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记忆中的“太空船一号”

来源:荣格 发布时间:2017-06-24 845
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2015年7月,当飞过冥王星时,美国航空航天局(NASA)的太空探测器创造了一部分很小但却很有意义的太空历史:一颗小型的碳纤维太空船。Liz Nickels回顾了这一开创性复合材料商业航天器11 年来的发展情况。

2015年7月,当飞过冥王星时,美国航空航天局(NASA)的太空探测器创造了一部分很小但却很有意义的太空历史:一颗小型的碳纤维太空船。Liz Nickels回顾了这一开创性复合材料商业航天器11 年来的发展情况。

就其本身而言,该飞船最远只能到达亚轨道飞行;但在这个月,太空船一号(SpaceShipOne)的一个三英寸的部件与太阳系外层空间相遇了。这一组件是新地平线号(the New Horizons)探测器上8 个地球纪念品组中的一部分,它创造了飞过冥王星的历史性飞行,离开的时候拍摄到了这颗矮行星史上最清晰的照片。这种热压处理过的碳纤维材料是飞行座椅的一部分,由预浸渍碳纤维和LTM 45环氧树脂制成,代表了用来构建创新工艺的增强塑料材料的广泛应用。

为了保持太空纪念品的传统,“太空船一号”包含了一则关于其重要性的信息。一侧写着:“为了纪念其在太空飞行进程中所扮演的历史角色,这艘宇宙飞船正飞行在另一个历史性飞船上:新地平线号。新地平线号是地球对冥王星的第一个使命,冥王星是太阳系中最著名的行星。”另一侧则写着:“太空船一号是地球上第一艘私人资助的载人飞船。2004 年,太空船一号从美国起飞。”

碳纤维部件是由Cory Bird 研发出来的,Cory Bird 是美国缩尺复合材料公司(Scaled Composites 公司)的现任副总裁兼总经理,该公司建造了太空船一号。美国缩尺复合材料公司(Scaled Composites)位于美国加利福尼亚州莫哈韦市,主要从事航空和特种复合材料的开发。该公司由伯特• 鲁坦(Burt Rutan)成立于1982年,专注于航空器的设计、加工和制造,特殊复合材料结构的设计、分析和制造,以及空中和太空车辆的发展性飞行试验。

缩尺复合材料公司(Scaled Composites)的总裁Kevin Mickey表示:“太空船一号是太空飞船历史性时刻的一部分,越来越多的私营公司致力于为所有人打开太空通道。通过在新地平线号上拥有这个太空船一号的飞行员座位,有可能改变我们对太阳系的认知方式,我们很荣幸能够获得认可。”

获奖的工艺

在2004年10月,太空船一号成为第一艘在14天内两次飞跃328,000英尺高度的私人载人航天器,获得了1000万美元的安萨里X 奖(Ansari X-Prize)。

安萨里X奖航天竞赛给来自世界各地的航空航天爱好者带来了挑战,以建造一个可靠、可重复使用的私人资助的载人太空飞船,该飞船能够在两周内两次运送三个人达到地球表面以上62英里(100公里)。来自7个国家的26支队伍参赛竞争这一奖项,总共投资了一亿多美元用于研发。

太空船一号在15P 飞行期间挂载在白骑士(White Knight)的下 方。照片由Jim Campbell/ 航空新闻网和缩尺复合材料有限责任公司 (Scaled Composites)提供。

太空船一号在15P 飞行期间挂载在白骑士(White Knight)的下方。照片由Jim Campbell/ 航空新闻网和缩尺复合材料有限责任公司(Scaled Composites)提供。

这一1000万美元的安萨里X 奖是以25,000美元的奥泰格奖(Orteig 奖)为模型的,查尔斯• 林德伯格(Charles Lindbergh)于1927年获得了奥泰格大奖。林德伯格的飞机由Ryan Aircraft公司建造,也就是后来的诺斯罗普• 格鲁门(Northrop Grumman)公司,不久后他们恰巧接管了缩尺复合材料公司(Scaled Composites)。

缩尺复合材料公司(Scaled Composites)当时的副总裁Mike Melvill驾驶这艘太空船飞到了100公里的高度——这是非政府资助的飞船所抵达的最高海拔高度。在这个高度,一种接近失重的状态出现了,而且飞行员能看到太空的黑色和地球弯曲表面上方的蓝色大气层线条。

在被白骑士(White Knight)母舰释放后,太空船一号点燃了其发动机。 由Vulcan Productions / Discovery Channel 提供。

在被白骑士(White Knight)母舰释放后,太空船一号点燃了其发动机。由Vulcan Productions / Discovery Channel 提供。

该公司建造航天器进入太空的概念可以追溯到1996年的4月。根据缩尺复合材料公司(Scaled Composites)记录,伯特•鲁坦于1997 年发起了一级太空发射系统的概念设计,一级发射航天器的一些概念在鲁坦的Proteus高空多任务飞机上进行了实施,该飞机首飞于1998年的7月26日。全面的开发计划则始于2001年5月。据该公司介绍,整个项目的费用不到4000万美元,远低于政府赞助的计划项目。2000万美元来自慈善家、微软联合创始人保罗• 艾伦(Paul G Allen),他同时也是Vulcan Inc公司的创始人兼董事长,这家公司研发了该航天器的一些发动机技术。

飞行的两个阶段

一级飞行器包括两个阶段:白骑士(the White Knight)火箭运载飞机和太空船一号太空飞船。该计划将是由白骑士运载着太空船一号悬挂在下面距离机场基地65公里的地方,并以215公里/小时的速度在15公里的高度上释放。太空船一号将发射它的火箭发动机并进入84度爬升状态,在燃烧65到80秒之后,发动机将关闭,航天器则继续弹道上升至110公里高度。随后再重新进入大气层,滑翔降落。

太空船一号是一种空中发射的火箭动力飞机,具有亚轨道飞行能力,使用了一种混合火箭发动机。该设计的特点是采用“羽状”的大气再入系统,其中机翼的后半部和双尾撑沿着机翼长度方向的铰链向上折叠,以在增加阻力的同时保持稳定。

缩尺复合材料公司(Scaled Composites)制造了该飞船大部分的复合材料部件。太空船一号许多的外部和内部部件均采用纤维增强塑料(FRP)制成,包括由英国先进复合材料集团公司(Advanced Composites Group)提供的LTM 45EL 预浸料。机身是由碳纤维增强环氧树脂和Nomex 蜂窝芯制成的单壳结构。机翼也使用了碳/ 环氧树脂表面,建造在结构肋上。机翼的前沿和火箭飞机的腹部采用了一种红色的烧蚀材料,将在每次任务之前重新进行涂覆。

在内部,氮氧化剂罐和燃料外壳(混合动力马达最大的部件)是用复合材料制成的,并由缩尺复合材料公司(Scaled Composites)设计。在水平稳定器的尾部,加热比较少,玻璃纤维被用作透明无线电皮肤材料。该罐具有复合材料衬套,并且使用了具有石墨和环氧树脂结构的高温复合材料绝缘体来制造燃料外壳。在几个高温区域中,外表皮使用酚醛树脂代替了环氧树脂,因为它具有更好的耐热性。

太空船一号主要用于测试安全、经济实惠的亚轨道客运航天飞行所需的技术,已经服役完成,在获得安萨里X奖后,现在悬挂在美国华盛顿特区的国家航空航天博物馆。

太空船二号

随着太空船一号的成功,缩尺复合材料公司(Scaled Composites)与英国维珍银河公司(Virgin Galactic)的创始人理查德• 布兰森(Richard Branson)爵士签署了一项协议,组建了一家新公司,以建造商业亚轨道太空飞船和运载飞机。缩尺复合材料公司(Scaled Composites)开发的太空船二号和白骑士二号(WK2)发射系统的设计属于这个新公司。

太空船二号和白骑士(White Knight )二号在他们的新家,维珍银 河公司(Virgin Galactic Gateway)通往太空的大门。 照片由Mark Greenberg 提供。

太空船二号和白骑士(White Knight )二号在他们的新家,维珍银河公司(Virgin Galactic Gateway)通往太空的大门。 照片由Mark Greenberg 提供。

太空船二号是一艘60英尺长(18.3米)的航天器,也是用碳纤维复合材料制成的,来确保高强度和节省重量。该设计由混合火箭发动机提供动力,并且有一部分是基于第一代太空船一号开发的技术。太空船二号和白骑士二号分别是第一代太空船一号和母舰白骑士大小的大约两倍。碳纤维航天器于2007年开始建造,预计将在地球上空50,000英尺(16公里)以上的轨道行驶。根据维珍公司的说法,现在更名为维珍太空船(Virgin Space Ship,VSS)的“太空船二号”(SpaceShipTwo,SS2)是世界上最大的全碳复合材料飞机。

“ 白骑士二号” 由四台普拉特. 惠特尼(Pratt and Whitney)PW308A发动机提供动力,它们是目前可用的最强大、最经济和最高效的发动机之一。设计的WK2母舰旨在举起其他的有效载荷并将其送入太空。

太空船二号在成功的火箭飞行过程中的特写。照片由缩尺复合材料公 司(Scaled Composites)提供。

太空船二号在成功的火箭飞行过程中的特写。照片由缩尺复合材料公司(Scaled Composites)提供。

不幸的悲剧不久震惊了人们,在莫哈韦空军和太空港(the Mojave Air and Space Port)的氧化剂流测试中发生了爆炸,造成三名工人死亡,三名以上工人受伤严重。该公司当时表示:“毫无疑问,我们对这次事故感到非常惊讶,因为我们在类似系统上进行了无数次测试,包括太空船一号火箭发动机。”“关于一氧化二氮(N2O)作为火箭发动机氧化剂的知识文件主要部分并没有告诉我们发生这种事情的可能性。然而,由于这一严重的意外事故发生了,我们不得不回头看看发生了什么,以及事故是怎么发生的。”2014年10 月,这架飞机在一次动力飞行测试中遭遇了一次飞行解体,导致一名飞行员丧生,另一名飞行员受伤。

尽管如此,这些公司仍继续开发这款飞机,以期在不久的将来仅用二十万美元开始商业飞行。飞行总时长将大约是2.5小时,但仅仅有几分钟会是在太空中。维珍银河公司(Virgin Galactic)现在用370名顾客的总计五千万美元押金,前进在世界一流商用空间线路的路上。

太空船一号的孩子

太空船一号不仅为太空行业,还给其他私人开发商提供了发展机会。另外两个创新复合材料工艺的例子包括Space X的龙飞船(Dragon spacecraft)和猎鹰火箭(Falcon rocket),猎鹰火箭是一种由SpaceX 设计和制造的两级火箭,用于安全可靠地运送卫星和龙飞船进入轨道。意识到可以通过增加用于建造航天器的材料的强度重量比来显著提高其性能,SpaceX 决定通过采用先进的复合材料来提高猎鹰火箭和龙飞船密封舱的性能。据西门子公司介绍,他们向该公司提供了Fibersim软件,用于设计及制造猎鹰火箭和龙飞船密封舱上各种复合材料部件。Fibersim用于开发生产纤维定位图和激光投影文件。它还用于协助航天器热保护系统实际的光纤放置,包括隔热罩、外部面板、火箭和航天器上的绝缘层,以及鼻锥和发动机周围的几个面板。

Space X 的龙飞船。图片来源:Space X。

Space X 的龙飞船。图片来源:Space X。

TenCate先进复合材料公司(TenCate Advanced Composites)还为SpaceX的猎鹰9号(Falcon 9)火箭提供了高级复合材料。包括用于航天器结构的高温预浸料,用于在模压部件中堆积模塑化合物。

“SpaceX 继续将门槛设置得越来越高。他们真正展示出了创新和团队合作的力量。”时任TenCate高级复合材料公司的总裁Joe Morris表示,“能够利用我们公司先进的复合材料为SpaceX所有的关键平台提供支持,我们感到自豪和荣幸。”

龙飞船的压力容器用铝制成,其热保护系统的承载结构和主要的隔热罩由双马来酰亚胺(简称BMI)预浸料制成。它还有由轻质环氧浸渍碳泡沫制成的隔热烧蚀材料。

Space X 的猎鹰火箭。图片来源:Space X。

Space X 的猎鹰火箭。图片来源:Space X。

2010年,轨道ATK 公司(Orbital ATK)开发了飞马(the Pegasus)和米诺陶-C火箭(Minotaur-C rockets),用来发射两颗NASA 的科学卫星。两者都是采用了复合材料整流罩。飞马火箭的有效载荷整流罩包括两个复合材料半壳体、与壳体成一体的鼻帽,以及一个分离系统。每个半壳体都是由一个圆柱体和拱形部分构成的。用底部易碎接头,沿着圆柱体的两个钛金属带,以及鼻锥上的保持螺栓把两个半壳体连到一起。

私人航天器的发展现在已经成为了主流。2011年,NASA获得了为期五年的五十九亿美元的政府拨款,以鼓励私营公司建造、发射和经营自己的航天器,使NASA和其他实体受益。(这个消息也帮助读者接受了政府的其他意思——近期将不再有登月计划。)

美国总统奥巴马当时表示:“太空探索的时代不会等待太久,所以我们不能等待国会来做这个工作,给我们的太空计划提供资金。”“这就是为什么我的行政部门将推动其向前发展,与私营部门开展合作,创造就业机会,并确保美国在探索世界和发现方面继续保持领先。”


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