中国现在需要自己的亚轨道载人飞船吗？（上）

引言

1太空船1号首次载人飞行成功

2004年6月21日清晨，美国的太空船1号亚轨道载人飞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(离地面100公里左右)，使飞行速度降到了零。由于飞船关闭动力系统后处在一个近似真空的环境之下，因此飞船内的驾驶员麦克·梅尔维尔处于失重状况。当时，麦克打开了一包M＆M公司的巧克力，观察它们的自由飘浮状况后说“真酷”，并且用“叹为观止”形容从高空观看地球的颜色和曲线时的感受。飞船在经历了四五分钟真空状态下的惯性上升又自由落体运动之后，再次进入大气层，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。

这一事件在美国及世界各地引起了巨大轰动，美国的媒体进行了实况转播，成千上万的航天爱好者和专业人士、政府官员涌向莫哈韦机场争睹太空船1号的发射盛况。我国的中央电视台也进行了新闻报道和评论。

太空船1号系统是由美国比例复合材料公司研制的。飞船挂在“白骑士”飞机的腹部下面飞到15公里的高度释放，在滑行一段时间后点燃混合推进系统的火箭发动机，80秒后其垂直上升速度接近933米/秒(3马赫左右)。在飞船拉起(84度倾角)和爬升过程中，飞行员所受的过载为3～4倍的地球重力加速度。

一些美国人认为这就像当年查尔斯·林登博格横渡大西洋甚至像莱特兄弟首次飞行一样具有里程碑意义。飞船的研制者鲁坦预测今后10～15年内，亚轨道飞行价格可以承受，乘第一代飞行器的旅客花费估计为3～5万美元，而乘第二代的花费将降到1～12万美元，未来25年将是变革的时代，受益的是每个人。

与以往的轨道飞船不同的是，太空船1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100公里左右的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79公里/秒)；而亚轨道载人飞船经过一段无动力滑行后到达100公里高度时的速度为零，其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。此外，轨道飞船再入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。

2.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，到达目的地的时间较短，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，因此其发射使用成本较低；而轨道载人飞船却与此相反，成本很高。例如，美国富翁丹尼斯·蒂托和南非商人马克·沙托沃斯分别在2001年和2002年乘坐联盟号飞船游太空的费用在2000万美元左右。

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1号，尤里·加加林成为世界上第一位上天的航天员。5月5日，美国发射水星号飞船进行首次载人亚轨道飞行，航天员谢泼德成为美国亚轨道飞行的第一人，历时15分22秒(其中失重5分4秒)。40多年后的今天，载人航天飞行已不再是什么新奇的事物，为何太空船1号再次引起全世界的关注？这主要是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是十分深远的，并有可能带来新一轮的空间飞行竞争和投资热潮。

目前空间旅游业市场方兴未艾。美国太空历险公司对100名至少交付了1万美元定金(最终花销可能是102万美元)的客户进行了调查，结果约70％的客户愿意乘坐太空船1号上天。继蒂托和沙托沃斯之后，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。

总之，在太空船1号风光无限的背后，我们看到了商业载人航天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)集中并合理地配置使用，特别是如何通过市场机制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。

3.由太空船1号引起的关于航天技术和管理问题的思考

载人航天飞行已经有40多年的历史，太空船1号也不会马上载客飞行，但商业载人航天的步伐肯定会加快。中国人梦想的“万户飞天，嫦娥奔月”也在一步步地实现，特别是2004年10月15日神舟5号首次载人航天成功大大激发了中华民族的自豪感和从航天大国向航天强国进军的豪情壮志，在成千上万的中国青少年甚至老年人面前开启了飞天梦的大门。

作为世界上第三个将自己的宇航员送上太空的国家，中国不能置身于联盟号、航天飞机和太空船1号等载人航天飞行的市场竞争之外，忽略这样一个很大的产业和市场是不可想象的。但是我们在商业载人航天市场、技术、行政管理和人们的思想观念等方面仍然存在着许多障碍和问题。首先我们要做的是继续大力宣传航天事业、航天科技和航天英雄，在全社会提倡追求人类科学和文明，追求创新、探索和发现的科学冒险精神；其次要在航天事业上加大投入，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航天飞行技术方面也存在着不相适应的管理问题，这就是人们常听到和看到的政府无节制地花费大量的人力、物力，大兴一些愚蠢的技术研发项目，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像这样无可奈何的抱怨声：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和文明的国家，政府理应既有集中又有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取得适当的平衡，其最终目标是保持市场经济下国力(包括创新和竞争力等要素)的繁荣和发展。

从载人技术的角度讲，它仍然是充满风险和挑战的。追求像客机一样可重复使用、低成本并跨大气层飞行的载人航天器技术是最大的挑战，它符合最终可为任何人接受的“更省、更快、更好”的目标。亚轨道载人飞船虽然技术难度相对较低，但要到达大气层的边缘高度而且可重复使用仍然需要解决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来产生升力和推进力的航空器目前最高飞行高度不超过40公里。这主要是因为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，它们的稳定工作和能量利用效率各有其高度和速度范围。

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跨大气层飞行器上发挥主要作用，但是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，在较宽的高度和速度范围内起动与稳定工作以及高速和再入大气层时的气动加热等问题。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、不受周围大气变化的影响等特点。

总之，在载人飞船的动力系统选择和组合设计方面仍然要依赖火箭发动机或吸气式/火箭组合发动机。前者在技术上相对比较成熟，主要是解决飞行可靠性和安全性问题；而后者是目前世界各国正在努力突破的可重复使用运载器的一个关键技术，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以及其它用途等约束条件之下，经过一定程度优化的方案就相当有限了。它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、有限目标和分步实施。

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和轨道飞机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，以期对我国亚轨道飞船的起步和发展有所裨益。

载人航天器(或飞船)的研发

历史、现状和发展趋势

1.冷战时代从弹道太空舱式轨道载人飞船起步

前苏联/俄罗斯共开发了东方号、上升号和联盟号三种宇宙飞船。联盟TM是第三代飞船的第二种改进型，也称作第五代飞船。到目前为止，俄罗斯共发射了100来艘飞船，可以说其飞船技术是十分先进的。美国从上世纪60年代开始，为登月工程先后开发了水星号、双子星座和阿波罗号飞船。中国后来居上，通过跨越式发展，一步过渡到第三代飞船技术，终于在2003年10月15日实现了神舟5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和回收方式特点，我们称之为弹道太空舱式飞船。

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。乘员舱(回收舱)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地球海洋溅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，以便在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(生活舱)是宇航员工作生活的地方。

在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。实践证明它们目前仍是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。

但是，应当承认这些飞船系统是世界上最精密而又复杂的系统，而且是用一次性使用的运载火箭发射，飞船在轨运行寿命结束后坠落地球大气层烧毁。运载火箭和飞船的体积大，重量沉，地面发射设施和着陆保障系统复杂，费用昂贵，不适于商业载人飞行，或者说只能是少数有钱人的专利。

2.从火箭飞机到部分可重复使用的航天飞机

上个世纪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。由于当时单级入轨飞行器技术并不成熟，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，并且由于研制成本低而在与其它方案的竞争中获胜。这种能自主着陆的翼身组合体设计称为升力体式，它与前面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的影响。

实际上，航天飞机的轨道器是一种火箭飞机。它和美国代号为X的技术验证机家族中的X－33、小型亚轨道运载器X－34和高超音速试验机X－43、X－43A、X－43B、X－43C等，都是利用火箭或吸气冲压火箭组合式发动机提供推力。

早期的火箭飞机为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108公里的高度；1967年10月3日，美国人W.J奈特驾驶的X－15A－2研究机飞行速度达到7279公里/小时(6马赫左右)。上世纪五六十年代的X－15火箭飞机在研究高超音速、等效空间飞行和再入飞行现象方面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飞行研究项目在1954年正式获得批准时的主要研究目标就是气动加热、速度、高度、稳定性与控制以及太空医学等。美国早期的空间计划在很大程度上是建立在无人驾驶导弹技术的基础上。1958年10月7日，水星号飞船工程正式获得批准。这是美国航宇局于1958年10月1日成立后做出的第一项重大决策。

X－15飞行研究项目与水星号飞船工程代表了共同致力于解决空间载人飞行某些问题相平行的两个分支途径。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上也得到了应用。可以说，水星号演示了人类在空间有效活动的能力，而X－15演示了人类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和问题。

从1954年2月起到1964年10月，X－15经历了120次飞行，4800公里/小时以上的飞行累计时间有2小时。X－15不仅使有人驾驶飞行器的速度翻了一番，而且准备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2公里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深入了解。

航天飞机在使用过程中并没有达到当初的设计目标，特别是兼顾美国军用、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，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2月1日，哥伦比亚号航天飞机在返航过程中再次爆炸坠毁，促进了美国航宇局研制轨道空天飞机以替代航天飞机的计划的实施。2004年1月，美国总统布什正式宣布了“新空间探索计划展望”，其中明确提出让航天飞机在2010年也是在其30年服役期满后退役的决定。

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％，是世界上安全性和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，其技术属于阿波罗年代的技术，存在着技术复杂、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)等诸多问题，因此从技术经济性的角度分析，航天飞机不能算是十分成功。(待续)

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