中国现在需要自己的亚轨道载人飞船吗？（下）

3.从单级入轨可复用运载器到新空间运输战略计划

1994年8月，美国总统克林顿签署并颁布了新的国家空间运输政策，指定由美国航宇局(NASA)负责可复用运载器(RLV)的关键技术开发，目标是以火箭发动机为动力的单级入轨运载器。

1996年7月2日，美开始实施X－33单级入轨运载器所需的一系列先进技术验证项目。X－33是NASA继航天飞机之后的第二代空间运载器。该项目主要由X－33、X－34、改进型DC－XA火箭和可复用运载器关键技术等组成，其中以X－33计划为核心。NASA经过对三种不同的方案(垂直起降方案、火箭飞机方案和升力体方案)进行分析和评估，最后选中了洛马公司的升力体X－33/RLV(冒险星)方案，如图5所示。

X－33/RLV采用以液氧/液氢为推进剂的线性气塞式发动机为动力，可以垂直起飞，水平降落。其中三项关键技术有：可复用低温燃料贮箱、石墨复合材料结构、三元推进剂火箭发动机。

2001年3月2日，NASA宣布终止X－33研制计划，原因是X－33计划没有按期完成，一拖再拖，而且耗资过高，资金缺口超出了NASA的承受能力。在宣布终止X－33运载器研制计划的同时，NASA也宣布终止X－34的研制。

X－34(图6)是NASA负责投资和管理的小型亚轨道运载器项目，也称为可复用小型助推器项目，其目标是兼顾小型载荷的商业发射和RLV技术开发，研发成本为25亿美元。X－34干重8t左右，推进剂总容量为13.5t，长17.6m,翼展85m，采用液氧/煤油发动机，由L－1011载机从空中发射。它离开大气层时的速度达到8马赫，接着滑行到76km高度，然后再入返回，在跑道上着陆。X－34名义上的两次飞行时间间隔(折返飞)为两周，实际上其目标之一是将该指标提高到极限，也就是24小时。

其实，在X－33之前的第一个RLV项目是DC－X/XA技术验证机。从1993年8月18日到1996年6月7日，它共进行了12次成功的飞行，取得了一批重要技术成果。其中DC－X被官方称为SX－1(实验性空间飞机)，是战略防御计划局负责的单级火箭技术(SSRT)项目，演示亚轨道飞行器的实用性、可靠性、可操作性和性价比，最终目标是让可复用运载器像飞机一样操作运营。

DC－X(图7)采用垂直起飞、垂直有动力降落方案。它呈圆锥形，高39m,底部直径12m，有8台以上的液氢/液氧火箭发动机，能像客机一样具备安全发动机熄火能力，不需外部油箱或助推器，没有机翼，但有很小的活动副翼以帮助机动。通过采用改进的发动机、高科技的轻质结构材料及和飞机一样的维护程序，可以减少90％以上的往返空间成本。

DC－X的后继先进型号DC－XA引入了许多革新性技术，是携带石墨环氧树脂复合材料液氢贮箱的第一枚火箭，还采用了俄罗斯制造的铝锂合金液氧贮箱以及其它复合材料部件和零件。其设计运载能力为在低地轨道携带2名机组乘员和10t货物或者在极地轨道运送2名机组乘员和5t货物，估计折返飞时间为最多7天，最少1天。

由于X－33等第二代RLV技术验证计划因费用超标而相继中止，而第一代运载器航天飞机麻烦不断，因此美国急需继续新的航天运输技术计划。2001年2月开始，NASA开始实施“航天运载倡议(SLI)”计划，以确保安全、可承受得起和可靠地进入空间。在SLI计划下产生了两个项目，即“轨道航天飞机”(OSP)和“下一代运载技术”。OSP也称为机组转移飞行器(CTV)，是携带乘员和有限的货物往返国际空间站的运输工具，主要用于解决乘员的逃逸和救生问题。这两个项目被纳入了NASA 2002年经修改后的“综合空间运输计划”(ISTP)。

ISTP是2000年夏季开始的，NASA在其中提出了第二、三代RLV经济和技术目标。“NASA 2003年战略计划”中给出了ISTP近期规划发展的框架，包括航天飞机、OSP和“下一代运载技术”三大项目的运营或关键决策和研发进度计划。

“下一代运载技术”是将以前的SLI研发成果与最前沿的先进空间运输计划结合起来，以增加开发国家下一代RLV的安全性、可靠性和成本的有效性。它将重点放在可复用煤油发动机设计以及包括高超音速推进系统在内的一系列发射系统技术上。NASA将在两年之内决定如何着手开发RLV。目前RLV在武器化方面的应用正在进行之中。在军事上，RLV作为天战武器既能在大气层内作高超音速飞行，又能进入轨道运行，将是21世纪控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。

美国总统布什在其“新空间探险计划展望”中明确的三个目标之一还包括在2008年前开发一种新的航天器，即机组探测飞行器(CEV)(图8)，不晚于2014年进行首次载人飞行。CEV主要是用作人/机器人对月球、火星以及其它目标的探险运输工具。NASA对此响应迅速，在2004财年中已经将“空间运输系统”(STS)研究列为新的主题项目，2005年之前披露新一年内的重大活动项目。

上述SLI两个项目在2005年将终止研究活动，其广泛的研究成果将用于CEV和探索性空间运输体系的发展之中。CEV项目的计划进度为：2004年进行阐述概念研究；2005和2006年进行初步设计，其中2005年进行系统设计评审，2006年进行初步设计评审。

关于OSP计划，NASA还处于阐述概念和初步方案设计阶段，而且还存在一定的技术分歧。由于航天飞机将在2010年退役，NASA计划在2008年前研制出国际空间站上的机组返回飞行器(CRV)，能把至少4名机组乘员从国际空间站送回地面，其可靠性高于现役航天飞机；到2012年以前准备好一种机组转移飞行器，以代替航天飞机和俄罗斯的联盟号飞船往返国际空间站。3支工业界队伍参与竞争OSP合同，分别由波音公司、洛马公司、诺思罗普·格鲁曼公司和轨道科学公司领导。

OSP可以是一架空间飞机，像航天飞机一样在跑道上降落，但也不排除研制一个太空舱，像联盟号那样着陆或者像阿波罗一样在海洋上溅落，这两种方案(图9)处于领先位置。太空舱式方案有阿波罗飞船成功的经验和技术，在研制时间和经费方面有一定优势。围绕着两种方案存在一些不同的观念。

亚轨道飞船的发展现状

1.“X奖”竞赛项目

亚轨道飞船比以前的轨道飞船更容易研制，而且更便宜，因此许多私人和团体纷纷加入其中，但由于技术保密原因，对很多项目不甚清楚。

目前已公开的参加“X奖”的有27个项目，分别来自美国、英国、俄罗斯、罗马尼亚、加拿大、以色列和阿根廷。美国新墨西哥州赢得了“X奖杯”举办权。

“X奖”是美国的X奖基金会于1996年发起的国际性竞赛，目的是促进私营可重复使用运载器的研制并应用于冒险太空旅行。X奖提供1000万美元奖金给第一个成功的亚轨道飞行器设计者，条件是该飞行器必须能够到达100km的高度，携带三位旅客并且在两周内重复飞行一次，每位旅客身高1.88m、体重90kg。

美国政府鼓励私人投资载人航天技术的开发，但不会直接投资于亚轨道飞行器上，这样反而给了那些有远见和进取精神的企业家和投资者以动力，积极探索一种发展私营航天工业的新模式和新的经济扩张机会。美国比例复合材料公司的太空船1号在这场竞赛中先拔头筹，美国的犰狳航空航天公司的“黑犰狳”紧随其后。

“黑犰狳”飞船采取垂直起飞和降落伞着陆方式，长9m，直径1.82m，安装8台50％质量比的过氧化氢/水和甲醇发动机。

2.私营开发亚轨道飞船技术需要政府管理进一步改革

NASA在管理航空航天技术事业上有过不少的教训。以航天运载器的研发为例，NASA从头到尾负责的成功的运载器几乎没有，而其负责的X系列技术验证器(包括X－30、X－33、X－34、第二代RLV和OSP等)都中途走了样或下马，唯一由其自身承揽研制的航天飞机(也是美国目前唯一的部分可复用运载器)还不能算是在运营中并取得成功的。

NASA越来越感受到来自工业界的私营化的呼声和压力。NASA的职责是“探索、发现和创新”，而在航天运载器方面则主要是确保美国的安全发射并同时保证商业利益。要同时满足高技术研发和商业技术的应用是一件比较困难的事情，NASA在航天飞机上的困境就是想全面满足多用户的结果。

从SLI项目的筹划和运作来看，NASA显然吸取了部分经验教训。现在NASA广泛动员和吸纳企业界参与SLI的规划和发展，从而有助于降低高技术下投资风险，提高商业利益。例如SLI计划中专门设立了“革新技术转移伙伴”主题以便与工业界和大学建立伙伴关系来开发新的航空航天技术，还通过“小企业革新研究”(SBIR)和“小企业技术转移”(STTR)项目将NASA的技术商业化并转移到工业部门。

美国毕竟是一个技术经济规模大、底子厚的空间强国，每年的财政预算大得惊人，私营经济高度发达。在NASA全面管理下的技术开发应用主体包括了NASA内部研发和试验机构、工业部门、大学、私人和社会团体等。由于管理措施得当和落实、技术扩散面广且解密期短和成果转化效率高等，使航天资源能够得到有效的利用。可以说，NASA在这方面功不可没。

亚轨道飞船是一个新事物，NASA与私营研制者共同经历着这一发展历史，并且采取开放的态度对其进行管理。例如，当初太空船1号在向当局申请飞行许可时不知道是按飞机还是按运载火箭的规定。法律规定商业发射由美联邦航空局(FAA)下面的商业空间运输部负责审批，但现有的法规对“亚轨道”一词没有严格的定义，所以NASA采取了“眼见为实”的方式进行判断。因为轨道和亚轨道存在明显的区别，所以就很容易认定是飞机还是运载器了。2003年10月，FAA公布了一道法令：升力大于大部分有动力飞行状态下推力的飞行器将作为实验飞机处理，其实验适航证书(EAC)由FAA的规章和证明(AVR)部门颁布。EAC比较容易获得，但是获得EAC的飞行器不能投入商业服务。

浅析我国亚轨道载人飞船技术的开发途径

神舟5号飞船的成功具有划时代的意义，也为载人飞行二期、三期工程开启了胜利之门。我国于1992年制定了载人航天“三步走”的战略规划，明确了在完成载人飞行后将进入载人航天第二步，即空间实验室工程。2000年11月，我国政府发表《中国的航天》白皮书，进一步向国内外介绍了我国航天事业近期和远期的发展目标。

应该看到，国家航天发展规划正在面临着太空旅游业的挑战。尽管国家对载人航天和RLV技术研发给予了大力支持，在载人飞船方面也有相当的技术积累，但是这些技术和经验并不能自然转化为亚轨道飞船所需的低成本、高可靠的技术。目前神舟号飞船的发射成本高达几亿元，远不能满足载人商业航天的潜在需求。

神舟5号飞船技术为亚轨道飞船技术奠定了基础：飞船的13个分系统如结构与机构、环境控制与生命保障、热控制、制导、导航与控制、推进、测控与通信、数据管理、电源、返回着陆、逃逸救生、仪表与照明、有效载荷和乘员对于亚轨道飞船也是必不可少的。但由于亚轨道飞船飞行高度低得多，飞船再入速度也小得多，因此13个分系统可以大大简化。例如，神舟号飞船的服务舱携带了1吨的燃料用于返回制动和应急，亚轨道飞船则可以省去这部分燃料的大部分，并且由于亚轨道飞船的重量减轻了很多，逃逸塔的功能和重量也得以简化。

中国是一个人口众多的新兴发展中国家，要根据自己的国情和发展趋势合理地预测经济规模和市场需求量，制订科学的发展思路和技术途径，既要注重消化吸收外国的技术和经验，又要大胆创新、跨越式发展。

我国未来的亚轨道飞船可能采取的技术途径大致分为三种：

1.太空舱式飞船

这类飞船可以比照神舟5号的总体设计，采取运载火箭与飞船舱分离并分别回收的方案(估计飞船舱的重量在3～4t)，使用在研的液氧/煤油或液氧/液氢无污染发动机火箭为一级，飞船采用降落伞回收着陆系统，而火箭采用降落伞和充气式缓冲着陆系统。其关键技术包括安全、可靠又可复用的发动机和复合材料轻质结构。

2.升力体式飞船

可以借鉴X－15飞机的设计或者类似X－34的设计方案，其缺点是必须有外挂15～20t以上的有效载荷载机，需要引进或研制大型的运输机。

也可以研制能外挂飞船的专用飞机，进行一体化设计，像太空船1号所采用的方案。该飞机可以采用独特的气动外形设计，确保优良的爬升性能和操稳性能。

还可以利用RLV的技术成果，采用单级升力体的垂直起飞、水平降落方案，但技术较先进和复杂。

最后一种方案是利用飞机和太空舱式飞船相结合，首先由飞机将飞船背驮或下挂带到一定的高度，然后点燃飞船的火箭发动机。飞船采用降落伞回收。

3.吸气式/火箭组合动力飞船

这是一种最为超前的方案，目前技术还不成熟，正在探索之中。它利用吸气式/火箭发动机的组合，发挥各自的优势，分区接力工作。飞船与升力体式运载火箭做成一体化或者进行分体、组合设计。

在亚轨道飞船技术方案论证中，安全、可靠、低成本和可复用是设计准则，还要考虑到各种约束条件，如经费、周期、市场等等。

结　论

在我们关注美国太空船1号惊人的成就时，回顾一下载人飞行的成长史有助于深刻了解航空航天技术的发展变革和趋势，正可谓“以史为镜，可以知兴替”，这对于我国保持航天大国地位，向航天强国迈进是有重要意义的。

经过前面的分析和研究，作者形成下列几点看法，以期抛砖引玉，引起大家的深入思考和讨论：

已有的载人飞船远不能满足空间旅游的需求，载人亚轨道飞船具有很好的市场和技术发展前景。

亚轨道飞船有自己的设计准则，即安全、可靠、低成本和可复用等，不能沿袭轨道飞船的研制模式，但需要继承和借鉴已有的载人飞行技术成果。

亚轨道飞船对我国的航空航天技术管理机制提出了挑战。我国现有的技术管理模式不能适应航空航天壮大和工业扩张的需要。

亚轨道飞船方案需要纳入国家发展规划。由于我国创新投资主体力量较小，国家在风险投资和技术研发投资方面要采取相应的对策，确保各方面的积极性。

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