國外兩型亞軌道旅游方案對比分析

劉琳 （北京宇航系統工程研究所）

2021年7月11日，英國維珍銀河（Virgin Galactic）公司研制的太空船―2（Space Ship Two）亞軌道空天飛機從位于美國新墨西哥州的航天港起飛，使其創始人理查德·布蘭森“觸及”距離地面89km的太空邊緣。2021年7月20日，美國藍色起源公司（Blue Origin）研制的“新謝潑德”（New Shepard）飛船從美國得克薩斯州西部的1號發射場升空，將其創始人杰夫·貝索斯“送達”距離地面107km的太空邊緣。此后，兩家商業航天公司的“卡門線角逐”正式拉開帷幕。

1 技術層面

X―15高超聲速飛行器與太空船系列

20世紀50年代，美國開始進行X-15高超聲速飛行器試驗驗證，采用B-52轟炸機攜帶至高空投放的方式，B-52轟炸機的投放高度13.7km，投放速度為馬赫數0.74，經空投分離后的X-15高超聲速飛行器的最大飛行速度達到馬赫數6.7，最高飛行高度108km。X-15飛行器歷時10年研制，共完成199次飛行試驗。從發射模式上看，太空船-2搭載白衣騎士-2（White Knight Two）載機，在距離地面15km高度處實施空投分離，這種機載發射方案與利用B-52轟炸機空中發射X-15高超聲速飛行器是一脈相承的。

在氣動布局設計、動力系統選擇等技術方案上，太空船-2是以2004年斬獲“安薩里X獎”的縮尺復合體公司（Scaled Composites）研制的太空船-1為模型進行設計的。2004年6月，太空船-1搭載白衣騎士-1雙體噴氣式飛機從加州莫哈維（Mojave）沙漠起飛，飛達距離地面111km的太空，成功突破X-15飛行器創造的108km飛行高度紀錄，轟動了全世界。太空船-2在太空船-1的基礎上，繼承了混合式火箭發動機動力系統以及可以傾斜的羽狀再入系統，并顯著增加艙內空間和成員數量，提升了推重比與最大飛行高度等性能指標。

太空船-2采用的獨特的、傾斜旋轉的雙尾翼外形，設計師魯坦稱其靈感來源于羽毛球，因此稱為“羽狀再入系統”。太空船-2起飛時采用順翼模式，首先在15km高空與白衣騎士-2載機分離，之后在引擎作用下繼續爬升，當飛行速度達到馬赫數為3.3時，引擎關閉，太空船-2在慣性作用下繼續爬升直至達到軌跡最高點89.9km，隨即開始下降，當速度達到約78m/s時，羽狀再入系統旋轉至約65°，以增加迎風面積實現飛行器減速，當下落速度達到馬赫數1.4時，飛行員會將尾翼再次調整為順翼狀態，通過滑翔模式減緩下降速度，最后完成在預定機場跑道的無動力進場著陸。

太空船―1與太空船―2的對比

X―15飛行器和太空船―2的對比

白衣騎士―2搭載太空船―2

由此可知，太空船-2在發射方式上繼承了美國在20世紀50年代開始的X-15高超聲速飛行項目的研制成果，而飛船本身的技術方案則是以21世紀初斬獲大獎的新型飛行器為設計原型，并從更利于亞軌道旅游的角度，對系統能力進行提升。

“水星”飛船與“新謝潑德”乘員艙

1958年10月，美國開始“水星”（Mercury）飛船的研制。“水星”飛船的部段從上至下分別為逃逸塔、圓柱形傘艙以及圓臺形單人密封座艙，底部裝有制動火箭和著陸緩沖氣囊。“水星”飛船總高2.9m，底端直徑1.89m，頂部直徑0.5m，單人密封座艙可利用容積1.02m，設有一個舷窗以及一個凸出艙體表面的潛望鏡，用于航天員觀察空間景象。飛船采用自動控制與人工控制相結合的方式，飛船再入時，航天員通過手動調整飛船再入軌跡并選擇著陸點，實施飛船的海面著陸。1961年5月5日，艾倫·謝潑德乘坐水星-3飛船，從美國卡納維拉爾角發射場起飛升空，達到飛行高度186km，成為第一個“觸及”太空的美國人—他的名字也成為全球首富杰夫·貝索斯在2000年創立的藍色起源公司的“新謝潑德”飛船名字的由來。

“新謝潑德”火箭的研制目標是開展商業飛行，將商業旅客運送到超過地球表面100km的高度，以體驗太空飛行。“新謝潑德”火箭由乘員艙和助推器組成。其中，“新謝潑德”乘員艙采用鈍頭旋成體外形，寬度3.8m，艙體外部配置環形翼、減速板以及可折疊的垂直翼等，艙內容積15m，可以容納6名成員，設有大面積舷窗用于觀賞空間景象，艙內正中間設有逃逸固體發動機，用于在任意高度啟動乘員艙逃逸程序。飛船全程采用自動控制程序，無需人員參與。

由此可知，“新謝潑德”乘員艙不僅在名稱上來源于“水星”飛船的航天員的姓氏，技術方案上也與“水星”飛船近似，延續了單艙形載人飛船的氣動外形、并繼承了彈道式垂直起降的主要方案。同時，經過近50年的發展，“新謝潑德”飛船在艙體容積、逃逸系統設計、著陸緩沖方案、姿態控制方法等方面都進一步改進。

“水星”飛船與“新謝潑德”乘員艙對比

“水星”飛船

“新謝潑德”乘員艙

綜上，太空船-2采用了X-15高超聲速飛行器的空基發射方式，但是在其他技術途徑上更加“非傳統”，外形像一條插著搖擺雙翼且體態豐滿的魚，羽狀再入系統的設計也頗為夢幻，起飛降落的方式更像是日常通勤的航班（還配有飛行員），座艙的設計更是可圈可點。“新謝潑德”飛船的創意來源于“水星”，嚴格地傳承了鈍頭圓錐外形和垂直起降方案，為了最大限度地確保載人飛船的可靠性和安全性，設計方案低調且保守，具有典型的“貝索斯”風格。然而實踐證明，無論是傳統還是非傳統、典型還是非典型，兩種技術途徑都獲得了成功。正如諺語所說的“條條大路通羅馬”。

2 觀光體驗

太空船-2的客艙空間設計可圈可點。客艙整體是潛水艇外形，內部由座椅、顯示屏、攝像系統、艙壁、觀光舷窗以及艙內光照系統等組成。客艙內共設有6個座椅，使用鋁和碳纖維材料制造，并與艙壁的懸臂結構固連，座椅具備調節功能，當太空船-2進入零重力飛行段以及再入返回段時，座椅將調節為后傾狀態，以確保乘客進行失重體驗時獲得更大的活動空間，并在再入過程中減輕飛行過載帶來的不適。顯示屏安裝于座椅椅背上，可以提供實時飛行速度、飛行時間等信息。艙內共安裝有16個攝像機和1面圓形鏡子，用于無死角地記錄整個飛行過程，而客艙后部的大面積圓鏡可以讓乘客看到自己失重時“自由漂浮”的身體姿態。艙壁采用泡沫材質的蜂巢結構，在確保乘客失重狀態安全性的同時，兼顧艙內的溫度環境與聲學效果調節。客艙內共有17扇觀光舷窗，分布于艙壁、艙頂的不同位置，使乘客可以在任意位置欣賞太空美景，觀光舷窗配有凸起的圓形軟環，便于乘客輕松抓握以及在艙內自由“攀爬”。非常獨具匠心的是，艙內光照系統在飛行的各個階段能夠呈現不同的效果：在登機準備和空中分離階段使用冷色調，和藍青色的座椅渾然一體，在引擎推進階段使用暖色調，在進入太空后會完全關閉切換至光亮的地球背景。

“新謝潑德”乘員艙空間設計中規中矩。客艙整體像個鄉村的谷倉，矮胖而原始。客艙內部空間約15m，艙壁為白色，共設有6個靠窗的座位，座位上配有麥克風、控制開關和可視面板，用來和地面人員進行溝通。乘員艙的舷窗是目前全世界范圍內進入太空的最大觀光舷窗，高度達到109cm,寬度達到73cm，可以投射92%的可見光，觀光舷窗的總面積占到太空艙表面積的三分之一。乘員艙設有環境控制系統，用于確保艙內的溫濕度條件，并防止舷窗起霧。與眾不同的是，在達到太空邊緣時，乘員艙會以緩慢的速度進行旋轉，從而讓乘客獲得360°的全向觀光視野。

“新謝潑德”乘員艙內部空間

太空船-2的內部空間

太空船―2與“新謝潑德”乘員艙的對比

綜上，太空船-2的飛行時間更長，從起飛到降落約2h，是“新謝潑德”飛行時長的12倍；然而，“新謝潑德”乘員艙擁有全球最大的太空觀光舷窗，單個觀光舷窗的面積是太空船-2觀光舷窗的5.48倍；太空船-2的票價似乎更低，目前的官網報價是45萬美元，而“新謝潑德”的座位價格在最近一次拍賣會上的中標價格是2800萬美元；然而，“新謝潑德”飛行高度可以更高，達到107km，與太空船-2相比約超出17km。看來，兩家公司所提供的太空之旅體驗也是各有千秋。

3 小結

到達太空邊緣是多么“嘆為觀止”！目前全球有此經歷的不超過600人。為了獲得這驚鴻一瞥，藍色起源公司和維珍銀河公司都付出了十余年的努力。作為見證者，我們很幸運地身處在“平民”也能參與亞軌道太空旅行的時代，更加幸運的是，在同一時間可以看到兩種截然不同、并都獲得成功驗證的訪問太空的技術途徑。作為旅行者，你甚至可以根據自己的喜好進行選擇：如果你想多飛一會兒，就選太空船-2，如果你想飛得更高，就選“新謝潑德”，如果你想省點錢，就選太空船-2，如果你喜歡全景天窗，就選“新謝潑德”。截至2022年3月，維珍銀河公司開放了面向公眾的商業旅行預訂，而“新謝潑德”正在致力于完成第4次載人太空任務，兩家公司都在為最終贏得“卡門線角逐”而不懈努力。期待有一天，我們也可以把太空旅行加入到年假計劃里，去太空邊緣感受那深邃的黑暗、地球絢爛的弧線、消失殆盡的重力、薄如蟬翼的大氣，以及令人窒息的靜默。