國外亞軌道旅游最新發展分析

趙琪 何慧東 宋國梁（北京空間科技信息研究所）

國外亞軌道旅游業務快速發展，太空船二號、“新謝潑德”系統在2021年相繼搭載乘客進入亞軌道，亞軌道飛行正在從早期的試驗性質逐步向商業性質轉變，世界開啟亞軌道旅游“元年”。

1 亞軌道旅游進展

當前，亞軌道旅游服務取得重要突破，以2021年為例，國外共實施8次亞軌道飛行任務，其中4次任務搭載了乘客，世界進入亞軌道旅游“元年”。

2021年7月11日，維珍銀河公司（Virgin Galactic）在新墨西哥州的美洲航天港利用白騎士二號（White Knight Two）載機掛載太空船二號（Space Ship Two）成功實現載人亞軌道飛行。從白騎士二號釋放太空船二號到太空船二號著陸，整個過程持續約13min。本次太空船二號載人飛行任務是維珍銀河公司組織的第4次載人航天飛行，也是公司獲得私人太空飛行商業牌照后的首次飛行，搭載了2名駕駛員和4名乘客，其中包括公司創始人理查德·布蘭森。

2021年7月20日，藍源公司（Blue Origin）在西德克薩斯一號發射場利用“新謝潑德”（New Shepard）系統成功實施首次載人亞軌道飛行，飛行過程持續約10min。本次任務是“新謝潑德”系統的第16次飛行，也是其首次載人飛行，搭載了4名乘客，其中包括公司創始人兼世界首富杰夫·貝佐斯。2021年10月13日和12月11日，藍源公司“新謝潑德”系統開展了第2次、第3次載人飛行，分別將4名和6名乘客送入亞軌道。

2 亞軌道載人系統情況

“新謝潑德”系統

“新謝潑德”系統是美國藍源公司研制的、完全可重復使用的商業亞軌道載人飛行器，系統根據美國首位開展亞軌道飛行并進入太空的航天員艾倫·謝潑德（Alan Shepard）命名。“新謝潑德”系統除了支持亞軌道旅游外，還能夠提供有效載荷飛行機會，支持開展一系列有人參與的教育、研究、技術開發活動，同時能夠支持航天員訓練等活動。目前，藍源公司已開展“新謝潑德”系統座位拍賣相關工作，后續藍源公司計劃逐步實施常態化商業亞軌道飛行。

藍源公司于2000年成立不久即開始乘員艙的設計工作，2010年開始研制“新謝潑德”系統全尺寸樣機，并于2015年完成研制。“新謝潑德”系統通過垂直起飛、垂直著陸（VTVL）方式發射和回收，采用冗余安全設計，能夠完全自主飛行，不需地面控制和人員駕駛。系統由火箭和乘員艙兩部分組成，全長18m，最大直徑3.8m，最多能夠搭載6名乘員，可將乘員、研究載荷等送至卡門線（100km）以上，進入太空環境。

“新謝潑德”系統

“新謝潑德”系統乘員艙為加壓艙段，內部容積為15m，能夠為6名乘員提供舒適的環境，系統可完全自主運行，6人均為乘客，無需駕駛員。每個座位均設在舷窗邊，可以在整個飛行過程獲得寬闊的視場。在所有進入太空的航天器中，“新謝潑德”系統乘員艙擁有最大的舷窗，尺寸為107cm×71cm。

藍源公司已經利用4套火箭和3套乘員艙連續成功完成了18次飛行任務，其典型的飛行方案如下：“新謝潑德”系統整個飛行過程持續約10min，系統從西德克薩斯一號發射場升空，有動力飛行約140s后發動機關機，隨后依靠慣性繼續向上飛行，15s后乘員艙與火箭分離，系統到達105.9km的最大高度后開始下降。火箭著陸前20s發動機重新點火減速，垂直著陸在距離發射臺不遠的著陸臺上。乘員艙再入大氣層后，利用降落傘減速，并著陸在發射點附近。

在起飛階段，“新謝潑德”系統在尾翼控制下，保持2～3°/s的角速度滾轉，從而使艙內乘員每2～3min獲得360°的視角；發射過程的最大過載約3.5g，微重力飛行時間持續3～4min，能夠使乘員獲得良好的觀光體驗。

乘員艙內部視圖

“新謝潑德”系統典型任務剖面

太空船二號

太空船二號是斯卡爾德復合材料公司（Scaled Composites）和維珍銀河公司合作研制的亞軌道載人飛行器。美國斯卡爾德復合材料公司于2004年設計并制造了太空船一號原型機，完成了首次亞軌道飛行。隨后，維珍銀河公司與斯卡爾德復合材料公司合作，向其購買太空船二號。

維珍銀河公司使用的亞軌道載人飛行系統由白騎士二號載機和太空船二號亞軌道飛行器組成。

白騎士二號載機是定制的四發動機、雙機身噴氣式飛機。系統采用雙機身構型，主機翼為單體碳復合材料，配備4臺噴氣發動機，雙尾桁構型使雙機身之間有寬敞的區域用于掛載太空船二號亞軌道飛行器或發射器一號（LauncherOne）小型運載火箭。

白騎士二號全長24m，翼展43m，安裝4臺加拿大普·惠公司（P＆W）PW308渦扇發動機，每臺推力30.69kN，系統最大升限21km，設計能夠攜帶17t的有效載荷至15km高度，或攜帶發射器一號火箭進行安全、高效地空射，將200kg衛星送入近地軌道。運行過程中，能夠搭載2名駕駛員，另可搭載太空船系統的飛行乘組及亞軌道旅游乘客進行訓練。

白騎士二號載機

太空船二號是專為旅游設計的空射型有翼亞軌道飛行器，除了混合火箭發動機在每次飛行后需替換外，其余部分均可重復使用，繼承了太空船一號的技術。

太空船二號整體構型為小展弦比載人亞軌道飛行器，全長18.3m，翼展8.3m，高5.5m，乘員艙長3.7m，直徑為2.3m，質量9740kg，設計最大飛行高度近110km，使用單臺固液混合火箭發動機，最大飛行速度可達4000km/h（3.26馬赫）。太空船二號設計能夠以任何角度再入大氣層，采用羽狀再入系統，適用于較低再入速度情況。

太空船二號最多可搭載8人（包括2名駕駛員），安裝有直徑43cm和33cm兩種尺寸的舷窗以便乘客觀景，所有座椅可在著陸過程中向后傾斜，減少再入過載引起的不適。

以太空船二號搭載4名乘客的“團結22”（Unity 22）任務為例，從載機起飛到亞軌道飛行器降落共耗時約58min。白騎士二號起飛45min后，太空船二號在13.7km高度與載機分離，隨后固液混合火箭發動機點火，系統最高速度達3馬赫，約60s后太空船二號沿亞軌道上升至85.9km的最大高度，隨后開始下降，最終太空船二號滑翔降落在航天港跑道上。

太空船二號結構圖

太空船二號任務飛行路徑示意圖

3 亞軌道飛行特點分析

商業亞軌道旅游進入快速發展階段

自1961年人類首次進入太空以來，載人航天經過了60年的發展，主要活動范圍是近地軌道和地月空間，亞軌道飛行并不占據主流。截至2021年底，世界總共實施352次載人飛行任務，其中只包括26次亞軌道載人飛行。26次亞軌道載人飛行中，包括NASA早期的2次“水星”任務、13次X—15試驗任務，俄羅斯“聯盟”（Soyuz）飛船2次未能發射入軌的異常任務，以及維珍公司的7次亞軌道飛行任務、藍源公司2次亞軌道任務。總計有598人進入80km以上的太空，其中585人進入100km以上的太空，574人進入地球軌道。

隨著航天技術不斷發展成熟，商業航天迅猛發展，亞軌道飛行也從早期的試驗性質逐步向商業性質發展。2000年以來，維珍銀河公司的太空船一號、太空船二號，藍源公司的“新謝潑德”系統等商業亞軌道載人系統接連開展無人或載人飛行，系統逐步發展成熟，并計劃不久后投入正式的商業服務，商業亞軌道旅游已經進入快速發展的新時期。

亞軌道飛行應用廣泛，是搭載載荷的良好平臺

以“新謝潑德”系統、太空船二號為代表的亞軌道系統除了能夠搭載乘客外，還能夠為科學實驗和技術試驗載荷提供飛行機會。NASA航天技術任務部（STMD）支持實施了“飛行機會”計劃（Flight Opportunities），旨在使具有前景的航天技術得到快速演示和試驗，提升未來任務所需技術的成熟度。

“新謝潑德”系統是NASA“飛行機會”計劃采用的可重復使用亞軌道火箭（RLV）之一，自2016年開始為NASA和高校提供載荷搭載機會，目前已累計搭載超過100個載荷。“新謝潑德”系統上設置了標準的載荷機柜，拆除座位后可安裝到乘員艙內的對應位置，飛行中還可支持有人參與的實驗。此外，火箭部分也可搭載非加壓載荷，開展真空環境下的實驗。

亞軌道環境處于空間的邊緣，具備類似空間的部分屬性，包括微重力條件、再入條件、著陸條件、高層太陽暴露、輻射、極限溫度、真空、強烈的航天器振動等。在亞軌道系統上開展飛行試驗，能夠使技術從地面實驗室環境轉移到類似空間的環境，驗證技術可行性，降低未來航天任務的成本和風險。

亞軌道飛行器技術難度遠小于軌道飛行器

目前，SpaceX公司的“載人龍”（Crew Gragon）飛船、藍源公司的“新謝潑德”系統、維珍銀河公司的太空船二號等三型商業系統能夠將乘員送入太空，其中，“載人龍”飛船能夠入軌，而“新謝潑德”系統、太空船二號只能進行亞軌道飛行。

亞軌道飛行器主要飛行范圍在距離地面100km左右，飛行剖面上為直上直下式，最大上升速度約1km/s，水平速度很小，著陸點距離發射點不遠。而軌道飛行器入軌高度通常在200km以上，除了需要出地球大氣層外，水平速度還需要達到約7.8km/s以維持軌道飛行。以獵鷹—9（Falcon—9）火箭和“載人龍”飛船為代表的軌道飛行器在系統規模、技術難度等方面遠大于亞軌道飛行器。

商業亞軌道旅游競爭激烈，發展模式更加創新

近地軌道載人航天活動當前仍主要面向政府用戶，而亞軌道旅游則是直接面向公眾客戶，其競爭更加激烈。藍源公司創始人兼世界首富貝佐斯搭乘“新謝潑德”系統開展首飛，得到了全球的關注，其廣告效應巨大，為樹立客戶信心、贏得后續訂單起到了重要的作用。維珍銀河公司的太空船二號與“新謝潑德”系統面向同一市場和用戶群體。在藍源公司公布2021年7月20日載人首飛、紀念人類首次登月的情況下，為競爭市場份額，維珍銀河公司創始人理查德·布蘭森搶先于7月11日搭乘太空船二號體驗亞軌道飛行，借藍源公司熱度對自身業務進行營銷，取得良好的效果。

在報價方面，太空船二號每座約45萬美元，計劃最早于2022年轉入常態化商業運營；藍源公司尚未公布標準報價，目前仍采用拍賣的方式出售首批座位，首個座位以2800萬美元賣出，顯著高于太空船二號報價，已接近軌道飛行任務的價格，后續藍源或將以更合理的價格推出常態化乘員/載荷搭載服務，競爭亞軌道旅游市場。除了價格外，優化服務和體驗也是重要的競爭點，藍源公司“新謝潑德”系統通過超大舷窗、有人參與的實驗等亮點吸引用戶，太空船二號以空天結合的飛行體驗作為自身特色。在激烈的競爭中，不斷創新發展模式、優化服務已經成為重要的發展方向。

4 結束語

以“新謝潑德”系統、太空船二號為代表的亞軌道飛行器逐漸發展成熟，即將投入常態化應用，亞軌道飛行業務迎來快速發展期。亞軌道飛行器除了開展旅游業務外，還為科學實驗和技術試驗載荷提供了飛行機會，加快創新系統技術的研發。亞軌道系統研制難度相對較低，研發亞軌道飛行器對于完善航天工業基礎、積累航天飛行技術、加速載荷搭載試驗創新、提升航天技術發展水平、推動航天經濟發展具有重要意義。