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下一代可重用空天飞机即将登场
发布时间:2017-09-08     信息来源:NASA中文

追梦者,黎明摄于NASA阿姆斯特朗研究中心跑道

Credits: NASA

以成为货物运载的主力为目标,空天飞机要定期发射到低地球轨道上,进行空间站补给及乘员运输。这就对空天飞机提出了21世纪的设计标准:能经常飞,飞得安全,几乎哪都能降落,运营还要经济。因为NASA航天飞机退役而郁闷的小伙伴又可以开心了:下一代可重用空天飞机即将登场。

NASA兰利研究中心(Langley Research Center, LaRC)在水平降落升力体(horizontal-landing (HL) lifting bodies)飞行器上花费了数十年的研究工作,终于开创了空天飞机的新纪元。这类水平降落飞行器(HL vehicles, HLV)的一大特征是它的基本翼(rudimentary wings),酷似向上挥舞的蝠鲼胸鳍。飞行器在从轨道返回,经过大气层的降落过程中,它宽扁的雪茄形机身下产生的压强远大于机身上的压强,进而为飞行器提供了升力。

无翼飞行

HL的概念最初由NASA工程师H. Dale Reed于1960年代提出,经历了一系列设计变更和改进,最终进入了载人飞行实验阶段。其中,被兰利的工程师们评估的第十个设计,诺斯洛普(Northrop)HL-10,被用于研究具体的结构改进。在制造任何全尺寸飞行器之前,研究人员在兰利的实验室和风洞对缩比模型进行了大量早期研究。

1966年7月至1975年11月期间,在NASA飞行研究中心(Flight Research Center,现阿姆斯特朗研究中心,Armstrong Research Center),含HL-10在内,共有五个型号的重型升力体飞行器进行了飞行测试,用于验证无翼飞行器的可操纵性和降落安全性。升力体研究项目中获取的数据对航天飞机项目的推进起到了至关重要的作用。

NASA兰利研究中心全尺寸风洞中的HL-10升力体大气再入飞行器的28英寸模型,正在测定其低速静稳定和操纵特性。

Credits: NASA

新型号

1980年代,前苏联为当时的暴风雪航天飞机项目开发了小尺寸无人试验平台BOR-4,这促使兰利发展HL-10的后继型号。新型号名为 HL- 20,或“个人发射系统(Personal Launch System, PSL)”。这项工作的目标很简单:评估低成本运营的可行性,改进飞行安全性,并评估常规跑道着陆的可能性。 与PSL研究同步开展的,是在兰利实验室进行的风洞测试和载人模拟着陆试验。

1990年代,北卡州立大学(North Carolina State University)和北卡农业技术大学(North Carolina A & T University)建造了一个29英尺的全尺寸HL-20地面模型,用于研究乘员的座位安排,可居住性,设备布局以及最优进出方式。虽然PSL最终没有进行飞行测试,但最终成为了塞拉内华达公司(Sierra Nevada’s Corporation, SNC)的追梦者(Dream Chaser)型号的基础。

HL-20与空间站接驳的艺术想象图

Credits: NASA

任务多样性

2016年1月,SNC和另外两家公司被授予了2019-2024年国际空间站(International Space Station, ISS)货运任务的合同。根据NASA商业乘员计划(Commercial Crew Program)的条款,以及作为空间法协议(Space Act Agreement)的一部分,SNC能够为追梦者的研究和实验使用第三方风洞设备。这就又回到了兰利。追梦者的缩比模型在兰利的风洞群(Unitary Plan Wind Tunnel)内进行了大量实验,收集到的气动数据大大扩充了追梦者的性能数据库。

NASA兰利风洞群中的SNC追梦者模型

Credits: NASA

虽然仅有已退役的航天飞机的四分之一那么大,追梦者还是能搭载七名乘员。虽然只有一套飞行器机身框架,但是有两种系统改型,分别针对有人和无人飞行任务进行了优化。SNC坚信,追梦者可以被重复使用15次,甚至更多,多于任何其他现役航天器。另一个卖点是,追梦者的任务灵活多变,可以进行遥感,卫星维修,甚至是“碎片主动清除”,也即空间垃圾清理。

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