美国未来载人航天器的发展与规划

美国未来载人航天器的发展与规划
早在航天飞机退役前，美国航天界就出现过大量的新一代载人航天技术方案，但是因为种种原因，直到航天飞机时代行将结束，也没有一个方案可以立即接替上来工作。由于航天飞机系统的退役与新载人航天系统的建立，这个政策制订过程跨越了小布什（George W. Bush）和奥巴马（Barack Obama）两届政府，所以美国新的载人航天器发展规划必然会体现出这两届政府在载人航天领域的相应观点。
NASA的权衡
长期以来美国国家航空航天局（NASA）一直都以航天飞机作为载人航天的核心平台，但是航天飞机系统复杂，运作成本居高不下。同时，其许多技术上的局限性使得NASA载人航天几十年来都被束缚于低地球轨道，难以执行深空载人航天项目。所以对新的航天政策和技术的需求就成为美国政府和NASA必须要面对的问题。
布什政府的星座计划
                
                
猎户座飞船在月球轨道（星座计划概念图）
                
                
2009年10月28日，星座计划一部分的战神I－X型运载火箭成功发射
星座计划是美国前总统小布什政府时期航天政策的一个主要反映，这个计划包括在月球上建立一个中转基地以压缩深空载人航天项目的成本，进行广泛的技术准备，最终的目标是登陆火星和其它天体目标，同时带动科技水平的提高。这个概念很宏大，牵扯到运载火箭、宇宙飞船、着陆器等一系列项目，因此也面临着技术和成本等方面的压力。
奥巴马政府的载人航天政策
自奥巴马政府上台以来，振兴美国经济是当务之急，因此控制预算成为重点，在这种情况下，许多进度拖延和成本超支的项目都成了考察的首要目标，这其中就包括星座计划。奥巴马认为星座计划“成本超支，进度落后，了无新意”。2010年，在经过激烈的争论后，奥巴马政府正式结束了星座计划。随着星座计划结束，美国新的载人航天政策也浮现了出来，只是目标变成了远期的登陆小行星和火星，而不是先重登月球。为了实现这些目标，NASA在继续一些星座计划中遗留项目的同时，开始了一批新项目的发展，包括：重型发射载具、商业乘员研发（CCDev）、商业轨道运输服务项目（COTS）等等。在这些新的项目中，NASA向更多近地轨道载人航天服务领域引入了私营企业，以期降低成本，以便自身腾出手来进行深空载人航天项目。
第三方的建议
                
                
朱庇特系列运载火箭方案
在美国政府和企业制定载人航天项目时，一些航空航天领域的组织和机构也提出了自己的建议。以“直接”项目（DIRECT）为例，这是一个重型发射载具架构建议，以支持NASA新的深空探测，它替代了NASA的战神I和战神V两个运载火箭项目。项目中包括采用航天飞机洐生技术的朱庇特运载火箭，而在2011年推出的项目2则更加野心勃勃，内容包括：利维坦重型发射载具、奥林匹亚轨道支援站、加里恩重型货运飞船、阿尔戈和海里奥斯空间站、阿耳特弥斯人员货物飞船等。之所以用“直接”作为项目名，是想突出最大限度利用当前航天飞机的相关软硬件技术这个特点。
NASA未来主要的载人航天器相关项目
乘员探索飞行器（猎户座飞船）
                
                
洛克希德·马丁制造中的猎户座飞船
在星座计划中，猎户座飞船被设计为一种轨道航天器，主承包商是洛克希德·马丁公司，波音公司负责主要的热防护系统。NASA原来计划通过不同的猎户座配置来满足不同的任务。批次I型用于国际空间站补给、人员轮换和低地球轨道任务。批次II和批次III型用于深空载人探测。猎户座飞船可以大致分为三个主要部分：一个类似于阿波罗计划中指令舱的乘员舱（CM），但是可以运载4至6名宇航员；一个包括主推进系统和消耗品的圆柱服务模块（SM）；一个用于发射故障中宇航员逃逸的发射中断系统（LAS）。设计上的CM部分可以重复使用10次。猎户座飞船可以与一个名为月球表面访问模块（LSAM）的着陆舱进行组合。
虽然奥巴马终止了星座计划，但是猎户座飞船却得以幸存，只是对项目的要求变成了只要在低地球轨道运作，同时作为CCDev和CTOS的一种备份措施。运载能力上也只要求搭乘4名宇航员。原来计划由战神I型火箭来发射，但是由于作为星座计划一部分的战神火箭项目被放弃了，所以现在准备用更便宜的重型发射载具来进行发射。
空间发射系统（SLS）
SLS是NASA设计的一种洐生自航天飞机技术的重型发射载具（HLV），有些类似于朱庇特运载火箭。在星座计划结束的同时，战神运载火箭也被取消，为了能够满足新的航天政策的需要，NASA将原来战神I和战神V两个项目的载人与载货需求进行了合并。新的设计要求不带上面级时，作为中转能将70吨至100吨载荷送入低地球轨道，然后载荷可以进入更高的轨道执行任务。加上上面级后SLS能够将130吨或更重的载荷送入低地球轨道。计划中SLS将于2016年开始运转。设计上SLS采用航天飞机的主发动机，4段式的航天飞机固体火箭助推器与外部燃料箱总体上也保持不变。比起战神V超重型运载火箭来开发时间上要少一些。不过阿连特技术公司（ATK）仍然在发展5段式的固体火箭助推器，此外上面积的选择也处在一个开放状态。
为美国长期非大气层通用运输准备探测项目（鹦鹉螺X）
                
                
鹦鹉螺X
这是由NASA下属约翰逊航天飞行中心领导的一个低地球轨道外空间探索项目，在2011年1月提出的方案中，研究一种多任务载人深空探测器，可以搭载6人进行24个月的探测。其动力系统包括不同的低推力高比冲设计。鹦鹉螺X可以与国际空间站集成和检测，然后进行深空探测，目标包含拉格朗日点（地月L1，日地L2）、近地小行星和火星轨道目的地。考虑到人体健康，方案中还包括人造重力等措施。
美国主要私营航天企业及其关键载人航天项目
SpaceX（太空探索技术公司）
在参与航天行业竞争的公司中SpaceX无疑是最引人注目的一个，它是由贝宝公司创使人之一的埃龙·穆斯克（Elon Musk）投资成立的。该公司在航天领域雄心勃勃，有着从运载火箭到货运飞船的众多产品项目。值得一提的是在2010年12月，SpaceX成为了历史上第一家能够发射一艘飞船进入低地球轨道，并使之返回地球的商业公司。目前SpaceX公司参与航天市场竞争的主力产品是其猎鹰系列运载火箭和龙飞船。
                
                
SpaceX猎鹰系列运载火箭
猎鹰系列运载火箭包括：猎鹰1基本型（第一级灰背隼1A，第二级红隼）；猎鹰1加强型（第一级灰背隼1C，第二级红隼）；猎鹰1E（第一级灰背隼1C，第二级红隼）；猎鹰5运载火箭（第一级5台灰背隼1C，第二级1台灰背隼1C，这个项目现在已经取消）；猎鹰9运载火箭（第一级9台灰背隼1C，第二级灰背隼。猎鹰9已完成了运载龙飞船的发射任务）；猎鹰重型运载火箭（原来被称为猎鹰9重型，芯级9台灰背隼1D，两个助推器各有9台灰背隼1D，所以起飞时有27台灰背隼1D发动机工作，上面级1台灰背隼1D）。
                
                
                
                
2010年12月，龙飞船从轨道返回地球
龙飞船是SpaceX公司为了货运和人员运输所开发的航天器，可以与空间站对接，进行纯货物运输。设计上未来将可以运载7名航天员进入太空，或者是执行人货混载任务（进入低地球轨道）。龙的防热盾在设计上能够承受从月球和火星完成任务后的再入段工作。
蓝色起源公司
蓝色起源是一家比较低调的私营航天公司，它是由跨国电子商务公司亚马逊的创始人杰夫·贝索斯（Jeff Bezos）投资建立的。该公司的产品最初定位于亚轨道，包括新谢伯德亚轨道飞船。此外该公司积极参与NASA的CCDev项目，并提出了轨道飞船计划。
                
                
蓝色起源新谢伯德亚轨道飞船
                
                
蓝色起源复合材料压力容器
新谢伯德为一种可重复使用发射载具，能够垂直起飞，垂直着陆，是作为一种商用亚轨道飞船而开发的。该飞船采用自带计算机控制，而无需地面控制。它的动力系统采用高浓度过氧化氢（HTP）和RP－1煤油作为推进剂。在起飞后110秒，新谢伯德到达40千米高度，然后进入一个无动力惯性飞行阶段，并最终到达约100千米的高度。到达最高点后，它开始下降，在垂直着陆前几十秒再启动主发动机。计划中整个任务耗时约10分钟。为了保证乘员安全，它装备有独立乘员舱，可以通过固体推进器分离并使用降落伞着陆。该项目已经进入初期飞行测试阶段。2011年3月，蓝色起源公司提出用新谢伯德来竞争NASA的亚轨道可重复使用运载器（sRLV）项目。
2011年4月蓝色起源公司获得了CCDev项目的一份合同，在合同下该公司将进一步发展其发射中断逃逸系统和复合材料压力容器。这将成为一个大的双锥胶囊形轨道飞船的一部分，并通过阿特拉斯V（402构型）运载火箭进行发射。
维珍银河公司
维珍银河是由英国维珍集团创始人理查德·布兰森（Richard Branson）建立的一家公司，总部位于美国新墨西哥州拉斯克鲁塞斯。该公司初期项目包括亚轨道旅游服务，亚轨道空间科学任务和轨道发射小型卫星任务等。远期目标则是载人轨道飞行。公司提供的主力产品包括太空船1号、太空船2号两种亚轨道飞机。此外该公司也参与了NASA的sRLV项目竞争，并计划用太空船3号进行亚轨道点对点运输飞行。
                
                
白骑士母机挂载太空船1号飞行
                
                
太空船1号飞行
太空船1号是由莫哈韦航宇风险投资公司（由微软原创始人之一的保罗·艾伦和比例复合公司的伯特·鲁坦联合建立的）所研制，维珍银河通过与该公司签订合同来进行一系航天产品的运作。太空船1号作为一种实验性空射亚轨道飞机，采用双尾可变半三角翼设计，装备一部混合火箭发动机。它可以搭乘1名飞行员和2名旅客，通过白骑士载机载到空中进行发射，最高速度在3.09马赫。2004年6月21日，2004年9月29日，2004年10月4日，太空船1号先后三次超过了国际航空联合会（FAI）定义的100千米宇宙飞行高度，从而赢得了价值1000万美元的安萨里X大奖。目前太空船1号已经退役。
                
                
白骑士2母机挂载太空船2号
                
                
太空船2号滑翔测试
太空船2号是由比例复合公司和维珍银河公司联合开发的一种亚轨道飞机，比例复合公司模型编号339。该机由白骑士2母机携载，进入1.52万米高度时，从母机分离，在8秒内进入超音速飞行，70秒后火箭发动机关机，该机到达飞行中的最高点。该机采用所谓羽毛飘再入方式，进行跨大气层飞行，这样是为了降低再入速度，可以从任何角度再入大气层，滑翔返回航天港需要大约25分钟时间。目前维珍银河公司订购了5艘太空船2号产品，其中2艘已经命名，该项目已进行过多次滑翔测试。
太空船3号是维珍银河构思的一种亚轨道点对点运输飞行器，从伦敦到悉尼只要两个小时。
SNC（内华达山公司）
SNC是一个美国电子系统供应商和系统集成商，业务包括微卫星、能源、远程医疗、纳米技术以及商业轨道运输服务。该公司在航天领域推出的主要产品是追梦者升力体太空船，并成功获得了NASA的CCDev项目合同。
                
                
SNC追梦者升力体太空船
追梦者是一种垂直发射，水平着陆的升力体太空船，基于原来NASA的HL－20升力体设计，可以进行轨道和亚轨道飞行。该太空船可以运载最多7名乘员，进入低地球轨道。计划的发射载具是阿特拉斯V（采用402构型）运载火箭。追梦者原来曾参与过NASA的COTS项目竞争，但是在第1阶段就被淘汰。随后该项目又参与了CCDev项目的竞争。追梦者计划于2012年由维珍银河公司的白骑士载机搭载进行滑翔测试。
比格罗公司
比格罗公司是由美国廉价套间连锁旅馆业商人罗伯特·比格罗（Robert Bigelow）于1998年创建的一家航宇公司。该公司在航天领域的推出的主力产品是充气式太空舱，其设计源自NASA的TransHab项目。
                
                
比格罗起源I号充气式太空舱从轨道发回的照片
                
                
比格罗阿尔发充气式空间站方案
比格罗公司的充气式太空舱采用了维克特纶纤维，其多层柔性舱壁在设计上有着比国际空间站更高水平的防撞击能力，在2006年和2007年，比格罗公司的起源I号和起源II号实验型太空舱先后由俄罗斯第聂伯运载火箭发射入轨成功运转。更大的太空舱计划使用SpaceX公司的猎鹰9运载火箭或者ULA的阿特拉斯V运载火箭。比格罗公司的另几个太空舱项目也在进行，包括日舞者、BA－330、BA－2100等等。而比格罗商业空间站的设计则是基于其不同太空舱的对接组合。在2011年1月，比格罗公司向NASA提供了一个环状太空舱方案，被称为比格罗可扩展活动模块（BEAM）以用于国际空间站，同时还可作为NASA鹦鹉螺X载人深空探测器的一个演示项目。
XCOR
XCOR是由原旋转火箭公司成员创建的一家火箭发动机和空间飞行公司，总部位于加利福尼亚州莫哈维航天港。该公司经营的产品主要是各种火箭飞机和相关的技术，其中的山猫式亚轨道火箭飞机是其参与航天竞争的拳头产品。
                
                
XCOR山猫
山猫是一种水平起飞水平着陆的亚轨道火箭飞机。设计上装备4部5K18型液氧煤油火箭发动机，目前有2个方案，山猫I型只能到达62千米的高度，山猫II计划中可以到达100千米以上的高度，加上背舱后，可以将微卫星或纳米卫星送入低地球轨道。山猫的运作过程大致是先启动4台发动机进入一个大角度上升，在到达42千米高度时发动机关机，并通过惯性一直上升到61千米高度，然后进入一个4分多一些的失重状态，接着进入再入段，采用无动力滑翔方式着陆，整个过程约耗时30分钟。该项目已进行过多次地面测试（包括发动机、风洞等），目前的计划是在2012年对山猫I型进行试飞。
OSC（轨道科学公司）
OSC在实力上要明显优于前面提到的那些新一代私营航天企业。该公司生产和销售各种导弹、卫星、火箭等产品，客户已包括美国军方和许多政府组织。该公司目前积极涉入新的商业航天领域，新提供的项目包括天鹅座货运飞船。
                
                
                
                
OSC天鹅座货运飞船
天鹅座货运飞船是OSC为了参与COTS而提出的方案，包括两个基本部分，一种是服务模块，一种是货运模块，带推进剂全重1800千克。该飞船能够携带两种货物，一种是基于意大利多功能后勤仓的加压货物，还有一种是基于NASA的ExPRESS后勤运载器运输的非加压货物。计划中还在考虑增加机械手功能。天鹅座货运飞船将使用金牛座II型运载火箭进行发射。