定使用HL-20来研制“追梦者”。　　2008年，内华达山脉公司收购了SpaceDev公司，并与NASA签下了“第二轮商业乘员开发(CCDev2)项目”的合同。在这之后，“追梦者”又继续签下了NASA“商业乘员集成能力(CCiCap)项目”2亿多美元的合同。　　2013年5月22日，美国宇航局局长博尔登会见了在NASA德莱登飞行研究中心准备测试“追梦者工程测试品( ETA)”的团队。同时，他作为一名驾驶过航天飞机的航天员，也在现场体验了“追梦者”的飞行模拟器。之后，ETA经历了地面、进场和着陆飞行等阶段的检验，不幸的是它在2013年首次飞行试验降落时出了事故，使其没有在2014年签下NASA关于商业载人项目的合同。但内华达山脉公司并没有因此而放弃，决定在发展载人的航天飞机之前，先发展载货的“追梦者”。　　这种“追梦者”载货方案可用美国的“阿特拉斯5”火箭或其它多种运载火箭发射，升力体的机翼可折叠，安放在5米直径的整流罩内。在升力体后部，增加一个载货舱，每次可运送5500千克的货物。　　由于“追梦者”具备在国际空间站停靠和与之对接的能力，它不但可以方便快速地交付货物和重新装载，达到NASA对国际空间站运货的全部要求，而且还能在普通机场着陆，进行15次飞行的重复使用，特别是它还具有应急及时运送关键货物的能力。　　美国航天飞机的悲情与荣光　　1981年4月，美国第一架航天飞机“哥伦比亚”号飞上太空，开启了“航天飞机时代”。2011年7月，“阿特兰蒂斯”号航天飞机告别国际空间站返回，标志着美国为期30年的航天飞机时代宣告结束。　　1981年4月，美国第一架航天飞机“哥伦比亚”号飞上太空，它是世界上第一架航天飞机，它由轨道器、两枚固体助推火箭和外储箱组成。这样的航天飞机美国一共制造了5架，分别是“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“奋进”号和“阿特兰蒂斯”号。

航天飞机是载人航天器突破一次性使用惯例、进入可重复使用阶段的重要标志和创新成果。航天飞机的优势就是运载能力大，载重最大可达30吨，同时在太空运行的时间最长可达到30天。这些优势，使它在国际空间站的建设中，发挥了不可替代的作用。除此以外，航天飞机还完成了施放卫星、发射宇宙探测器及哈勃望远镜、完成卫星从太空回收和在太空中进行修理等一系列任务，共运送货物1360余吨，把600多人次航天员送入太空。　　美国在设计航天飞机时，希望能将运送1千克有效载荷到地球低轨道的费用降到350美元，但事实上一直卡在1万美元这个瓶颈，这就使得航天飞机不仅没有达到降低运输费用的目标，而且在地面周转的时间太长，导致整个飞行计划缺乏灵活性。更严重的后果是，由于经费和进度都十分紧张，只能采用助推火箭和外储箱与轨道器并联的方案，从而留下了安全隐患。“哥伦比亚”号的爆炸，就是由于外储箱隔热用的泡沫塑料在上升段脱落，打坏了轨道器机翼前缘的防热系统，从而使轨道器在再入时解体。因此，航天飞机在不断创造纪录的同时，也留下了人类探索太空历程中让人感伤的悲情时刻——1986年“挑战者”号和2003年“哥伦比亚”号爆炸解体，让14名航天员魂留太空，也让美国的载人航天承受了巨大的挫折。　　2011年7月，“阿特兰蒂斯”告别国际空间站返回肯尼迪航天中心，上演了一场人类航天史上最盛大的谢幕演出。至此，美国的航天飞机全部退役。航天飞机的继任者，无论是X-37B还是“追梦者”，都吸取了航天飞机失事的教训，改用了火箭顶推的方式，它们的分系统还采用了许多高新技术，让航天飞机焕发出新的活力。　　太空探索实现双轮驱动　　鼓励和支持私营航天创业公司成为研发制造航天运载系统的主力，是美国航天有史以来最大的转型。　　航天飞机退役后，NASA重新打造的新的“猎户座”飞船要在2020年才能升空。在此之前，美国没有一个航天运载系统能为国际空间站服务。运送人员的唯一的选择，是利用俄罗斯的“联盟号”飞船，每个座位须支付约7000万美元，通常每年要购买6个座位。　　为改变这一尴尬局面，自2010年开始，奥巴马政府就要求NASA尽力支持本土有竞争力的公司研发航天运载系统，恢复美国向国际空间站的运载能力。　　随着航天基本技术的成熟，各世界航天大国除了继续关注太空安全外，将重点转向发展太空经济与太空探索。在这种形势下，美国产生了一批私营航天创业公司。由于私营航天创业公司管理机制灵活高效，因而研制航天运载系统的周期短、成本也较低。　　鼓励和支持私营航天创业公司成为研发制造航天运载系统的主力，是美国航天有史以来最大的转型。　　NASA早在2006年，就启动了“商业轨道运输服务(COTS)项目”，旨在为国际空间站运送货物。经过招标，NASA最终选择了两家创新能力强的私企:一家是SpaceX，按合同利用“龙”飞船向太空站运送12次货物;另一家是轨道科学公司(2014年4月与ATK公司合并成为轨道ATK公司)，利用“天鹅”号飞船在2013-2016年间分8次将20吨货物运送至国际空间站。　　SpaceX公司近期因尝试回收火箭而频频吸引眼球，他们研制的“龙”飞船高约6.1米、直径约3.7米，分载货和载人两种形式。它最多能向上运送6吨货物，运回3吨货物。而载人的“龙”飞船，每次飞行可以运载7名航天员。“龙”飞船可重复使用10次，所以能大大降低天地往返的运输成本。　　2010年12月8日，SpaceX公司利用“猎鹰9号”火箭，将“龙”飞船发射进入低地球轨道。在轨道运行后，“龙”飞船又重新进入大气层，降落在目标海域。其发射和再入的成功，标志着一家小型航天商业公司第一次成功回收从低轨道再入的航天器。在此之后，“龙”飞船在2011年又飞了两次，并成功与国际空间站进行无人对接。　　轨道科学公司在2013年4月由“安塔瑞斯”号火箭成功发射了“天鹅”号飞船，搭载了和飞船等重的3.8吨载荷。这一发射成功，证明了又一家私企具备了航天运载能力。　　NASA局长博尔登表示:“NASA计划利用美国企业的创造性到达近地轨道，从而使NASA可以将资源集中用于深空探测。从这个角度看，和这些企业签订合同，无疑是重要的里程碑。”　　2014年10月，“安塔瑞斯”号火箭在发射飞船时爆炸，使得这项计划暂停。2015年12月，“天鹅”号飞船改用“阿特拉斯5”号火箭发射，再次成功完成给国际空间站的运货任务。2015年6月，SpaceX公司的“猎鹰9号”火箭在发射“龙”飞船时也发生爆炸。由此可见，美国的商业航天并非一帆风顺，但这些事故没有阻挡美国商业航天前进的步伐，同时也提供了深刻的教训:发展中既要重视创新，又要重视安全性。　　随着NASA将重心转移到更具挑战性的载人火星探索，私企将接过把航天员和相关货物送到国际空间站的接力棒。2011年4月18日，NASA宣布了“第二轮商业乘员开发项目(CCDev2)”，旨在帮助美国私企研制出可替代航天飞机的天地往返运输系统。波音公司的CTS-100飞船(后更名为“星际客机”)、内华达山脉公司的“追梦者”航天飞机、SpaceX公司的“龙”飞船和蓝色起源公司的垂直起降方案，分别获得了数额不同的资助。

2014年9月16日，波音、SpaceX两家公司与NASA签署协议，分别获得42亿美元和26亿美元的合同。在通过飞行认证后，每家公司将自2017年起，各自承担2-6次飞往国际空间站的载人运输任务。不难预测，若内华达山脉公司能顺利完成“追梦者”航天飞机的运货任务，也将会加入到载人任务的竞争中来。从这里，我们就不难理解博尔登认为这次“追梦者”货船的中标，是美国商业航天的又一个里程碑。　　这些年来，美国除了出现上述商业航天公司之外，还出现了许多发展商业空间站、太空旅游和火星探索的私营公司。美国的商业载人航天项目既取得了惊人的成效，也发生了重大事故。美国采用政府与市场双轮驱动太空探索的政策和提供的经验教训，必将对世界航天事业的发展产生深远的影响。

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