追梦者：冷战时代的空天战斗机技术逐梦未来私人航天

小火箭出品

本文作者：邢强博士

近日，美国私人航天公司内华达山脉公司的“追梦者”飞行器被运往位于美军加利福尼亚州爱德华兹空军基地的NASA阿姆斯特朗飞行研究中心进行系统测试。这个标志性的事件宣告了后航天飞机时代，一种类似小型航天飞机的设计开始回归。

罩在白色保护罩内的“追梦者”飞行器笼上了一层神秘感。那么，“追梦者”是怎样的一种飞行器？其总体设计理念甚至大量设计细节是如何得益于冷战时期的空天战斗机概念的？未来，这样的飞行器又会以什么样的方式影响我们的生活呢？小火箭将在本文一一与大家进行讨论。

为了追本溯源，找到“追梦者”飞行器的技术来源，小火箭将和你一同回到那个太空探索刚刚萌芽但却又充满激情的冷战时代。

1.冷战时期的空天战斗机

1957年10月24日，美国空军和波音公司正式提出了X-20空天战斗机的计划。该计划要研制一种由洲际弹道导弹以垂直的姿态发射到太空，并且能够在太空执行完侦察、战斗、维护或者摧毁卫星、拦截空间飞行器等任务后，安全返回地面，水平降落在军用机场跑道上的飞行器。

这种飞行器能够在大气层外执行任务，而其本身具有的高超声速飞行的特点使其在大气层内极难被传统战斗机所拦截，而且能滑翔很远的距离。听起来是不是很像是小火箭的“黑科技”系列文章中的二战德国设计的“银鸟”呢？

实际上，空天战斗机计划背后还真的有德国工程师在力推。

而推动美国空天战斗机项目的其中一个重要的工程师就是瓦尔特·多恩伯格。上图为多恩伯格和冯·布劳恩等德国工程师被盟军俘虏时的照片。（前排左边，头戴礼帽、左手拿烟、右手插兜、淡定微笑的那个，就是多恩伯格。前排中间左手打着石膏的是冯·布劳恩。）

瓦尔特·多恩伯格是现代火箭武器的开拓者之一。他毕业于柏林工业大学，后来进入库默斯多夫实验室研制火箭。二战期间被调入佩内明德，成为V-1导弹和V-2导弹的核心研发人员。1945年，被盟军俘虏后，囚禁在英国监狱。1947年，美国设法将其从英国带出，并直接带到美国空军的实验室参与研究工作。1950年起，开始担任贝尔公司高级顾问，后任X-20空天战斗机验证机首席科学家。后来，他得以返回德国老家。

（至此，小火箭系列文章已经对奥伯特、冯·布劳恩、桑格尔夫妇以及多恩伯格等德国火箭工程师做了简介。）

这是冷战时期，美国空军与波音公司提出的用大力神洲际弹道弹道导弹与X-20空天战斗机相结合的运载方案。（左侧和中间的是亚轨道方案，右侧是近地轨道方案。）

在铁幕的另一面，苏联对空天战斗机的概念也进行了大量研究。

这就是被苏联人尊称为“暴风雪航天飞机之父”的洛季诺-洛津斯基博士。

在洛季诺-洛津斯基博士的组织下，苏联进行了BOR系列项目。这些项目大部分不太为人所知，不过有2大型号一定能够引起很多人的回忆：螺旋空天战斗机与暴风雪航天飞机。（暴风雪，小火箭会专门为她写一篇。）

下图就是代号为“螺旋”的米格-105空天战斗机：

如今，米格-105原型机静静地停放在莫斯特东郊的莫尼诺机场附近的空军博物馆（这个博物馆距离莫斯科市区40公里，是目前世界上最大的飞行器博物馆。）

苏联的BOR项目和米格-105空天战斗机随着重大事件的爆发而逐渐被历史的尘埃所掩埋；波音的X-20空天战斗机验证机项目则早在1963年就因为要给双子座载人飞船项目腾挪人力和物力而在花费了相当于今天的51.6亿美元的经费后，戛然而止。

2.升力体技术成熟

虽然X-20项目在1963年中止了，但是其相关技术依然在发展，并未受到实质影响。上图为波音公司的总装厂房内存放的X-20原型机。

NASA开始对升力体的概念有所掌握，并且开始做出比X-20验证机更加大胆的设计。

1963年至1966年，NASA的M2-F1升力体验证飞行器进行了大量测试飞行。上图就是1963年8月16日M2-F1升力体首飞的场景。（当时是一架C-47运输机通过缆绳拖拽着她进行飞行的。）

M2-F1飞行器没有机翼，完全靠机身来产生升力。而且，该机的机身就像是刚刚过完年的大家一样，肚子都是鼓鼓的。

在X-20项目中止的同一年（1963年），NASA又开始委托诺斯罗普公司为其生产HL-10飞行器。3年后，到了1966年12月22日，HL-10飞行器就实现了在大气层内的首飞。

这张照片照得很唯美，以至于很多人一直认为这是艺术家创造的效果图。其实，这是真实场景的摄影。在地面接受检修的就是HL-10飞行器。而在头顶上飞过的，是她的母机，一架NASA的NB-52B试验用机。照片右侧抬头向上看的，是HL-10的试飞员戴纳。受考据精神的召唤，小火箭通过查找HL-10的试飞详细记录，得知，该照片摄于1968年11月30日。左边那位正在查看驾驶舱的工程师是约翰·里弗斯。

截止到1970年7月17日，HL-10飞行器共进行了37次飞行，积累了大量珍贵的数据。

这是诺斯罗普在上世纪70年代初与NASA合作研制的M2-F3升力体验证机。

NASA与马丁·玛丽埃塔公司（该公司在1995年与洛克希德公司合并，成为了今天广为人知的洛马公司）合作，研发了X-24验证机，同样也是升力体布局。X-24验证机在1969年至1975年间的大量试飞活动也积累了不少数据。

一架X-24升力体验证机正在由火箭发动机推动，从B-52母机下方呼啸飞行。

升力体的设计理念基本上就是飞翼的另一个极端：飞翼为了追求亚声速飞行状态下的阻力最小化，采用了省略尾翼并且把机身的主要部分隐藏在厚厚的机翼内的设计。而升力体的设计则针对高超声速的飞行状态。此时足够高的速度使得机身本身可以产生足够的升力，因此干脆就不用机翼了（或者机翼退化为机身向外延伸的稳定翼）。

不过，受技术条件的限制，当年的升力体验证机大多飞行在亚声速状态。如何在不同飞行状态下进行气动数据的验证，则是后话了。小火箭争取在后续的文章中进行叙述。

就这样，从上世纪60年代到上世纪70年代，升力体的气动研究日渐成熟。上图为在爱德华兹空军基地的3款验证机：马丁·玛丽埃塔公司的X-24A、诺斯罗普公司的M2-F3和HL-10。

3.冲出大气层！

进入上世纪80年代，苏联抢先发力，其BOR-4空天验证飞行器在1980年12月5日实现了亚轨道飞行。

公元1982年6月4日，BOR-4空天飞行器进行了漂亮的轨道飞行之后，溅落在印度洋预定海域。1983年3月15日，BOR-4空天飞行器又完成了一次轨道飞行，同样以升力体形式返回，并溅落在印度洋海域。

1983年12月27日和1984年12月19日，BOR-4又各自完成了一次轨道飞行任务，并溅落在黑海海域。

NASA则推出了HL-20升力体空天飞行器的计划，并赶在1990年10月造出了原理样机（长得和BOR-4很像）。不过，该计划最终还是中止了，没能像苏联那样真正到太空飞一飞。

4.追梦者，追逐梦想

几十年的技术积累，给后来人提供了追逐梦想的有力支撑。上图为某升力体飞行器的试验数据（升阻比、升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数），来自当年爱德华兹空军基地的测试飞行报告中的一页。

升力体空气动力学、姿态控制算法等等，已经在多款验证飞行器上得到了验证。而有关的先进材料，则早在X-20空天战斗机验证机上就得到了开发。

小火箭觉得不得不提的是Rene 41号超级合金。

这种超级合金来源于X-20项目。为了防止再入大气的热量烧毁机身，X-20的机身框架采用了Rene 41号超级合金包裹多层钼箔的方案。

那么，Rene 41号超级合金到底是怎样的一种金属呢？

小火箭在此给出该合金的详细构成：

本质上说，Rene 41超级合金是一种镍铬合金。其中，主要成分为镍，另有20%的铬、10.5%的钼、12%的钴、5%的铁、3.3%的钛、1.8%的铝，还有少量的锰、铜、硅和硫。

这种镍基合金能够在高达982℃的温度中保持结构强度。

随着2011年航天飞机的正式退役，升力体式空天飞行器终于等来了她的机会。上图为发射架上的亚特兰蒂斯号航天飞机。

与她的X-24A前辈一样，追梦者空天飞行器的机身也是在马丁公司的厂房中诞生的，不过此时的公司名，已经叫做洛克希德·马丁了。

追梦者空天飞行器的个头儿比较小，这是她和亚特兰蒂斯号航天飞机的对比效果图。

在内华达山脉公司总装的追梦者。注意她的尾部：左右两侧是其固液混合火箭发动机的喷口。（具体燃料为液态一氧化二氮与端羟基聚丁二烯HTPB，经常读小火箭文章的人会对HTPB比较熟悉，详见小火箭的公号文章《聊聊固体火箭发动机的推进剂》。）

注意，中间那个大孔并不是火箭发动机喷口，而是用于进出货物和人员的对接口，这个会在下文提到。

总长9米多，翼展7米，总重11吨的追梦者能够被一辆皮卡轻松拖动。

不过，用机场专用车拖起来，看起来会更专业一些。

能够进入爱德华兹空军基地，说明追梦者的飞天之日临近了。

追梦者空天飞行器的模拟器驾驶舱

一辆卡车载着追梦者来到爱德华兹空军基地，注意，旁边有一个升力体验证机的雕塑。

离近一些看，原来是一架HL-10！追梦者的出现终于使得当年的一大堆验证机得来的数据有了继航天飞机之后的新的用武之地。

运送追梦者的卡车的驾驶舱内部

追梦者空天飞行器被运往NASA的研究中心进行测试。小火箭觉得特别值得一提的是，这个厂房就是当年“企业”号航天飞机进行测试的地方。追梦者的测试活动让该厂房在航天飞机退役后再次焕发了生机。

正在做滑翔试验的追梦者。别看这个家伙小，她可是同样能够把7个人送入太空呢。

那，如今还会是B-52轰炸（试验）飞机来作为母机么？

不是的。小火箭的一位神秘好友提供这张非常罕见的照片，展示了追梦者空天飞行器的试验母机：

原来居然是一架西科斯基S-64！

下面，我们通过一组概念图来看看今后的追梦者是如何执行任务的吧：

逐梦者空天飞行器被安置在宇宙神V运载火箭的顶端，准备发射。（跟当年的X-20项目如出一辙）

宇宙神V火箭点火，将追梦者送入高空。

追梦者进入太空，并且能够通过周身的多台姿控发动机来调整姿态。尾部中间的对接口能够在太空完成对卫星、空间站等飞行器的自动对接。

追梦者与卫星（或者额外货运舱）对接的示意图，蛮有喜感的。

这是内华达山脉公司给出的追梦者空天飞行器与国际空间站对接的示意图。注意，旁边恰好有一艘俄罗斯的进步号无人货运飞船也对接在空间站上，形成了比较鲜明的对比。

按照设计，追梦者可以一次给国际空间站运来5吨货物。（俄罗斯的进步号货运飞船一次可运载2.35吨货物。）

完成任务的追梦者返回地面，准备降落在机场跑道上。

这两组邮票展示了追梦者执行任务的过程和她的基本外形特征。

这组模型展示了未来美国私人航天空天运输系统的三大主力：波音公司的CST-100飞船、内华达山脉公司的追梦者和SpaceX公司的龙飞船+猎鹰火箭组合。

追梦者有折叠翼设计概念。通过这种设计，追梦者可以把自己蜷缩到一个直径为5米的标准整流罩中。

追梦者，带着X-20、米格-105、BOR-3、BOR-4、HL-10、X-24、HL-20等大量验证飞行器的梦想，继承了几十年来人类对升力体和空天飞行器的研究成果，即将开启追逐商业航天、个人航天与全球星际探索的梦想。

正在进行风洞试验的追梦者

虽然咱们拿不到追梦者的第一手的风洞测试数据，不过既然咱们有了自己的计算中心，不妨自己建模计算来得到相关数据：

这种升力体飞行器的气动特性很有趣。小火箭在这里对追梦者飞行器的气动力系数进行了计算（这里仅给出Cx0数据，并对真实数据进行了相关处理）。上图横着的10到-10为侧滑角（单位为°），纵向为-10°到30°的攻角变化。不同的颜色表示不同的气动力系数（颜色越接近紫色，表示数值越大。）

如果再加一根轴的话，数据就成立体的了。

换个角度再看，还是蛮好看的。感谢工程师们几十年来对升力体结构的探索，才终于有了今天的数据和飞行器。当然，小火箭也期待小火箭计算中心的进一步壮大，能够对更复杂的飞行器进行更详细的计算，同时期待志同道合的工程师与小火箭一起进行相关的分析和设计。

小火箭预计，如果顺利的话（追梦者在2019年前具备执行任务条件），那么在2024年之前，她会拥有至少6次为国际空间站运送货物的机会。按照原设计，追梦者不仅能用宇宙神火箭发射，还能够搭乘阿丽亚娜5、猎鹰重型火箭进入太空，这样，多次往返太空的空天飞行器将进一步减轻对单一火箭型号的依赖。

这样的飞行器能否将热爱太空的我们也送上去看一看呢？今后，如果空天飞行器能够得到广泛应用，那么大家进入太空的成本有望大幅降低，会有更多的人有机会体验在太空飞行的感觉。一起拭目以待吧！

另外，祝大家在新的一年，都能够快乐且坚定地奔跑在追逐梦想的路上！

感谢大家对小火箭的支持！

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