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。“新面孔”內(nèi)華達山脈公司憑借什么法寶競標成功? 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
“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?！?div style="height:15px;">
——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”中標的關鍵，在于它采用的是NASA多年積累的技術?！白穳粽摺钡脑O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(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?？亢团c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次飛行的重復使用，特別是它還具有應急及時運送關鍵貨物的能力。
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、進入可重復使用階段的重要標志和創(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，共運送貨物1360余噸，把600多人次航天員送入太空。
美國在設計航天飛機時，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，而且在地面周轉(zhuǎn)的時間太長，導致整個飛行計劃缺乏靈活性。更嚴重的后果是，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?！案鐐惐葋啞碧柕谋?，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，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，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。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)，恢復美國向國際空間站的運載能力。
隨著航天基本技術的成熟，各世界航天大國除了繼續(xù)關注太空安全外，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 (COTS) 項目”，旨在為國際空間站運送貨物。經(jīng)過招標，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，降落在目標海域。其發(fā)射和再入的成功，標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?！?div style="height:15px;">
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。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: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。在通過飛行認證后，每家公司將自2017年起，各自承擔2-6次飛往國際空間站的載人運輸任務。不難預測，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，也將會加入到載人任務的競爭中來。從這里，我們就不難理解博爾登認為這次“追夢者”貨船的中標，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，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，空氣動力學家、航天技術專家，長期從事空氣動力學、航天發(fā)展戰(zhàn)略研究，為我國大型試驗基地建設、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》、《航天科技與社會第四次浪潮》、《空天大視野》等。
