商业载人亚轨道飞行器发展现状与趋势分析

王开强 张柏楠

(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094)

载人太空观光一直是人类的梦想。长期以来，载人近地轨道飞行器的研发难度很高，飞行任务实施过程复杂，成本高昂，并且对航天员的身体素质要求严，其飞行前需要经受长期的严格训练才具备上天飞行的条件。这些都大大限制了载人太空观光的发展。基于这样的背景，国外有一些公司瞄准了载人亚轨道飞行领域。

亚轨道飞行是指最大飞行高度达到100 km的飞行任务类型。100 km被广泛认为是外层空间与地球大气的分界线，位于该高度上的乘客仍然可以观赏到地球的全貌并体验失重飞行[1]。相比于载人航天器，亚轨道飞行器无须达到第一宇宙速度，其最大飞行速度仅需要1000 m/s左右即可完成亚轨道飞行[2-3]，此时再入飞行的气动力、热环境相较载人航天器都得到了大幅改善。这些都大大降低了载人亚轨道飞行器的研发难度和成本。截止目前，亚轨道飞行器的研发和试飞均已取得了长足发展，不同商业公司的发展思路各具特色，载人亚轨道飞行器具有代表性的主要有美国缩尺复合体公司(Scaled Composites)与英国维珍银河公司联合研制的“太空船”(SpaceShip)[2-3]、美国蓝色起源公司的“新谢泼德”(New Shepard)[4]、美国XCOR公司的“山猫”(Lynx)[5]、瑞士空间系统公司的“亚轨道飞机可复用”(SOAR)飞行器[6-7]等。其中，“太空船”和“新谢泼德”飞行器已成功开展了多次亚轨道飞行试验，并基本具备了提供商业亚轨道旅行观光服务的能力。

基于以上发展背景，本文对上述4家国外商业公司的载人亚轨道飞行器发展现状进行调研和综述，对关于亚轨道飞行器的总体技术特点、发展思路进行了分析和比较，并对其目前呈现出来的发展趋势进行了论述，得出了我国发展商业亚轨道飞行器的若干启示和建议。

1 商业载人亚轨道飞行器发展现状综述

目前，国外已有一些公司提出了明确的商业亚轨道飞行器计划，部分公司在飞行器研发和试验试飞上面已取得了较大突破和进展。

1.1 SpaceShip亚轨道飞行器

1.1.1 飞行器系统概况

SpaceShip亚轨道飞行器由美国缩尺复合体公司研制，先后研发了SpaceShip-1和SpaceShip-2两种型号升力式亚轨道飞行器(见图1)及相应的“白色骑士”载机。SpaceShip-2研制和飞行试验期间，英国维珍银河公司(Virgin Galactic)也加入了整个项目，主要负责商业亚轨道旅行业务的运营，同时也参与了飞行器的研制和飞行试验。亚轨道旅行的单次票价在SpaceShip-1时期为10万美元/人[2]，SpaceShip-2则为25万美元/人[3]。

两种型号SpaceShip亚轨道飞行器的主要参数性能对比见表1。SpaceShip-1机长5 m，翼展5 m，座舱直径1.52 m，总质量为3.6 t，干质量为1.2 t，采用火箭发动机，可承载3名乘员(包括一名驾驶员)，其由白色骑士-1飞机运送至约15 km的高空进行空中投放发射。SpaceShip-1的最高飞行马赫数可达3，最大飞行高度超过100 km。SpaceShip-2与前者相比，主要提升了舱内空间和乘员数量，推重比和最大飞行速度也有所提升。其机长18 m，翼展8.2 m，座舱直径为2.3 m，可承载8人，包含2名驾驶员和6名乘客。最大飞行高度与前者相当，最大飞行马赫数约提升至3.7，其由白色骑士-2飞机在约15 km的高度进行空中投放发射。两型SpaceShip均采用端羟基聚丁二烯/一氧化二氮(HTPB/N2O)固液混合火箭发动机。

图1 SpaceShip亚轨道飞行器Fig.1 SpaceShip suborbital vehicles

表1 两型SpaceShip主要参数性能对比

1.1.2 飞行方案

SpaceShip的飞行方案如图2所示。“白色骑士”载机[8-9]腹部挂载SpaceShip在地面跑道上水平起飞，达到约15 km的高度后释放SpaceShip(如图3所示)，后者随后开启自身的火箭发动机进行爬升，而“白色骑士”载机则返回机场降落。SpaceShip在爬升过程中，发动机燃尽后关机，此后开始经历约5 min的失重环境，并继续上升滑行至约110 km的轨迹最高点，此时SpaceShip将尾翼由水平状态调整为竖直状态，并开始再入返回飞行。飞行高度降至21.5 km后，SpaceShip的尾翼复位为水平状态，并开始螺旋飞行以调整飞行器的能量状态，达到无动力进场着陆入口条件后，开始最终的无动力进场着陆滑翔飞行，直至在预定的机场跑道上水平着陆。值得说明的是，再入过程中SpaceShip尾翼旋转至竖直状态旨在增加气动阻力，从而增强再入过程的减速效应。

图2 SpaceShip飞行方案Fig.2 Flight scheme of SpaceShip

图3 “白色骑士”载机释放SpaceShipFig.3 Release of SpaceShip from the White Knight carrier aircraft

1.1.3 项目进展

截至目前，SpaceShip-1共经历了17次飞行试验[2]，其于2004年6月21日完成了首次亚轨道飞行，最大高度为100 km，最大马赫数达到2.9，总飞行时长为24 min。2004年10月4日，SpaceShip-1完成了最后一次飞行，最大高度达到112 km，最大马赫数达到3.09。其随后退役，现于美国华盛顿的国家航空航天博物馆存放和展览。

SpaceShip-2则于2010年完成研制并开始进行飞行试验[3]。2014年10月31日，SpaceShip-2在分离后的有动力爬升过程中，由于副驾驶误操作过早使尾翼变为竖直的“减速制动模式”，于分离后几分钟内爆炸，导致一名驾驶员死亡，另一名驾驶员跳伞逃生受重伤[10]。2018年12月13日和2019年2月22日，坠机事故后重新生产的第二艘SpaceShip-2成功实施了两次接近100 km的完整的准亚轨道飞行，飞行高度分别达到83 km和90 km。从目前的试验进展分析，SpaceShip-2飞行器系统已经基本具备完成完整亚轨道飞行的能力，其为游客提供亚轨道太空旅行观光已经为期不远了。

1.2 “新谢泼德”亚轨道飞行器系统

1.2.1 飞行器系统概况

“新谢泼德”(New Shepard)亚轨道飞行器由美国蓝色起源(Blue Origin)公司研发，系统包含助推火箭和乘员舱两部分(见图4)，整个组合体高为18 m，其采用了垂直起降的技术路线[4,11]。New Shepard助推火箭也是世界上第一个返回地面着陆的可重复使用亚轨道火箭。

图4 New Shepard亚轨道飞行器系统Fig.4 New Shepard suborbital vehicle system

New Shepard的助推火箭为单级火箭，为组合体的上升段和自身的着陆段分别提供上升推力和减速与制动推力。其在头部配置了环形翼和可展开的垂直翼以提高再入返回飞行的稳定性；环形翼上设置8块可展开的减速板，用于再入返回飞行期间的气动减速；尾部配备了4个尾翼和4个可伸展着陆腿，前者在上升过程中提高飞行稳定性，并在返回飞行中控制飞行方向趋近于着陆点，后者用于着陆时的缓冲和软着陆。乘员舱则为乘员提供生活环境，内部空间总计15 m3，可搭载6名乘员；配备了逃逸固体火箭发动机，可在任意高度实施分离和逃逸；配备制动火箭用于乘员舱最终的软着陆[12-14]。

New Shepard助推火箭主发动机采用一台Blue Engine-3(BE-3)液氢液氧火箭发动机(见图5)。该发动机推力490 kN，工作时间110 s，节流模式下最小推力为89 kN，采用泵压式进行推进剂供给，循环方式采用分级燃烧循环，将主燃烧室里面的少量燃烧气体引流以驱动涡轮泵。BE-3于2010年初开始研制，于2015年初完成鉴定试验，随后搭载New Shepard飞行器开始飞行试验[12]。

图5 BE-3液氢液氧火箭发动机Fig.5 BE-3 liquid hydrogen and liquid oxygen rocket engine

New Shepard飞行器系统具备达到100 km亚轨道飞行高度的能力，助推火箭和乘员舱均可实现垂直回收和可重复使用。两者由各自携带的飞控计算机进行控制，无地面控制和驾驶员控制系统[12]。

1.2.2 飞行方案

New Shepard的飞行方案如图6所示[12-13]。整个飞行器组合体在地面发射架垂直发射起飞，助推火箭携带乘员舱进行有动力爬升。约110 s后达到40 km高度时，火箭发动机关机，此时马赫数达到最大，超过3。随后组合体进行无动力上升，接近100 km高度之前，乘员舱与助推火箭分离。分离后乘员舱进行无动力滑行，直至达到超过100 km的轨迹最高点，期间助推火箭进行适当轨迹机动，避免飞行轨迹与乘员舱重合而造成碰撞。乘员舱达到轨迹最高点后开始再入返回，进入稠密大气层之后打开降落伞减速，并在着陆前开启着陆制动发动机进行软着陆；而助推火箭发动机再入后则打开减速板进行减速，随后重启主火箭发动机进行减速制动和着陆点控制，在着陆前下放着陆腿，并在火箭发动机的制动和控制下在预定着陆点软着陆(见图7)。

图6 New Shepard飞行方案Fig.6 Flight scheme of New Shepard

图7 New Shepard亚轨道飞行器系统软着陆Fig.7 Soft landing of New Shepard suborbital vehicle system

1.2.3 项目进展

迄今为止，蓝色起源公司已经累计研发了3个状态相同的New Shepard助推火箭和两个乘员舱用于飞行试验，共计进行飞行试验11次[12]。其中，2015年4月29日，New Shepard-1进行了首飞并达到了94 km的高度，随后乘员舱安全返回地面，而助推火箭着陆时坠毁。2015年11月23日，New Shepard-2(2号助推火箭+1号乘员舱)的亚轨道飞行试验获得了圆满成功，乘员舱飞抵至101 km的高度并成功返回着陆，而助推火箭也首次成功实现了返回和着陆，并成为人类历史上第一个抵达太空并成功回收的可重复使用亚轨道火箭。2019年1月23日和5月2日，New Shepard-3(3号助推火箭+2号乘员舱)实施了两次亚轨道飞行试验，均获得圆满成功。完成了上述飞行试验后，蓝色起源公司已计划开展首次载人亚轨道飞行，并将开始销售商业亚轨道飞行的船票，票价在20万～30万美元/人[11-12]。

此外，基于“新谢泼德”亚轨道飞行器系统的研发和试验基础，蓝色起源公司已提出了两级运载火箭新格伦(New Glenn)项目和月球着陆器蓝色月球(Blue Moon)项目的发展计划[4]，可见该公司已经将发展目光从亚轨道拓展到了地球轨道以及更遥远的月面着陆。

1.3 “山猫”亚轨道飞行器

1.3.1 飞行器系统概况

“山猫”(Lynx)亚轨道飞行器由美国XCOR公司研发。XCOR公司成立于1999年，主要研发Lynx亚轨道飞行器提供亚轨道旅行服务和低成本发射服务，同时进行火箭发动机的研发。该公司2008年12月对外宣称，一次亚轨道旅行票价为10万美元/人；2015年7月，该票价增长了50%，达到15万美元/人。遗憾的是，该公司由于经营不善已于2017年宣布破产[5]。

Lynx亚轨道飞行器为单级水平起降亚轨道飞行器(见图8)，机长9 m，翼展7.3 m，可搭载一名驾驶员和乘客共两人。与“太空船”相比，Lynx可以自主从跑道上起飞，无需载机。XCOR公司总共研发了3个型号的Lynx亚轨道飞行器(见表2)。其中Lynx-1为原型样机，还达不到100 km的亚轨道飞行高度；Lynx-2和Lynx-3为正式的亚轨道飞行器，Lynx-3相比Lynx-2的主要改进为：在机背配置了外部载荷舱，可以额外携带和发射650 kg载荷(见图9)。Lynx采用XCOR公司于2011年自主研发的5K18液氧煤油火箭发动机(见图10)，该发动机可提供110 kN～130 kN的推力[15]。

图8 山猫-2亚轨道飞行器Fig.8 Lynx-2 suborbital vehicle

表2 3个型号Lynx亚轨道飞行器性能参数比较

图9 Lynx-3携带并发射载荷Fig.9 Payload carriage and launch from Lynx-3

图10 5K18液氧煤油火箭发动机进行地面试验Fig.10 Ground test of 5K18 liquid oxygen and kerosene rocket engine

1.3.2 飞行方案

Lynx的飞行方案如图11所示，其自身的火箭发动机点火后完成在机长跑道上的滑跑加速和起飞，随后进行有动力爬升飞行。约3 min后，Lynx的火箭发动机燃尽关机，此时马赫数达到最大值2.9。随后开始无动力上升滑行，并开始经历历时4.6 min的失重环境，期间达到103 km高度的轨迹顶点。经过顶点后，Lynx开始再入返回飞行。当高度降低至大气较为稠密时，Lynx开始拉起，此时过载达到最大值4，然后开始进行螺旋飞行以调整飞行器的能量状态。当飞行状态满足无动力进场着陆的条件后，开始最终的进场飞行，直至在起飞的机场跑道上水平降落。

图11 Lynx飞行方案Fig.11 Flight scheme of Lynx

1.3.3 项目进展

XCOR公司仅在2011年3月完成了5K18液氧煤油火箭发动机的研发和测试，随后曾在2014年10月宣称2015年进行Lynx-1原型机的飞行试验，但由于技术原因一直推迟。该公司于2017年11月宣布破产[5,15]。对于公司破产的原因，本文分析认为XCOR公司过度拓展自己的产品线。在Lynx-1飞行器尚未进行飞行试验时，就过早启动Lynx-2甚至Lynx-3的设计研制，与此同时，XCOR公司在并行开展多款液体火箭发动机的研发。这些都大大消耗了XCOR公司的资金和技术资源。但是该公司最终未能集中力量研发出一款能够实现营收的产品，最终的破产命运也因而难以避免。

1.4 SOAR亚轨道飞行器

1.4.1 飞行器系统概况

“亚轨道飞机可复用”(SOAR)飞行器由瑞士空间系统(Swiss Space Systems)公司(简称S3公司)研发。该公司成立于2012年，一直致力于设计研发SOAR亚轨道飞行器，以提供低成本卫星发射服务以及亚轨道商业太空旅行服务。S3的载人SOAR飞行器可以容纳4名乘员和2名驾驶员。其同时宣称SOAR飞行器配合上面级火箭可将250 kg的载荷送入地球轨道，一次发射报价约1千万美元[6]。

SOAR亚轨道飞行器为升力式飞机构型(见图12)，以空客A300客机作为载机采用背部驮载的方式进行搭载[6,16](见图13)。整个系统组成与前文“太空船”飞行器系统十分类似。只不过S3公司的方案倾向于购买成熟的A300客机改装作为载机，以节约研发费用。SOAR亚轨道飞行器采用液体火箭推进，最大飞行马赫数设计约为3。

图12 SOAR亚轨道飞行器Fig.12 SOAR suborbital vehicle

图13 A300客机与SOAR的组合构型Fig.13 Combined configuration of A300 airplane and SOAR

1.4.2 飞行方案

SOAR的飞行方案与SpaceShip类似[17-18]，如图14所示。首先空客A300客机搭载SOAR飞行器从地面跑道滑跑并水平起飞，到达10 km的高度后SOAR从背部与A300分离并开启火箭发动机开始爬升，A300返回地面机场。爬升至约80 km高度后，SOAR发动机燃尽关机，若执行卫星载荷发射任务，则需在此时打开货舱舱门，释放上面级有效载荷，随后上面级火箭发动机点火将有效载荷送入地球轨道；若仅执行亚轨道观光飞行，则SOAR发动机关机后无动力滑行上升至100 km高度的轨迹顶点，随后开始再入返回飞行。当高度下降至约10 km时，SOAR开始进场飞行，直至最后在地面预定机场水平着陆。目前，S3公司暂未披露SOAR飞行器返回至稠密大气以下高度的能量管理飞行方案。

图14 SOAR飞行方案Fig.14 Flight scheme of SOAR

1.4.3 项目进展

2016年S3公司曾宣称采用购买的A300客机提供失重体验飞行服务，飞机从10.4 km高度以45°角俯冲至7.3 km高度，可为乘客提供20～25 s的微重力体验。但是该计划一直未实现[6]。S3公司曾计划于2018年实施首次发射任务，将一颗重量为30 kg的太空垃圾清理卫星CleanSpace One送入低地球轨道[19]。遗憾的是，该公司目前处于濒临倒闭的状态。

2 商业载人亚轨道飞行器发展思路与趋势分析

2.1 总体技术特点比较分析

本节对前文4个载人亚轨道飞行器的总体技术特点从4个方面进行分析比较，见表3。

表3 亚轨道飞行器总体技术特点比较

1)飞行器构型与着陆方式

飞行器构型方面，目前已形成了升力式空天飞机和传统旋成体两大类基本构型。其中，前者在当前的发展中相对更受青睐，4家公司中有3家公司选择升力式亚轨道空天飞机的技术路线，飞行任务完成后返回地面预定机场进行水平着陆；仅蓝色起源公司的New Shepard选择了传统的旋成体构型，由旋成体火箭+旋成体乘员舱组合构成整个亚轨道飞行器，飞行任务完成后进行垂直软着陆回收。

2)起飞/发射方式

SpaceShip和SOAR亚轨道飞行器均设计了由载机进行空中投放和发射的方式，两者除了分离发射高度不同，与载机组成组合体的并联方式也不同。前者由载机进行腹部挂载，在空中从腹部投放后进行发射和爬升；后者则由载机进行背部驮载搭载，亚轨道飞行器在空中从载机背部分离后发射并爬升。Lynx则独立从地面跑道起飞和爬升。而New Shepard作为传统的旋成体构型飞行器，其发射方式与传统火箭相同，在发射架上直接进行垂直发射。比较而言，New Shepard充分继承了传统火箭技术，成熟度最高；而SpaceShip和SOAR飞行器均需由载机搭载起飞后在空中发射，技术方案较有特色，但系统复杂度较高；Lynx则直接从地面起飞和爬升，无需载机配置、无分离操作，系统复杂度较低，但是Lynx飞行器本身的功能集成度和研发难度则因此上升。

3)容纳的人数与驾驶员配置

在可容纳人数方面，美国Lynx飞行器仅能容纳两人，New Shepard和SOAR可以容纳6人，SpaceShip-2则可以容纳多达8人。其中，在驾驶员配置方面，升力式空天飞机构型的飞行器均至少配置了1名驾驶员，而New Shepard的旋成体乘员舱则没有配备驾驶员。从这一角度而言，New Shepard所携带的乘客人数占比为100%，商业效率最高。

4)动力形式与最大飞行高度、马赫数

动力形式方面液体火箭推进占据了主流，仅SpaceShip配置了HTPB/N2O固液混合火箭，其余均为液体火箭动力。各飞行器的最大飞行高度范围在100～120 km区间，最大飞行马赫数范围则大致在3左右。

5)再入飞行减速效应增强设计

SpaceShip和New Shepard分别为升力式构型和旋成体构型飞行器的再入飞行提供了各自不同的减速效应增强设计方式。SpaceShip将尾翼设计成可旋转状态，尾翼水平时进行正常的升力式飞行，旋转至竖直状态后实现了阻力面积的增加，从而增加飞行器的减速效应。New Shepard则设计了可展开式的减速板，在发射和上升过程中位于收缩状态，进入再入返回飞行阶段后展开以增加阻力面积，增强减速效应。

6)螺旋能量管理飞行

3个升力式空天飞机构型的亚轨道飞行器中，SpaceShip和Lynx两者均明确提出使用螺旋飞行的方式调整飞行器的能量状态。通过该方式消耗多余的能量，从而实现在地面预定的机场进行水平着陆。

2.2 发展思路比较分析

分析亚轨道飞行器的当前发展现状可以发现，目前已形成了发展升力式空天飞机和传统旋成体构型两大类发展思路。以此为基础，每家公司的商业亚轨道飞行器的发展思路又不尽相同，且各有特色，本节对其进行比较和分析(见表4)。

表4 亚轨道飞行器发展思路比较

总结而言，4家公司的中心发展思路分析如下：

(1)美国缩尺复合体公司的联合创始人之一为著名的航空航天器设计师伯特·鲁坦(Burt Rutan)，该公司基于自己在升力体飞行器的设计能力和发展经验，同时研发SpaceShip亚轨道空天飞机和“白色骑士”载机，并突破高空投放与发射技术。其发展思路具有较大的创新性和先进性，低空亚音速飞行时可充分利用大气中的氧气以提高飞行效率，升力式再入返回轨迹平缓，水平着陆冲击较小，有助于提升乘客的舒适度体验。但创新的发展思路也意味着较大的研发风险。在经历了多次试飞甚至是灾难性的坠机事故后，SpaceShip-2的发展已趋于成熟和稳定，目前已基本具备了实施商业亚轨道太空旅行的能力。

(2)美国蓝色起源公司在New Shepard的研发过程中，选择了旋成体火箭+乘员舱的成熟技术路线，充分借鉴继承已有运载火箭和飞船的设计、分离等成熟技术基础，尽可能降低研发风险。其11次飞行试验仅第一次试验中助推火箭着陆失败，其余10次均获得圆满成功。这足以看出New Shepard亚轨道飞行器研发的可靠性之高，稳定性之好。基于这一稳妥的发展思路，目前New Shepard也基本具备了实施商业亚轨道太空旅行的能力。

(3)美国XCOR公司仅研发单级亚轨道空天飞机进行独立的起飞和爬升，不使用任何助推火箭和载机，飞行器系统组成简单，且不涉及分离、空射等复杂技术。但是Lynx须兼顾稠密大气内的火箭动力爬升飞行，期间的大动压和过载会对飞行器的结构设计带来一定的难度。

(4)瑞士S3公司的发展思路与美国缩尺公司基本一致，主要区别在于直接购买成熟的民用客机作为亚音速载机，以缩减研发成本和周期。此举可能也是考虑到该公司的主要成员团体来自于瑞士洛桑联邦理工学院的亚轨道飞行课题组，其先前专注于亚轨道飞行器的设计和分析研究，在亚音速载机的设计方面缺乏经验。

2.3 商业载人亚轨道飞行器发展趋势分析

根据目前商业载人亚轨道飞行器的发展情况，对其相关发展趋势进行分析如下。

1)发展升力式空天飞机逐渐成为趋势

发展升力式空天飞机构型的载人亚轨道飞行器逐渐成为趋势，本文调研的4家商业公司中有3家选择了这一路线。升力式构型的飞行器再入过载小，轨迹较为平缓，机动飞行能力和轨迹调整能力强，在机场水平降落时的着陆冲击小，有助于提升乘客的亚轨道太空旅行舒适度体验。与此同时，再入过载和着陆冲击的减小均更易于实现飞行器的完全可重复使用。

2)低空配合使用亚音速载机已崭露头角

通过亚音速载机搭载亚轨道飞行器从地面起飞，可以在低空亚音速爬升期间充分利用大气中的氧气，从而降低亚轨道飞行器所需携带的氧化剂重量，有助于提高飞行效率。而亚音速载机的研发则可充分继承已有成熟的航空飞机技术，降低整个商业飞行器研发过程的风险。也可参照瑞士S3公司，购买已有的成熟亚音速飞机进行改装，作为亚轨道飞行器的载机，以进一步缩短研发周期和成本。

3)进入入轨运载领域

维珍银河公司基于SpaceShip-2的亚轨道飞行技术基础，提出了空射入轨两级运载火箭发射者一号(Launcher One)的研制计划[20]。该火箭(见图15)同样由白色骑士-2搭载在15 km的高度进行空射，其近地轨道最大运载能力为225 kg，太阳同步轨道最大运载能力为120 kg。蓝色起源公司则基于New Shepard亚轨道飞行器的技术基础，提出了“新格伦”两级运载火箭的研发计划，其中一级设计为可重复使用。美国XCOR公司则直接设计在亚轨道飞行器Lynx-3的背部配置外部载荷舱，通过Lynx-3在接近100 km的高度空射上面级火箭，实现卫星载荷的入轨。瑞士S3公司也采取了相似的思路，通过SOAR亚轨道飞行器在接近100 km的高度空射上面级火箭，将250 kg的载荷送入地球轨道[6]。与XCOR公司不同的是，S3公司基于人货分运的原则，研发载人型用于亚轨道观光旅行，研发货运型用于入轨运载发射。充分利用已有的亚轨道飞行技术基础和飞行器研发经验，拓展进入入轨运载领域，可以减小后者相关的研发周期和成本，是未来可能的发展趋势。

图15 发射者一号运载火箭Fig.15 Launcher One launch vehicle

3 启示与建议

通过调研和分析国外载人亚轨道飞行器的发展思路和趋势，得出我国发展载人亚轨道飞行器的启示和建议如下。

(1)以研制旋成体亚轨道乘员舱为起点，及早谋划进入载人亚轨道飞行领域。我国载人航天事业经过20多年的发展，自主研发了旋成体构型的神舟号飞船，并成功进行了5次无人飞行和6次载人飞行任务，取得了丰硕发展成果。神舟号飞船尤其是返回舱的研制和飞行，可以为构型类似的亚轨道乘员舱的设计研发和试验试飞提供技术基础和宝贵的经验支持，有助于降低亚轨道乘员舱研制的技术难度和风险，缩短研发周期。考虑到目前国际上SpaceShip和New Shepard飞行器在载人亚轨道飞行领域已经占据了领先地位，此时快速研制成熟可靠的商业亚轨道乘员舱，及早进入载人亚轨道飞行领域就显的尤为重要。

(2)谋划亚轨道空天飞机的长远发展。升力式亚轨道空天飞机可有效提升乘客的亚轨道太空旅行舒适度体验，且更易于实现完全可重复使用，已逐渐成为未来的发展趋势。发展空天飞机有助于在未来的亚轨道飞行领域仍然保持竞争力。但是，空天飞机相较旋成体乘员舱存在较大的技术跨越，涉及了较多新技术，例如气动外形与结构一体化设计技术、防隔热技术、能量管理技术、无动力进场着陆技术等。其关键技术攻关和飞行器系统集成均存在一定难度，因此应谋划亚轨道空天飞机的长远发展，逐步突破关键技术，最终完成飞行器的研制和飞行试验。

(3)配合应用低空域辅助飞行器，提高飞行效率。目前国外亚轨道空天飞机多配合使用载机形式的低空域辅助飞行器，充分利用大气中的氧气以提高低空的飞行效率，降低飞行成本，从而提高竞争力。我国在未来的亚轨道空天飞机设计研发中，也可考虑应用载机进行空中发射。其中，可以参考瑞士S3公司采购空客A300改装的思路，选择我国的C919等商用飞机型号进行改装作为载机使用。而针对亚轨道乘员舱，高空气球是一种潜在的低空域辅助飞行器。即通过气球将亚轨道助推火箭和乘员舱的组合体运送至20 km～30 km的高度后发射。该方案在低空域充分利用大气浮力上升，期间几乎不消耗任何推进剂，可以减小亚轨道助推火箭的推进剂携带量，提高飞行效率。目前西班牙零至无穷公司(Zero 2 Infinity，Z2I)在高空氦气球及其发射技术方面已取得初步成果[21-22]，已于2017年3月1日成功进行了“气球星”(Bloostar)运载火箭缩比原型样机的高空气球发射试验，火箭从气球发射分离的高度为25 km。

4 结束语

本文对国外商业载人亚轨道飞行器的发展现状进行了综述，对各公司商业飞行器的技术特点、发展思路以及呈现出的发展趋势进行了分析。可以看出，当前不同的公司结合自己的技术基础情况，对于商业亚轨道飞行以及相应飞行器的研发均采取了各具特色的发展思路和成熟度各异的技术路线。其中，美国缩尺复合体与英国维珍银河公司的SpaceShip和美国蓝色起源公司的New Shepard亚轨道飞行器分别代表了当前升力式空天飞机构型和传统旋成体构型两大类发展思路。迄今为止，这两家公司在各自亚轨道飞行器的研发和试验方面都取得了重要的突破和成果，有力推动了商业亚轨道飞行的发展。两者均已基本具备实施完整载人亚轨道飞行的能力，其为游客提供亚轨道太空旅行观光的服务已经指日可待了。鉴于目前的发展现状，建议我国尽早谋划商业载人亚轨道飞行器的发展布局，尽快进入商业亚轨道飞行领域。