国外两型亚轨道旅游方案对比分析

刘琳 （北京宇航系统工程研究所）

2021年7月11日，英国维珍银河（Virgin Galactic）公司研制的太空船―2（Space Ship Two）亚轨道空天飞机从位于美国新墨西哥州的航天港起飞，使其创始人理查德·布兰森“触及”距离地面89km的太空边缘。2021年7月20日，美国蓝色起源公司（Blue Origin）研制的“新谢泼德”（New Shepard）飞船从美国得克萨斯州西部的1号发射场升空，将其创始人杰夫·贝索斯“送达”距离地面107km的太空边缘。此后，两家商业航天公司的“卡门线角逐”正式拉开帷幕。

1 技术层面

X―15高超声速飞行器与太空船系列

20世纪50年代，美国开始进行X-15高超声速飞行器试验验证，采用B-52轰炸机携带至高空投放的方式，B-52轰炸机的投放高度13.7km，投放速度为马赫数0.74，经空投分离后的X-15高超声速飞行器的最大飞行速度达到马赫数6.7，最高飞行高度108km。X-15飞行器历时10年研制，共完成199次飞行试验。从发射模式上看，太空船-2搭载白衣骑士-2（White Knight Two）载机，在距离地面15km高度处实施空投分离，这种机载发射方案与利用B-52轰炸机空中发射X-15高超声速飞行器是一脉相承的。

在气动布局设计、动力系统选择等技术方案上，太空船-2是以2004年斩获“安萨里X奖”的缩尺复合体公司（Scaled Composites）研制的太空船-1为模型进行设计的。2004年6月，太空船-1搭载白衣骑士-1双体喷气式飞机从加州莫哈维（Mojave）沙漠起飞，飞达距离地面111km的太空，成功突破X-15飞行器创造的108km飞行高度纪录，轰动了全世界。太空船-2在太空船-1的基础上，继承了混合式火箭发动机动力系统以及可以倾斜的羽状再入系统，并显著增加舱内空间和成员数量，提升了推重比与最大飞行高度等性能指标。

太空船-2采用的独特的、倾斜旋转的双尾翼外形，设计师鲁坦称其灵感来源于羽毛球，因此称为“羽状再入系统”。太空船-2起飞时采用顺翼模式，首先在15km高空与白衣骑士-2载机分离，之后在引擎作用下继续爬升，当飞行速度达到马赫数为3.3时，引擎关闭，太空船-2在惯性作用下继续爬升直至达到轨迹最高点89.9km，随即开始下降，当速度达到约78m/s时，羽状再入系统旋转至约65°，以增加迎风面积实现飞行器减速，当下落速度达到马赫数1.4时，飞行员会将尾翼再次调整为顺翼状态，通过滑翔模式减缓下降速度，最后完成在预定机场跑道的无动力进场着陆。

太空船―1与太空船―2的对比

X―15飞行器和太空船―2的对比

白衣骑士―2搭载太空船―2

由此可知，太空船-2在发射方式上继承了美国在20世纪50年代开始的X-15高超声速飞行项目的研制成果，而飞船本身的技术方案则是以21世纪初斩获大奖的新型飞行器为设计原型，并从更利于亚轨道旅游的角度，对系统能力进行提升。

“水星”飞船与“新谢泼德”乘员舱

1958年10月，美国开始“水星”（Mercury）飞船的研制。“水星”飞船的部段从上至下分别为逃逸塔、圆柱形伞舱以及圆台形单人密封座舱，底部装有制动火箭和着陆缓冲气囊。“水星”飞船总高2.9m，底端直径1.89m，顶部直径0.5m，单人密封座舱可利用容积1.02m，设有一个舷窗以及一个凸出舱体表面的潜望镜，用于航天员观察空间景象。飞船采用自动控制与人工控制相结合的方式，飞船再入时，航天员通过手动调整飞船再入轨迹并选择着陆点，实施飞船的海面着陆。1961年5月5日，艾伦·谢泼德乘坐水星-3飞船，从美国卡纳维拉尔角发射场起飞升空，达到飞行高度186km，成为第一个“触及”太空的美国人—他的名字也成为全球首富杰夫·贝索斯在2000年创立的蓝色起源公司的“新谢泼德”飞船名字的由来。

“新谢泼德”火箭的研制目标是开展商业飞行，将商业旅客运送到超过地球表面100km的高度，以体验太空飞行。“新谢泼德”火箭由乘员舱和助推器组成。其中，“新谢泼德”乘员舱采用钝头旋成体外形，宽度3.8m，舱体外部配置环形翼、减速板以及可折叠的垂直翼等，舱内容积15m，可以容纳6名成员，设有大面积舷窗用于观赏空间景象，舱内正中间设有逃逸固体发动机，用于在任意高度启动乘员舱逃逸程序。飞船全程采用自动控制程序，无需人员参与。

由此可知，“新谢泼德”乘员舱不仅在名称上来源于“水星”飞船的航天员的姓氏，技术方案上也与“水星”飞船近似，延续了单舱形载人飞船的气动外形、并继承了弹道式垂直起降的主要方案。同时，经过近50年的发展，“新谢泼德”飞船在舱体容积、逃逸系统设计、着陆缓冲方案、姿态控制方法等方面都进一步改进。

“水星”飞船与“新谢泼德”乘员舱对比

“水星”飞船

“新谢泼德”乘员舱

综上，太空船-2采用了X-15高超声速飞行器的空基发射方式，但是在其他技术途径上更加“非传统”，外形像一条插着摇摆双翼且体态丰满的鱼，羽状再入系统的设计也颇为梦幻，起飞降落的方式更像是日常通勤的航班（还配有飞行员），座舱的设计更是可圈可点。“新谢泼德”飞船的创意来源于“水星”，严格地传承了钝头圆锥外形和垂直起降方案，为了最大限度地确保载人飞船的可靠性和安全性，设计方案低调且保守，具有典型的“贝索斯”风格。然而实践证明，无论是传统还是非传统、典型还是非典型，两种技术途径都获得了成功。正如谚语所说的“条条大路通罗马”。

2 观光体验

太空船-2的客舱空间设计可圈可点。客舱整体是潜水艇外形，内部由座椅、显示屏、摄像系统、舱壁、观光舷窗以及舱内光照系统等组成。客舱内共设有6个座椅，使用铝和碳纤维材料制造，并与舱壁的悬臂结构固连，座椅具备调节功能，当太空船-2进入零重力飞行段以及再入返回段时，座椅将调节为后倾状态，以确保乘客进行失重体验时获得更大的活动空间，并在再入过程中减轻飞行过载带来的不适。显示屏安装于座椅椅背上，可以提供实时飞行速度、飞行时间等信息。舱内共安装有16个摄像机和1面圆形镜子，用于无死角地记录整个飞行过程，而客舱后部的大面积圆镜可以让乘客看到自己失重时“自由漂浮”的身体姿态。舱壁采用泡沫材质的蜂巢结构，在确保乘客失重状态安全性的同时，兼顾舱内的温度环境与声学效果调节。客舱内共有17扇观光舷窗，分布于舱壁、舱顶的不同位置，使乘客可以在任意位置欣赏太空美景，观光舷窗配有凸起的圆形软环，便于乘客轻松抓握以及在舱内自由“攀爬”。非常独具匠心的是，舱内光照系统在飞行的各个阶段能够呈现不同的效果：在登机准备和空中分离阶段使用冷色调，和蓝青色的座椅浑然一体，在引擎推进阶段使用暖色调，在进入太空后会完全关闭切换至光亮的地球背景。

“新谢泼德”乘员舱空间设计中规中矩。客舱整体像个乡村的谷仓，矮胖而原始。客舱内部空间约15m，舱壁为白色，共设有6个靠窗的座位，座位上配有麦克风、控制开关和可视面板，用来和地面人员进行沟通。乘员舱的舷窗是目前全世界范围内进入太空的最大观光舷窗，高度达到109cm,宽度达到73cm，可以投射92%的可见光，观光舷窗的总面积占到太空舱表面积的三分之一。乘员舱设有环境控制系统，用于确保舱内的温湿度条件，并防止舷窗起雾。与众不同的是，在达到太空边缘时，乘员舱会以缓慢的速度进行旋转，从而让乘客获得360°的全向观光视野。

“新谢泼德”乘员舱内部空间

太空船-2的内部空间

太空船―2与“新谢泼德”乘员舱的对比

综上，太空船-2的飞行时间更长，从起飞到降落约2h，是“新谢泼德”飞行时长的12倍；然而，“新谢泼德”乘员舱拥有全球最大的太空观光舷窗，单个观光舷窗的面积是太空船-2观光舷窗的5.48倍；太空船-2的票价似乎更低，目前的官网报价是45万美元，而“新谢泼德”的座位价格在最近一次拍卖会上的中标价格是2800万美元；然而，“新谢泼德”飞行高度可以更高，达到107km，与太空船-2相比约超出17km。看来，两家公司所提供的太空之旅体验也是各有千秋。

3 小结

到达太空边缘是多么“叹为观止”！目前全球有此经历的不超过600人。为了获得这惊鸿一瞥，蓝色起源公司和维珍银河公司都付出了十余年的努力。作为见证者，我们很幸运地身处在“平民”也能参与亚轨道太空旅行的时代，更加幸运的是，在同一时间可以看到两种截然不同、并都获得成功验证的访问太空的技术途径。作为旅行者，你甚至可以根据自己的喜好进行选择：如果你想多飞一会儿，就选太空船-2，如果你想飞得更高，就选“新谢泼德”，如果你想省点钱，就选太空船-2，如果你喜欢全景天窗，就选“新谢泼德”。截至2022年3月，维珍银河公司开放了面向公众的商业旅行预订，而“新谢泼德”正在致力于完成第4次载人太空任务，两家公司都在为最终赢得“卡门线角逐”而不懈努力。期待有一天，我们也可以把太空旅行加入到年假计划里，去太空边缘感受那深邃的黑暗、地球绚烂的弧线、消失殆尽的重力、薄如蝉翼的大气，以及令人窒息的静默。