追梦者：美国新一代航天飞机的候选方案

夏天，ETA会经历地面、进场和着陆飞行等阶段的检验。按照计划，“追梦者”将在2015年首次发射入轨。

“追梦者”的有力竞争者：X-37C

“追梦者”的竞争者，除了SpaceX公司的“龙”飞船和波音公司的CST-100飞船外，可能还有波音公司在X-37B基础上发展的X-37C小型航天飞机。假若只能选一家的话，“龙”飞船胜出的可能性较大。假若除了飞船外，还要选一种航天飞机，那么，就会从“追梦者”和X-37C中作抉择。

2010年4月22日，美军的小型无人航天飞机X-37B的第一架轨道试验飞行器（OTV-1），在卡纳维拉尔角空军基她，由“宇宙神”5火箭将其发射入轨。同年12月3日结束任务返航，总共在轨飞行225天。2011年3月5日，X-37B的第二架轨道试验飞行器（OTV-2）成功发射入轨，并于2012年6月16日凌晨顺利着陆返回。它在轨飞行长达469天，进行了一系列轨道器技术和有效载荷的试验。2012年12月11日从卡纳维拉尔角空军基地又第三次成功发射。执行本次任务的X-37B与2010时第一次发射的为同一架。

X-37B的飞行试验结果表明，它选择的构型是成功的。在总结了“哥伦比亚”号失事的教训后，它回到了X-20的火箭顶推式，从而避免了外部燃料箱的隔热泡沫塑料，会打坏轨道器防热瓦的问题。它的气动外形，虽然也采用航天飞机的双三角机翼，但机身头部的钝度更大。它将原来航天飞机的中央垂直尾翼（舵）改为两个侧垂尾（舵）。这样，既改善了X-37B的偏航性能，而且缩小了全机的高度，使其在机身底部安装减速板后，仍可以放入整流罩内。

正当NASA及其商业伙伴向着低轨道商业运输时代前进的时候，波音公司在2013年年初，发布了一份关于扩展X-37B能力，以执行商业轨道运输服务和乘员运输任务的提议。波音公司认为，X-37B加入NASA的COTS计划和CCDev计划，具有明显的优势。通过利用X-37B这种成熟的轨道器平台及其定义好的平台载荷界面，以及由成熟的任务操作人员使用经过飞行验证的设备支持的地面站，可以大幅度地降低使用成本。波音公司还指出：重复使用航天器的几项关键技术已经成功验证，它包括气动力、气动热、重复使用太阳帆板、热防护系统（TPS）以及自主制导、导航和控制（GNC）等。但基于某种原因，波音公司的提议目前尚未得到NASA的公开支持，但由于X-37本来就是NASA移交给美国空军的项目，NASA与空军本来就在合作，因此，基于X-37B发展的载人的X-37C，无疑是“追梦者”的竞争对手。

实际上，在2011年美国航空航天学会（AIAA）的会议上，承包X-37B研制的波音公司X-37B项目主管阿特·甘茨（Arl Grantz），对X-37B的前两次试验和它今后的发展，作了较详细的介绍。出于保密的原因，他在报告中并没有提到X-37B的军事价值和对其未来的军事需求，也没有透露任何与飞行有关的细节，只是重点强调它作为一个重复使用的在轨试验平台的重要意义。他说：发射的目的是“使其像空中试验平台一样运行。”从飞行器的角度来看，X-37B验证了使用与美国航天飞机相似轨道的自主离轨，以及与在跑道上进行“软着陆”。飞行试验也验证了X-37B的制导、导航与控制系统、机电飞行控制系统、太阳帆和热防护系统等。根据有关媒体的分析，在第二次飞行试验中，它也试验了电子系统部件、材料和十分重要的军用载荷。

这份报告介绍了波音公司正在研究X-37B轨道验证飞行器的增大比例构形，希望能够用其向国际太空站（ISS）和其他低地球轨道（LEO）目的地，运送货物和乘员。其目标是提供比波音公司目前正在研制的CST-100乘员飞行器，有更大的货运能力，以及一种可能的、更长期的载人运输能力。未来的计划设想分为三个阶段：

第一阶段将利用现在8.8米长的飞行器，进行飞往国际空间站（ISS）的验证飞行。X-37B将放置在“宇宙神5”火箭直径5米的整流罩中发射。此时，X-37B能够携带诸如ISS控制力矩陀螺仪、蓄电池组放电设备和泵模块等大型物品。第二阶段将研制165%的增大比例方案，大约14.3米长，足以向ISS运送更大的线性替换单元（LRUs），同时降低与航天员往返有关的风险。第三阶段将研制一种能够运送5-7名乘员的载人的飞行器。这个飞行器，波音公司初步定名为X-37C。

飞船和航天飞机各有其长

上世纪80年代后期，我国航空航天界对我国载人航天，是首先发展飞船还是首先发展小型航天飞机，进行过一场热烈的讨论。无疑，由于我国已研制成功了返回式卫星，发展飞船的技术基础较好，而航天飞机的防热瓦等关键技术，我国的基础相对较差。若采用小型航天飞机方案，很可能会推迟将中国航天员送上天的日期。由此可见，我国载人航天采用飞船起步的决策是正确的。

在我国“神舟”飞船上天后，许多媒体在报道这场讨论时，总是把飞船方案说得优点较多，把小型航天飞机方案说得缺点较多，对美国的航天飞机这种航天飞机，更说得一无是处。这也许不是客观和科学的评价。美国的航天飞机，其设计确实并不完美，也发生过两次机毁人亡的特大事故，但它的研制和运行，也为发展航天飞机甚至整个低轨道航天运输系统，都提供了宝贵的经验教训。

如今美国正在发展的新型航天飞机，无论是“追梦者”还是“X-37B”都是采用和飞船一样的运载火箭顶推的方式，因此，飞船和这种航天飞机的不同，主要是再入大气层时，航天飞机的升阻比要比飞船要大。由于升阻比较大，再入时承受的过载就较小，也能像普通飞机那样在地面滑跑降落，从而便于重复使用。但是为了获得较高的升阻比，就要付出增加质量的代价，并降低了容积的利用率。现在看来，从长远来说，飞船和航天飞机各有其长。飞船更适宜于载人登月和载人登火星等太空探索项目。航天飞机在低轨道运行，具有更好的机动性和更低的全寿命费用。由于航天飞机能像飞机那样降落，也可以大大提高航天员在着落阶段的安全性和舒适程度。同时，航天飞机比飞船有较大轨道机动能力和较大再入横向机动距离，因此具有较大军用价值。最后，发展航天飞机是进一步发展空天飞机必须经过的一个技术发展阶段。因此，美国正在研发的新一代航天飞机，不论是“追梦者”，还是X-37C，都值得我们进一步关注。

美国NASA的低轨道航天运输的商业化计划，已取得了初步的成效。美国这种将国家行为和市场经济相结合来发展载人航天的政策，也可为我国航天体制的改革，提供借鉴。

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升力体发展的历史回顾

升力体（Lifting Body）是指不依靠传统的机翼，而是依靠机身机翼融合体来产生升力的一种飞行器构形。早在上世纪40年代，空气动力学家就发现了机翼和机身会产生气动干扰现象，也产生了利用机身来产生升力的想法。上世纪50年代，美国NACA（后来改名NASA）Ames研究中心的两位博士，在研究能够产生升力进行自主控制的弹头时，发现对原本是轴对称的钝锥外形，将上表面削平一些，就可以产生升力，利用这升力，就可对弹头的再入轨道进行控制。这样，就提出了所谓“升力体”的概念。上世纪60年代到70年代，美国NASA就进行了M2-F2、M2-F3、HL-10、X-24A、X-24B等等一系列升力体的研究和试验。

在美国提出升力体概念后不久，苏联也展开了升力体的研究。苏联为了应对美国研发X-20高超声速动力滑翔飞机项目，开始执行一个名叫EPOS（轨道乘员试验飞机）的航天飞机项目，而米格-105则是该项目的验证机。1965年，在X-20下马两年之后，这个项目才开始全面实施，但是在1969年又陷入停顿。接着，为了对美国Space Shuttle作出回应，在1974年再度启动了这个项目，并在1976年进行了米格-105-11亚音速型号的首飞，断断续续的飞行试验一直持续到1978年（一共进行了8次）。到此时，苏联已经决定放弃轨道飞机，转而发展暴风雪号航天飞机，所以该项目就此终结。虽然这个项目结束了，但是在研制过程中所获得的成果，却用到了其它项目中，其中之一就是一个名为BOR（无人轨道火箭飞机）的缩比再入试验飞行器。它类似于美国的x-23精确再入机动返回（PRIME）试验飞行器和60年代的气动热力学弹性结构系统环境测试（ASSET）再入飞行器等项目。BOR-4就是这个大系列里的一个有关升力体的项目。在1982年和1984年间，BOR-4进行了若干次试飞，其中在1982年6月3日，一架皇家澳大利亚空军的P-3猎户座侦察机，获得了西方得到的第一批BOR-4的照片，当时苏联船只正在科科斯群岛附近，回收完成亚轨道试验的一架BOR-4（编号为宇宙1374）。

NASA最终获得了有关苏联BOR-4升力体的相关资料，包括外形、重量和重心信息（部分来自澳大利亚人拍摄到的照片）。1986年底，在NASA兰利研究中，心进行了BOR-4模型的风洞试验。结果证明，它在低亚声速至高超声速的整个飞行速度范围内，都具有良好的气动特性。1986年NASA由于“挑战者”号航天飞机发生机毁人亡的重大事故，迫切需要一种“乘员应急救生飞行器（CERV）”，以应用于计划发展的空间站。20世纪90年代，NASA的兰利研究中心准备研发“乘员运载系统（PLS）”，或称“确保乘员返回飞行器（ACRV）”。以在低运营成本下能够提高飞行安全性。为此，NASA兰利研究中心研发了HL-20升力体构形。

HL-20升力体具有小展弦比的机身，机身下表面和底部是平的，后机身上表面上掠10°，使机身襟翼一开始就有偏转。机身后部有三个垂尾，中间的垂尾较小，两侧的两个垂尾较大，并有50°上反角，在它们的尾缘装有副翼。机身和上下表面各有两个机身襟翼。

NASA对HL-20外形进行了从低速到高超声速的大量风洞试验。试验结果表明，当重心位于54%机身长度的位置时，M数为6和10时，配平攻角分别是24°和23°。相应的升阻比为1.4，非常接近最大升阻比的值，可以保障轨道器的最大机动距离大于2000千米。在M数为0.3时配平攻角为11°，其升阻比满足安全着陆的要求。若将侧垂尾的剖面，由钝平板改成翼型后，升阻比可提高到4.2。

随着后来美国的“自由号空间站”成为了“国际空间站”，约翰逊空间中心的X—38方案击败了其它方案，成为了空间站乘员应急返回飞行器。兰利研究中心的HL-20方案，在没有进入实际制造阶段就便叫停了。后来NASA兰利研究中心剩用在研发HL-20升力体过程中积累的技术，又提出了HL-42轨道器项目，这里的42主要代表其尺寸是在HL-20升力体的基础上放大了42%（同时它的长度也正好是42英尺）。后来，由于缺乏资金，这个项目也没有实施。

NASA除了在HL-20上采用升力体构形外，还在X-33和X-38上也采用升力体构形。NASA对这两个项目都进行了大量风洞试验，从而积累了大量的气动数据，可为今天SNC公司研发“追梦者”轨道器参考。X-33是由洛马公司著名的“臭鼬工程队”研制的，它是无人驾驶单级入轨可重复使用航天运载器“冒险星”的1/2缩比的样机。X-33将为“冒险星”验证几项关键性的技术，即采用气动塞式喷管发动机的升力体构形，适于飞行使用的轻型复合材料结构（如液氢贮箱），防热技术和高效率的运行技术等。试验的目标之一是要连续3次实现7天内再次飞行，并要有一次在两天内再次飞行。2001年3月，由于难以突破技术难关，NASA取消了已经耗资了13亿美元的X-33项目。

X-38是一种国际空间站乘员返回飞行器（CRV）的样机，作为航天员紧急逃逸使用。根据设计构想，CRV将由在轨道飞行的航天飞机从货舱中释放，然后与国际空间站进行对接，必要时可携载最多7名航天员离开，最后用降落伞返回地面。它采用了NASA曾研究过的X-24A升力体的外形。X-38在1998至2001年，利用B-52飞机，进行了8次空中投放试验，累积了大量数据。X-38计划在2002年4月由于资金不足而被终止。

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