追夢者,黎明攝于NASA阿姆斯特朗研究中心跑道 Credits: NASA
以成為貨物運載的主力為目標,空天飛機要定期發(fā)射到低地球軌道上,進行空間站補給及乘員運輸。這就對空天飛機提出了21世紀的設(shè)計標準:能經(jīng)常飛,飛得安全,幾乎哪都能降落,運營還要經(jīng)濟。因為NASA航天飛機退役而郁悶的小伙伴又可以開心了:下一代可重用空天飛機即將登場。
NASA蘭利研究中心(Langley Research Center, LaRC)在水平降落升力體(horizontal-landing (HL) lifting bodies)飛行器上花費了數(shù)十年的研究工作,終于開創(chuàng)了空天飛機的新紀元。這類水平降落飛行器(HL vehicles, HLV)的一大特征是它的基本翼(rudimentary wings),酷似向上揮舞的蝠鲼胸鰭。飛行器在從軌道返回,經(jīng)過大氣層的降落過程中,它寬扁的雪茄形機身下產(chǎn)生的壓強遠大于機身上的壓強,進而為飛行器提供了升力。
HL的概念最初由NASA工程師H. Dale Reed于1960年代提出,經(jīng)歷了一系列設(shè)計變更和改進,最終進入了載人飛行實驗階段。其中,被蘭利的工程師們評估的第十個設(shè)計,諾斯洛普(Northrop)HL-10,被用于研究具體的結(jié)構(gòu)改進。在制造任何全尺寸飛行器之前,研究人員在蘭利的實驗室和風(fēng)洞對縮比模型進行了大量早期研究。
1966年7月至1975年11月期間,在NASA飛行研究中心(Flight Research Center,現(xiàn)阿姆斯特朗研究中心,Armstrong Research Center),含HL-10在內(nèi),共有五個型號的重型升力體飛行器進行了飛行測試,用于驗證無翼飛行器的可操縱性和降落安全性。升力體研究項目中獲取的數(shù)據(jù)對航天飛機項目的推進起到了至關(guān)重要的作用。
NASA蘭利研究中心全尺寸風(fēng)洞中的HL-10升力體大氣再入飛行器的28英寸模型,正在測定其低速靜穩(wěn)定和操縱特性?!redits: NASA
新型號
1980年代,前蘇聯(lián)為當時的暴風(fēng)雪航天飛機項目開發(fā)了小尺寸無人試驗平臺BOR-4,這促使蘭利發(fā)展HL-10的后繼型號。新型號名為 HL- 20,或“個人發(fā)射系統(tǒng)(Personal Launch System, PSL)”。這項工作的目標很簡單:評估低成本運營的可行性,改進飛行安全性,并評估常規(guī)跑道著陸的可能性。 與PSL研究同步開展的,是在蘭利實驗室進行的風(fēng)洞測試和載人模擬著陸試驗。
1990年代,北卡州立大學(xué)(North Carolina State University)和北卡農(nóng)業(yè)技術(shù)大學(xué)(North Carolina A & T University)建造了一個29英尺的全尺寸HL-20地面模型,用于研究乘員的座位安排,可居住性,設(shè)備布局以及最優(yōu)進出方式。雖然PSL最終沒有進行飛行測試,但最終成為了塞拉內(nèi)華達公司(Sierra Nevada’s Corporation, SNC)的追夢者(Dream Chaser)型號的基礎(chǔ)。
HL-20與空間站接駁的藝術(shù)想象圖 Credits: NASA
任務(wù)多樣性
2016年1月,SNC和另外兩家公司被授予了2019-2024年國際空間站(International Space Station, ISS)貨運任務(wù)的合同。根據(jù)NASA商業(yè)乘員計劃(Commercial Crew Program)的條款,以及作為空間法協(xié)議(Space Act Agreement)的一部分,SNC能夠為追夢者的研究和實驗使用第三方風(fēng)洞設(shè)備。這就又回到了蘭利。追夢者的縮比模型在蘭利的風(fēng)洞群(Unitary Plan Wind Tunnel)內(nèi)進行了大量實驗,收集到的氣動數(shù)據(jù)大大擴充了追夢者的性能數(shù)據(jù)庫。
NASA蘭利風(fēng)洞群中的SNC追夢者模型 Credits: NASA
雖然僅有已退役的航天飛機的四分之一那么大,追夢者還是能搭載七名乘員。雖然只有一套飛行器機身框架,但是有兩種系統(tǒng)改型,分別針對有人和無人飛行任務(wù)進行了優(yōu)化。SNC堅信,追夢者可以被重復(fù)使用15次,甚至更多,多于任何其他現(xiàn)役航天器。另一個賣點是,追夢者的任務(wù)靈活多變,可以進行遙感,衛(wèi)星維修,甚至是“碎片主動清除”,也即空間垃圾清理。