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 [转帖]中国现在需要自己的亚轨道载人飞船吗？
航天固体运载火箭有限公司 施发树
引言
“飞船一号（SpaceShipOne）”首次载人飞行成功
2004年6月21日（当地时间清晨6：30），美国一架名为“飞船一号（SpaceShipOne）”的太空船成功地从机场跑道水平起飞，经过一段时间飞行后冲到了地球大气层和空间的边缘地带（离地100km左右高度），飞行速度降到零，由于飞船关闭了动力系统后处在一个近似真空的环境之下，所以飞船内的驾驶员马克·麦利维尔(Mike Melvill)处于失重状况。当时，麦克打开了一包巧克力豆，观察它们的自由飘浮状况后说“真酷”，并用了“叹为观止”来形容从高空观看到的地球的颜色和曲线。飞船在4、5分钟真空状态下的惯性上升继而自由落体运动之后，再次进入大气层，并成功地降落在“莫哈韦”机场的跑道上，整个飞行过程持续了90分钟。
这件事在美国引起了很大轰动，美国媒体进行了广泛的报道，成千上万的空间科学爱好者和专业人士、政府官员一窝蜂似地涌向了“莫哈韦”机场争睹“飞船一号”的发射盛况。我国的中央电视台也进行了新闻报道和新闻评论。
“飞船一号”系统是由美国有鳞合成物公司（Scaled Composites Inc.）研制的。“飞船一号”挂在一架装有涡轮喷气式发动机的名叫“白色武士(White Knight)”的飞机腹部下面，由飞机飞到15km高度后释放，然后滑行一段时间点燃混合推进系统的火箭发动机，80秒后，飞船垂直上升速度接近933m/s(马赫3左右)。飞船在拉起（84º倾角）和爬升过程中飞行员所受的过载为3～4倍的地球引力加速度。
美国有人认为这象当年查尔斯·林登博格（Charles Lindbergh）横渡大西洋，甚至象莱特兄弟首次飞行一样具有里程碑意义。飞船研制者伯特·鲁坦（Burt Rutan）与飞船的投资商阿伦（Paul G. Allen）说：“这是完整的载人计划的开始，所花的成本仅是政府进行纸面研究的一部分”，据说阿伦已经投资了2，000多万美元。鲁坦预测今后10～15年内，亚轨道飞行价格可以被部分普通人承受，乘第一代飞行器的旅客估计花费为30，000～50，000美元，第二代的花费将降到10，000～12，000美元。他预测未来25年将是变革的时代，受益的将是每个人。
不同于以往的轨道飞船，“飞船一号”属于亚轨道飞船，所谓亚轨道载人飞船是指飞行器靠自身动力上升到离地100km左右高度后不入轨而返回地球的载人飞船。准确地说，全轨道载人飞船入轨时的速度为该轨道高度下的第一宇宙速度（近地轨道约为7.79km/s），而亚轨道载人飞船经过一段无动力滑行后到达100km高度时的速度为零，亚轨道载人飞船运载器的能量全部转化为飞船的势能，然后飞船在地球引力作用下下落到地球，而轨道飞船再入轨前需要进行轨道制动减速飞行，但是减速后的速度仍然很大，所以再入时的气动加热问题更为严重。
亚轨道飞船的旅游市场和价格
亚轨道载人飞船运载器的体积较小，重量较轻，所消耗的能量较低，目的地到达时间较短，载人生命安全保障和着陆控制系统较简单，而且可以多次重复使用，从而发射使用成本较低，而轨道载人飞船却相反，因此成本很高。例如，美国富翁丹尼斯·蒂托（Dennis Tito）和南非商人马克·沙特尔沃思（ Mike Shuttleworth）分别在2001年和2002年乘坐联盟号飞船游太空，其费用可能在1，200～1，500万美元。继蒂托和沙特尔沃思之后，第三位太空游客——58岁的美国公司总裁格雷戈里·奥尔森已经与俄罗斯航天局签署了进行太空旅游的初步合同，将于2005年4月乘“联盟号”飞船到国际空间站体验太空生活，作为一名科学家他希望用自己的行动重新唤起年轻人对科学和工程的兴趣。
1961年4月12日，前苏联成功发射并回收了世界第一艘入轨载人飞船“东方一号”，尤里·加加林少校成为世界上第一位上天的航天员。当年5月5日，美国发射“水星（MR3）”飞船进行首次载人亚轨道飞行，航天员艾伦·B·谢泼德(Alan B. Shepard)成为美国第一位进行亚轨道飞行的人，历时15分22秒(其中失重5分4秒)。时间已经过去了40多年，载人空间飞行已不再是什么新奇的事物，“飞船一号”再次引起全世界关注，主要原因为它是世界上第一艘完全由私人而不是靠政府投资建造的载人飞船，对空间旅游业的影响将十分深远，有可能带来新一轮的空间飞行竞争和投资热潮，为“飞船一号”研制火箭发动机的SpaceDev公司股票在发射之前也一度飞涨。
目前空间旅游业市场方兴未艾。美国空间冒险公司（Space Adventures Ltd.）对100名至少交付了10，000美元定金（最终花销可能是102，000美元）的客户进行了调查，结果约70%的客户表示愿意乘坐“飞船一号”上天。
总之，在“飞船一号”风光无限的背后，我们看到了商业载人空间飞行业的发展和兴起，看到了太空冒险市场的容量和前景，看到了美国政府和工业界、投资商共同为私营公司、社会和大学等投身航天事业所做出的努力。商业载人航天市场是一块大蛋糕，但是航天高技术、高投入和高风险始终是一个个门槛，如何将有限的资源包括技术、资金、人力、物力集中并合理的配置使用，特别是通过市场机制如何做大做强和实现高效率和低消耗的目标，政府部门应该并且可以发挥不可替代的作用。特别不要忘记的是一些具有非凡的眼力、决心、义务和勇气的人们在推进航天技术商业化、优化利用资源等方面所付出的艰辛和促进作用，他们的名字和功劳也将永载史册。
由“飞船一号”引起的关于航天技术和管理问题的思考
首次载人飞行已经过去了四十多年，“飞船一号”也不会马上载客飞行，但是商业载人航天的步伐肯定会加快了，中国普通人梦想的“万户飞天，嫦娥奔月”也在一步步的实现，特别是2004年10月15日“神舟五号”飞船成功飞行大大激发了人们的民族自豪感和从航天大国向航天强国进军的豪情壮志，并为成千上万的中国青少年甚至中老年人开启了飞天梦的大门。
但是作为世界上第三个将自己的航天员送上太空的国家，中国不能置身于“联盟号”、航天飞机和“飞船一号”等载人飞行市场的竞争之外，不能将如此大的产业和市场忽略。但是我们在商业载人市场、技术、行政管理和思想观念等方面仍然存在许多的障碍和问题，首先要做的是继续大力宣传航天事业、航天科技和航天英雄，在全社会提倡追求科学进步，追求创新、探索和发现的科学冒险精神，其次在航天事业上要加大投入，加大科学行政管理力度，充分发挥市场对资源高效合理的调节作用，大力改革与市场经济不相适应的地方。
像美国这样一个航天强国在开发商业载人飞行技术方面也存在管理问题，比如政府花费大量的人力、物力，大兴一些技术研发项目然后又匆匆下马，看起来就像是计划经济模式的翻版，所以美国工业界也时常发出抱怨声：一边是资本主义，一边是政府单边的计划经济。在一个市场经济高度发达的国家，政府理应既集中又公平竞争地利用国家资源，追求资源利用的高效益和高回报，在鼓励和保护自由竞争方面适当的平衡，最终目标是保持市场经济下的国力，包括创新和竞争力等要素的繁荣和发展。
从载人航天技术角度讲，它仍然是充满风险和挑战的，追求像客机一样可重复使用、低成本并可跨大气层飞行的载人航天器技术是最大的挑战。亚轨道载人飞船虽然技术难度相对减少，但是要想到达大气层的边缘高度并可重复使用仍然需要解决很多复杂的多学科技术融合问题。
在大气层内利用空气的压力和速度产生升力和推进力的航空器目前最高飞行高度不超过40km。例如，1976年7月27日和28日美国高空高速侦察机SR—71A飞机连续创造了三项世界绝对纪录，1977年8月31日，前苏联人A.费多托夫架驾驶E—266M(米格25)飞机创造了飞行高度37，650m的世界绝对纪录。原因主要是吸气式发动机包括涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气式发动机和冲压式发动机等的稳定工作和能量利用效率各有高度和速度范围。
冲压发动机是高速飞行中能量效率较高的发动机，可能在未来可重复使用并在跨大气层飞行器上发挥主要作用，但是仍需要解决低速起飞段、主要中间段和真空段动力的合理组合、在宽广的高度和速度下起动与稳定工作以及高速和再入大气层时的气动加热等，目前采用吸气式/火箭组合发动机是一种比较看好的选择，它利用了吸气式发动机和火箭发动机各自的优势。吸气式发动机在宽广的大气层内利用氧气燃烧可以直接减轻起飞重量，发动机寿命也较长，而火箭发动机可以发挥加速快，自带推进剂动力稳定不受周围大气变化影响的优势。
总之，在载人飞船的动力系统选择和组合设计上仍然要依赖火箭发动机或吸气式/火箭组合发动机，前者相对技术成熟，主要是解决飞行可靠性和安全性，而后者是目前世界各国正在努力突破可重复使用运载器（RLV）的一个关键技术，尚待时日。
除了上述动力系统之外，另一个重要的技术是飞船总体设计技术。考虑到起飞/着陆方式、动力系统选择、级数、再入回收方式等因素，飞船的总体设计方案可以多种多样，但是在经费、技术成熟度、可靠性和安全性、周期、乘客数或有效载荷定义、其它用途等等约束条件之下，经过一定程度优化的方案就相当有限了，需要经过合理的市场和用户目标定位、技术经济性分析和发展阶段规划，做到统筹分析、有限目标和分布实施。
美国是头号航空航天技术强国，其载人飞船技术相当完整，完全覆盖了轨道飞船、火箭飞机、航天飞机、单级入轨类完全可重复使用运载器（RLV）和轨道飞机（OSP）等载人航天器研究领域，因此有必要从技术角度重点回溯一下美国的载人飞船发展历史和现状，相信对我国亚轨道飞船的起步和发展大有裨益。
1.载人航天器（或飞船）的研发历史、现状和发展趋势概述
冷战时代从弹道太空舱式轨道载人飞船起步
从前苏联到俄罗斯时期，共开发了“东方”、“上升”和“联盟”（图2）三种宇宙飞船，“联盟TM”是第三代飞船的第二种改进型，也称作第五代飞船，到今天，俄罗斯已经共发射一百多次，可以说其飞船的技术是十分稳定和先进的。美国从上个世纪60年代为了登月工程先后开发了“水星”、“双子星座”和“阿波罗”飞船。中国后来居上跨越式发展，一步过渡到第三代飞船技术，在2003年10月15日实现了“神舟五号”飞船的首次载人飞行，取得了惊人的历史性突破。这些飞船系统的共同点是将运载火箭和飞船分离，飞船作为运载火箭的有效载荷，根据这些载人飞船的结构特点和回收方式可以称之为弹道太空舱式（或太空舱式）飞船。
太空舱式飞船一般由服务舱、乘员舱和生活舱串接而成，各舱段一般是圆柱形结构。回收舱（或乘员舱）设计成独特的钝锥形气动外形，利用降落伞和缓冲发动机实现在地球的海洋降落和陆地上的软着陆，乘员舱最多能乘三名宇航员；服务舱（或推进舱）含推进系统以便返回前实现返回舱的调姿和制动减速，并且在飞船上升过程中出现故障紧急着陆时具备一定的机动能力；轨道舱是宇航员工作生活的地方。
在上世纪80年代美国航天飞机没有投入使用以前，太空舱式飞船是唯一的空间载人和载货运输系统，实践证明它们仍是今天除航天飞机之外的非常有效的运输工具，在载人飞行、天空实验室、空间站和星际探索中发挥了巨大而且不可替代的作用。太空舱式飞船技术的发展为载人航天器的设计奠定了一套行之有效的设计标准，也为亚轨道载人飞船的设计和使用打下了很好的技术基础。
这些飞船系统是世界上最精密而又复杂的系统，但是运载火箭和飞船体积大，重量沉，地面发射设施和着陆保障系统复杂，费用昂贵，不适宜商业载人飞行，只能是少数有钱人的专利。
从火箭飞机到部分可重复使用的航天飞机
上世纪70年代，为了降低发射成本，美国转向研制并发射用途广泛的航天运输系统——航天飞机，其轨道器可以重复使用100次。当时由于单级入轨飞行器（SSTO）技术并不成熟，航天飞机被设计成一级半总体方案、部分可重复使用的运载器，该设计方案与其它方案竞争以研制成本较低而中标。这种能自主着陆的翼身组合体设计，被称为升力体式，与前文所说的太空舱式分属两种不同的载人航天器设计方案，二者的技术对于亚轨道载人飞船的设计将具有重要影响。
实际上，航天飞机的轨道器是一种火箭飞机，包括美国著名的代号为X的技术验证机家族中的X-33、小型亚轨道运载器X-34和高超音速试验器X-43、X-43A、X-43B、X-43C等，它们都是利用火箭或吸气冲压火箭组合式发动机为其提供推进动力。
早期的火箭飞机为未来太空舱式和升力体式飞船的设计和应用做出了重要的贡献和必要的技术准备。例如，1947年10月14日，美国人C.E.耶格尔驾驶X—1火箭动力试验机首次超过音速；1963年美国人J.A.沃尔克驾驶X—15研究机飞到108km高度；1967年10月3日美国人W.J.奈特成为驾驶飞机飞得最快的人，他驾驶X—15A—2研究机飞行速度达到了7279km/h（Mach 6左右）。上世纪50年代—60年代的X-15火箭飞机在研究高超音速、等价空间飞行和再入飞行方面是佼佼者，为后续技术试验飞机的设计和飞行探索积累了大量的经验。
X—15飞行研究项目（图3）在1954年正式获得批准时的研制目标范围主要包括：气动加热、速度、高度、稳定性与控制以及太空医学。美国早期的空间计划很大程度上是建立在无人驾驶导弹技术基础上的，1958年10月7日，美国宇航局正式批准“水星号”飞船工程，这是美国宇航局1958年10月1日成立后作出的第一个重大决策。X—15飞行研究项目与“水星号”飞船工程代表了共同致力解决空间载人飞行某些问题的两个途径。当时，X-15的姿态控制首次成功采用了单组元分解推进剂的小火箭发动机，后来该技术在“水星号”飞船上也得到应用。可以说，水星号展示了人类在空间有效活动的能力，而X—15表明人类获得了在大气层和空间边缘控制高性能飞行器的能力，特别是演示了在有升力情况下航天器的再入技术。
从1954年2月起到1964年10月止，X—15经历了120次飞行，4800km/h以上的飞行累计有2小时。X—15不仅使有人驾驶飞行器的速度翻了一番，而且开辟了不入轨进入空间的道路，极大地推进了人类对于地球周围大气层（107.2km高度内占到所有大气的99.999%）内高超音速升力体式飞行器空气动力学的了解。
在航天飞机（图4）使用过程中，美国发现并没有达到当初的设计目标，特别是没有兼顾美国军用、民用和商业航天器的发射需求。1986年1月28日，“挑战者”号航天飞机爆炸在美国人心头留下了永远的痛，也令其从此在商业卫星发射市场上失去了很大的国外份额。事隔17年后2003年美国东部时间2月1日上午9时，“哥伦比亚”号航天飞机在返航过程中再次爆炸坠毁，这件事再次促进了NASA研制轨道空天飞机（OSP）以替代航天飞机的计划实施。2004年1月，美国总统布什正式宣布了“新空间探索计划展望”，其中明确提出航天飞机将在2010年也就是其服役30年期满后退役的决定。
航天飞机是上个世纪最伟大的航天科技杰作之一。到2000年10月，航天飞机共进行了100次飞行，只失败了1次，成功率达到99%，是世界上安全可靠性最高的航天运输器。航天飞机能完成各种任务，包括在轨组装、释放、维修和回收卫星等，但其技术属于“阿波罗”年代的技术，存在着包括技术复杂、需要驾驶员维护和操作、每次发射后都要进行检修、发射费用过高（5亿美元/次）等问题，因此从技术经济性角度分析，航天飞机不能算是十分的成功。
[此贴子已经被作者于2004-11-27 16:14:10编辑过] |
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