黃志澄

    美國的航天飛機201 1年宣布退役,人們以為“航天飛機時代”已經(jīng)終結(jié)，但事實上,，這種類型的航天器卻并未退出歷史舞臺,。除軍方研制的小型軍用航天飛機X-37B之外，美國正在借助私營企業(yè)的力量,，讓新型航天飛機重新進入我們的視野,。

    上周四，美國宇航局　(NASA)　宣布:軌道ATK公司,、太空探索技術(shù)公司　(SpaceX)　和內(nèi)華達山脈公司(SNC)　贏得第二輪國際空間站商業(yè)貨運任務(wù)合同,。

    這三家公司中，前兩者是“老面孔”，承包了第一輪空間站商業(yè)貨運任務(wù),?！靶旅婵住眱?nèi)華達山脈公司憑借什么法寶競標(biāo)成功?　為什么美國宇航局局長說這是“又一個重大的里程碑”?

    “追夢者”為何成功中標(biāo)

    “用不了多久，全世界將再次看到美國的有翼航天器從太空返回,，降落到跑道上?！?/p>

    ——內(nèi)華達山脈公司太空系統(tǒng)部副總裁馬克·西蘭杰洛

    內(nèi)華達山脈公司此次中標(biāo)成功,，憑借的是一款利用火箭垂直發(fā)射升空、能像飛機那樣水平著陸返回的迷你航天飛機——“追夢者”,。

    它長9米,、直徑7米、總重為11噸,，比以往的航天飛機要輕和小得多,，最多可搭載7名乘員。

    它的結(jié)構(gòu)采用了大量最先進的復(fù)合材料,，其在軌動力來自兩臺推力可調(diào)的固體與液體混合的火箭發(fā)動機,，所采用的推進劑都具有無毒、易存儲的特性,。

    可以說,，“追夢者”體現(xiàn)了美國新一代航天飛機的基本特征。

    “追夢者”中標(biāo)的關(guān)鍵,，在于它采用的是NASA多年積累的技術(shù),。“追夢者”的設(shè)計方案,，其實就是NASA研發(fā)的HL-20升力體構(gòu)型,。

    升力體是一半像飛船、一半像飛機的飛行器,。美國早在上世紀(jì)六七十年代,，就已進行了　M2-F2、M2-F3,、HL-1O,、X-24A、X-24B等一系列升力體的研究,。因此,，它本身就是由NASA技術(shù)成果轉(zhuǎn)化而來的繼承項目。

    美國SpaceDev公司2004年宣布,，以“追夢者”加入NASA的太空探索愿景計劃以及后來的“商業(yè)軌道運輸服務(wù)(COTS)項目”,。2006年，該公司與NASA簽訂合同,，正式?jīng)Q定使用HL-20來研制“追夢者”,。

    2008年,，內(nèi)華達山脈公司收購了SpaceDev公司，并與NASA簽下了“第二輪商業(yè)乘員開發(fā)(CCDev2)項目”的合同,。在這之后,，“追夢者”又繼續(xù)簽下了NASA“商業(yè)乘員集成能力(CCiCap)項目”2億多美元的合同。

    2013年5月22日,，美國宇航局局長博爾登會見了在NASA德萊登飛行研究中心準(zhǔn)備測試“追夢者工程測試品( ETA)”的團隊,。同時，他作為一名駕駛過航天飛機的航天員,，也在現(xiàn)場體驗了“追夢者”的飛行模擬器,。之后，ETA經(jīng)歷了地面,、進場和著陸飛行等階段的檢驗,，不幸的是它在2013年首次飛行試驗降落時出了事故,，使其沒有在2014年簽下NASA關(guān)于商業(yè)載人項目的合同,。但內(nèi)華達山脈公司并沒有因此而放棄，決定在發(fā)展載人的航天飛機之前,，先發(fā)展載貨的“追夢者”,。

    這種“追夢者”載貨方案可用美國的“阿特拉斯5”火箭或其它多種運載火箭發(fā)射，升力體的機翼可折疊,，安放在5米直徑的整流罩內(nèi),。在升力體后部，增加一個載貨艙,，每次可運送5500千克的貨物,。

    由于“追夢者”具備在國際空間站停靠和與之對接的能力,，它不但可以方便快速地交付貨物和重新裝載,，達到NASA對國際空間站運貨的全部要求，而且還能在普通機場著陸,，進行15次飛行的重復(fù)使用,，特別是它還具有應(yīng)急及時運送關(guān)鍵貨物的能力。

    美國航天飛機的悲情與榮光

    1981年4月,，美國第一架航天飛機“哥倫比亞”號飛上太空,，開啟了“航天飛機時代”。2011年7月,，“阿特蘭蒂斯”號航天飛機告別國際空間站返回,，標(biāo)志著美國為期30年的航天飛機時代宣告結(jié)束。

    1981年4月，美國第一架航天飛機“哥倫比亞”號飛上太空,，它是世界上第一架航天飛機,，它由軌道器、兩枚固體助推火箭和外儲箱組成,。這樣的航天飛機美國一共制造了5架，分別是“哥倫比亞”號,、“挑戰(zhàn)者”號,、“發(fā)現(xiàn)”號、“奮進”號和“阿特蘭蒂斯”號,。

    航天飛機是載人航天器突破一次性使用慣例、進入可重復(fù)使用階段的重要標(biāo)志和創(chuàng)新成果,。航天飛機的優(yōu)勢就是運載能力大,，載重最大可達30噸，同時在太空運行的時間最長可達到30天,。這些優(yōu)勢,，使它在國際空間站的建設(shè)中，發(fā)揮了不可替代的作用,。除此以外,，航天飛機還完成了施放衛(wèi)星、發(fā)射宇宙探測器及哈勃望遠鏡,、完成衛(wèi)星從太空回收和在太空中進行修理等一系列任務(wù),，共運送貨物1360余噸，把600多人次航天員送入太空,。

    美國在設(shè)計航天飛機時,，希望能將運送1千克有效載荷到地球低軌道的費用降到350美元，但事實上一直卡在1萬美元這個瓶頸,，這就使得航天飛機不僅沒有達到降低運輸費用的目標(biāo)，而且在地面周轉(zhuǎn)的時間太長,，導(dǎo)致整個飛行計劃缺乏靈活性。更嚴(yán)重的后果是,，由于經(jīng)費和進度都十分緊張,，只能采用助推火箭和外儲箱與軌道器并聯(lián)的方案,，從而留下了安全隱患,。“哥倫比亞”號的爆炸,，就是由于外儲箱隔熱用的泡沫塑料在上升段脫落,，打壞了軌道器機翼前緣的防熱系統(tǒng),，從而使軌道器在再入時解體。因此,，航天飛機在不斷創(chuàng)造紀(jì)錄的同時,，也留下了人類探索太空歷程中讓人感傷的悲情時刻——1986年“挑戰(zhàn)者”號和2003年“哥倫比亞”號爆炸解體,，讓14名航天員魂留太空，也讓美國的載人航天承受了巨大的挫折,。

    2011年7月,，“阿特蘭蒂斯”告別國際空間站返回肯尼迪航天中心,，上演了一場人類航天史上最盛大的謝幕演出。至此,，美國的航天飛機全部退役。航天飛機的繼任者,，無論是X-37B還是“追夢者”,，都吸取了航天飛機失事的教訓(xùn)，改用了火箭頂推的方式,，它們的分系統(tǒng)還采用了許多高新技術(shù),，讓航天飛機煥發(fā)出新的活力。

    太空探索實現(xiàn)雙輪驅(qū)動

    鼓勵和支持私營航天創(chuàng)業(yè)公司成為研發(fā)制造航天運載系統(tǒng)的主力,，是美國航天有史以來最大的轉(zhuǎn)型,。

    航天飛機退役后，NASA重新打造的新的“獵戶座”飛船要在2020年才能升空,。在此之前,，美國沒有一個航天運載系統(tǒng)能為國際空間站服務(wù)。運送人員的唯一的選擇,，是利用俄羅斯的“聯(lián)盟號”飛船，每個座位須支付約7000萬美元,，通常每年要購買6個座位,。

    為改變這一尷尬局面，自2010年開始,，奧巴馬政府就要求NASA盡力支持本土有競爭力的公司研發(fā)航天運載系統(tǒng),，恢復(fù)美國向國際空間站的運載能力。

    隨著航天基本技術(shù)的成熟,，各世界航天大國除了繼續(xù)關(guān)注太空安全外,，將重點轉(zhuǎn)向發(fā)展太空經(jīng)濟與太空探索。在這種形勢下,，美國產(chǎn)生了一批私營航天創(chuàng)業(yè)公司,。由于私營航天創(chuàng)業(yè)公司管理機制靈活高效，因而研制航天運載系統(tǒng)的周期短,、成本也較低,。

    鼓勵和支持私營航天創(chuàng)業(yè)公司成為研發(fā)制造航天運載系統(tǒng)的主力，是美國航天有史以來最大的轉(zhuǎn)型,。

    NASA早在2006年,，就啟動了“商業(yè)軌道運輸服務(wù)　(COTS)　項目”，旨在為國際空間站運送貨物,。經(jīng)過招標(biāo),，NASA最終選擇了兩家創(chuàng)新能力強的私企:一家是SpaceX,，按合同利用“龍”飛船向太空站運送12次貨物;另一家是軌道科學(xué)公司　(2014年4月與ATK公司合并成為軌道ATK公司)，利用“天鵝”號飛船在2013-2016年間分8次將20噸貨物運送至國際空間站,。

    SpaceX公司近期因嘗試回收火箭而頻頻吸引眼球,，他們研制的“龍”飛船高約6.1米、直徑約3.7米,，分載貨和載人兩種形式,。它最多能向上運送6噸貨物，運回3噸貨物,。而載人的“龍”飛船,，每次飛行可以運載7名航天員?！褒垺憋w船可重復(fù)使用10次,，所以能大大降低天地往返的運輸成本。

    2010年12月8日,，SpaceX公司利用“獵鷹9號”火箭,，將“龍”飛船發(fā)射進入低地球軌道。在軌道運行后,，“龍”飛船又重新進入大氣層,，降落在目標(biāo)海域。其發(fā)射和再入的成功,，標(biāo)志著一家小型航天商業(yè)公司第一次成功回收從低軌道再入的航天器,。在此之后，“龍”飛船在2011年又飛了兩次,，并成功與國際空間站進行無人對接,。

    軌道科學(xué)公司在2013年4月由“安塔瑞斯”號火箭成功發(fā)射了“天鵝”號飛船，搭載了和飛船等重的3.8噸載荷,。這一發(fā)射成功,，證明了又一家私企具備了航天運載能力。

    NASA局長博爾登表示:“NASA計劃利用美國企業(yè)的創(chuàng)造性到達近地軌道,，從而使NASA可以將資源集中用于深空探測,。從這個角度看，和這些企業(yè)簽訂合同,，無疑是重要的里程碑,。”

    2014年10月,，“安塔瑞斯”號火箭在發(fā)射飛船時爆炸,，使得這項計劃暫停。2015年12月,，“天鵝”號飛船改用“阿特拉斯5”號火箭發(fā)射,，再次成功完成給國際空間站的運貨任務(wù),。2015年6月，SpaceX公司的“獵鷹9號”火箭在發(fā)射“龍”飛船時也發(fā)生爆炸,。由此可見,，美國的商業(yè)航天并非一帆風(fēng)順，但這些事故沒有阻擋美國商業(yè)航天前進的步伐,，同時也提供了深刻的教訓(xùn):發(fā)展中既要重視創(chuàng)新,，又要重視安全性。

    隨著NASA將重心轉(zhuǎn)移到更具挑戰(zhàn)性的載人火星探索,，私企將接過把航天員和相關(guān)貨物送到國際空間站的接力棒,。2011年4月18日，NASA宣布了“第二輪商業(yè)乘員開發(fā)項目(CCDev2)”,，旨在幫助美國私企研制出可替代航天飛機的天地往返運輸系統(tǒng),。波音公司的CTS-100飛船(后更名為“星際客機”)、內(nèi)華達山脈公司的“追夢者”航天飛機,、SpaceX公司的“龍”飛船和藍色起源公司的垂直起降方案,，分別獲得了數(shù)額不同的資助。

    2014年9月16日,，波音,、SpaceX兩家公司與NASA簽署協(xié)議，分別獲得42億美元和26億美元的合同,。在通過飛行認(rèn)證后,，每家公司將自2017年起，各自承擔(dān)2-6次飛往國際空間站的載人運輸任務(wù),。不難預(yù)測，若內(nèi)華達山脈公司能順利完成“追夢者”航天飛機的運貨任務(wù),，也將會加入到載人任務(wù)的競爭中來,。從這里，我們就不難理解博爾登認(rèn)為這次“追夢者”貨船的中標(biāo),，是美國商業(yè)航天的又一個里程碑,。

    這些年來，美國除了出現(xiàn)上述商業(yè)航天公司之外,，還出現(xiàn)了許多發(fā)展商業(yè)空間站,、太空旅游和火星探索的私營公司。美國的商業(yè)載人航天項目既取得了驚人的成效,，也發(fā)生了重大事故,。美國采用政府與市場雙輪驅(qū)動太空探索的政策和提供的經(jīng)驗教訓(xùn)，必將對世界航天事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響,。

    作者簡介:黃志澄,，空氣動力學(xué)家,、航天技術(shù)專家，長期從事空氣動力學(xué),、航天發(fā)展戰(zhàn)略研究,，為我國大型試驗基地建設(shè)、載人航天方案論證,、新型航天器研制,，作出了重要貢獻。著作有《高超聲速飛行器空氣動力學(xué)》,、《航天科技與社會第四次浪潮》,、《空天大視野》等。