記憶中的“太空船一號”

2015年7月，當飛過冥王星時，美國航空航天局（NASA）的太空探測器創造了一部分很小但卻很有意義的太空歷史：一顆小型的碳纖維太空船。Liz Nickels回顧了這一開創性復合材料商業航天器11 年來的發展情況。

就其本身而言，該飛船最遠只能到達亞軌道飛行；但在這個月，太空船一號（SpaceShipOne）的一個三英寸的部件與太陽系外層空間相遇了。這一組件是新地平線號（the New Horizons）探測器上8 個地球紀念品組中的一部分，它創造了飛過冥王星的歷史性飛行，離開的時候拍攝到了這顆矮行星史上最清晰的照片。這種熱壓處理過的碳纖維材料是飛行座椅的一部分，由預浸漬碳纖維和LTM 45環氧樹脂制成，代表了用來構建創新工藝的增強塑料材料的廣泛應用。

為了保持太空紀念品的傳統，“太空船一號”包含了一則關于其重要性的信息。一側寫著：“為了紀念其在太空飛行進程中所扮演的歷史角色，這艘宇宙飛船正飛行在另一個歷史性飛船上：新地平線號。新地平線號是地球對冥王星的第一個使命，冥王星是太陽系中最著名的行星?！绷硪粋葎t寫著：“太空船一號是地球上第一艘私人資助的載人飛船。2004 年，太空船一號從美國起飛?！?br/>
碳纖維部件是由Cory Bird 研發出來的，Cory Bird 是美國縮尺復合材料公司（Scaled Composites 公司）的現任副總裁兼總經理，該公司建造了太空船一號。美國縮尺復合材料公司（Scaled Composites）位于美國加利福尼亞州莫哈韋市，主要從事航空和特種復合材料的開發。該公司由伯特? 魯坦（Burt Rutan）成立于1982年，專注于航空器的設計、加工和制造，特殊復合材料結構的設計、分析和制造，以及空中和太空車輛的發展性飛行試驗。

縮尺復合材料公司（Scaled Composites）的總裁Kevin Mickey表示：“太空船一號是太空飛船歷史性時刻的一部分，越來越多的私營公司致力于為所有人打開太空通道。通過在新地平線號上擁有這個太空船一號的飛行員座位，有可能改變我們對太陽系的認知方式，我們很榮幸能夠獲得認可?！?br/>
獲獎的工藝

在2004年10月，太空船一號成為第一艘在14天內兩次飛躍328,000英尺高度的私人載人航天器，獲得了1000萬美元的安薩里X 獎（Ansari X-Prize）。

安薩里X獎航天競賽給來自世界各地的航空航天愛好者帶來了挑戰，以建造一個可靠、可重復使用的私人資助的載人太空飛船，該飛船能夠在兩周內兩次運送三個人達到地球表面以上62英里（100公里）。來自7個國家的26支隊伍參賽競爭這一獎項，總共投資了一億多美元用于研發。

太空船一號在15P 飛行期間掛載在白騎士（White Knight）的下方。照片由Jim Campbell/ 航空新聞網和縮尺復合材料有限責任公司（Scaled Composites）提供。

這一1000萬美元的安薩里X 獎是以25,000美元的奧泰格獎（Orteig 獎）為模型的，查爾斯? 林德伯格（Charles Lindbergh）于1927年獲得了奧泰格大獎。林德伯格的飛機由Ryan Aircraft公司建造，也就是后來的諾斯羅普? 格魯門（Northrop Grumman）公司，不久后他們恰巧接管了縮尺復合材料公司（Scaled Composites）。

縮尺復合材料公司（Scaled Composites）當時的副總裁Mike Melvill駕駛這艘太空船飛到了100公里的高度——這是非政府資助的飛船所抵達的最高海拔高度。在這個高度，一種接近失重的狀態出現了，而且飛行員能看到太空的黑色和地球彎曲表面上方的藍色大氣層線條。

在被白騎士（White Knight）母艦釋放后，太空船一號點燃了其發動機。由Vulcan Productions / Discovery Channel 提供。

該公司建造航天器進入太空的概念可以追溯到1996年的4月。根據縮尺復合材料公司（Scaled Composites）記錄，伯特?魯坦于1997 年發起了一級太空發射系統的概念設計，一級發射航天器的一些概念在魯坦的Proteus高空多任務飛機上進行了實施，該飛機首飛于1998年的7月26日。全面的開發計劃則始于2001年5月。據該公司介紹，整個項目的費用不到4000萬美元，遠低于政府贊助的計劃項目。2000萬美元來自慈善家、微軟聯合創始人保羅? 艾倫（Paul G Allen），他同時也是Vulcan Inc公司的創始人兼董事長，這家公司研發了該航天器的一些發動機技術。

飛行的兩個階段

一級飛行器包括兩個階段：白騎士（the White Knight）火箭運載飛機和太空船一號太空飛船。該計劃將是由白騎士運載著太空船一號懸掛在下面距離機場基地65公里的地方，并以215公里/小時的速度在15公里的高度上釋放。太空船一號將發射它的火箭發動機并進入84度爬升狀態，在燃燒65到80秒之后，發動機將關閉，航天器則繼續彈道上升至110公里高度。隨后再重新進入大氣層，滑翔降落。

太空船一號是一種空中發射的火箭動力飛機，具有亞軌道飛行能力，使用了一種混合火箭發動機。該設計的特點是采用“羽狀”的大氣再入系統，其中機翼的后半部和雙尾撐沿著機翼長度方向的鉸鏈向上折疊，以在增加阻力的同時保持穩定。

縮尺復合材料公司（Scaled Composites）制造了該飛船大部分的復合材料部件。太空船一號許多的外部和內部部件均采用纖維增強塑料（FRP）制成，包括由英國先進復合材料集團公司（Advanced Composites Group）提供的LTM 45EL 預浸料。機身是由碳纖維增強環氧樹脂和Nomex 蜂窩芯制成的單殼結構。機翼也使用了碳/ 環氧樹脂表面，建造在結構肋上。機翼的前沿和火箭飛機的腹部采用了一種紅色的燒蝕材料，將在每次任務之前重新進行涂覆。

在內部，氮氧化劑罐和燃料外殼（混合動力馬達最大的部件）是用復合材料制成的，并由縮尺復合材料公司（Scaled Composites）設計。在水平穩定器的尾部，加熱比較少，玻璃纖維被用作透明無線電皮膚材料。該罐具有復合材料襯套，并且使用了具有石墨和環氧樹脂結構的高溫復合材料絕緣體來制造燃料外殼。在幾個高溫區域中，外表皮使用酚醛樹脂代替了環氧樹脂，因為它具有更好的耐熱性。

太空船一號主要用于測試安全、經濟實惠的亞軌道客運航天飛行所需的技術，已經服役完成，在獲得安薩里X獎后，現在懸掛在美國華盛頓特區的國家航空航天博物館。

太空船二號

隨著太空船一號的成功，縮尺復合材料公司（Scaled Composites）與英國維珍銀河公司（Virgin Galactic）的創始人理查德? 布蘭森（Richard Branson）爵士簽署了一項協議，組建了一家新公司，以建造商業亞軌道太空飛船和運載飛機?？s尺復合材料公司（Scaled Composites）開發的太空船二號和白騎士二號（WK2）發射系統的設計屬于這個新公司。

太空船二號和白騎士（White Knight ）二號在他們的新家，維珍銀河公司（Virgin Galactic Gateway）通往太空的大門。 照片由Mark Greenberg 提供。

太空船二號是一艘60英尺長（18.3米）的航天器，也是用碳纖維復合材料制成的，來確保高強度和節省重量。該設計由混合火箭發動機提供動力，并且有一部分是基于第一代太空船一號開發的技術。太空船二號和白騎士二號分別是第一代太空船一號和母艦白騎士大小的大約兩倍。碳纖維航天器于2007年開始建造，預計將在地球上空50,000英尺（16公里）以上的軌道行駛。根據維珍公司的說法，現在更名為維珍太空船（Virgin Space Ship,VSS）的“太空船二號”（SpaceShipTwo，SS2）是世界上最大的全碳復合材料飛機。

“ 白騎士二號” 由四臺普拉特. 惠特尼（Pratt and Whitney）PW308A發動機提供動力，它們是目前可用的最強大、最經濟和最高效的發動機之一。設計的WK2母艦旨在舉起其他的有效載荷并將其送入太空。

太空船二號在成功的火箭飛行過程中的特寫。照片由縮尺復合材料公司（Scaled Composites）提供。

不幸的悲劇不久震驚了人們，在莫哈韋空軍和太空港（the Mojave Air and Space Port）的氧化劑流測試中發生了爆炸，造成三名工人死亡，三名以上工人受傷嚴重。該公司當時表示：“毫無疑問，我們對這次事故感到非常驚訝，因為我們在類似系統上進行了無數次測試，包括太空船一號火箭發動機?！薄瓣P于一氧化二氮（N2O）作為火箭發動機氧化劑的知識文件主要部分并沒有告訴我們發生這種事情的可能性。然而，由于這一嚴重的意外事故發生了，我們不得不回頭看看發生了什么，以及事故是怎么發生的?！?014年10 月，這架飛機在一次動力飛行測試中遭遇了一次飛行解體，導致一名飛行員喪生，另一名飛行員受傷。

盡管如此，這些公司仍繼續開發這款飛機，以期在不久的將來僅用二十萬美元開始商業飛行。飛行總時長將大約是2.5小時，但僅僅有幾分鐘會是在太空中。維珍銀河公司（Virgin Galactic）現在用370名顧客的總計五千萬美元押金，前進在世界一流商用空間線路的路上。

太空船一號的孩子

太空船一號不僅為太空行業，還給其他私人開發商提供了發展機會。另外兩個創新復合材料工藝的例子包括Space X的龍飛船（Dragon spacecraft）和獵鷹火箭（Falcon rocket），獵鷹火箭是一種由SpaceX 設計和制造的兩級火箭，用于安全可靠地運送衛星和龍飛船進入軌道。意識到可以通過增加用于建造航天器的材料的強度重量比來顯著提高其性能，SpaceX 決定通過采用先進的復合材料來提高獵鷹火箭和龍飛船密封艙的性能。據西門子公司介紹，他們向該公司提供了Fibersim軟件，用于設計及制造獵鷹火箭和龍飛船密封艙上各種復合材料部件。Fibersim用于開發生產纖維定位圖和激光投影文件。它還用于協助航天器熱保護系統實際的光纖放置，包括隔熱罩、外部面板、火箭和航天器上的絕緣層，以及鼻錐和發動機周圍的幾個面板。

Space X 的龍飛船。圖片來源：Space X。

TenCate先進復合材料公司（TenCate Advanced Composites）還為SpaceX的獵鷹9號（Falcon 9）火箭提供了高級復合材料。包括用于航天器結構的高溫預浸料，用于在模壓部件中堆積模塑化合物。

“SpaceX 繼續將門檻設置得越來越高。他們真正展示出了創新和團隊合作的力量。”時任TenCate高級復合材料公司的總裁Joe Morris表示，“能夠利用我們公司先進的復合材料為SpaceX所有的關鍵平臺提供支持，我們感到自豪和榮幸。”

龍飛船的壓力容器用鋁制成，其熱保護系統的承載結構和主要的隔熱罩由雙馬來酰亞胺（簡稱BMI）預浸料制成。它還有由輕質環氧浸漬碳泡沫制成的隔熱燒蝕材料。

Space X 的獵鷹火箭。圖片來源：Space X。

2010年，軌道ATK 公司（Orbital ATK）開發了飛馬（the Pegasus）和米諾陶-C火箭（Minotaur-C rockets），用來發射兩顆NASA 的科學衛星。兩者都是采用了復合材料整流罩。飛馬火箭的有效載荷整流罩包括兩個復合材料半殼體、與殼體成一體的鼻帽，以及一個分離系統。每個半殼體都是由一個圓柱體和拱形部分構成的。用底部易碎接頭，沿著圓柱體的兩個鈦金屬帶，以及鼻錐上的保持螺栓把兩個半殼體連到一起。

私人航天器的發展現在已經成為了主流。2011年，NASA獲得了為期五年的五十九億美元的政府撥款，以鼓勵私營公司建造、發射和經營自己的航天器，使NASA和其他實體受益。（這個消息也幫助讀者接受了政府的其他意思——近期將不再有登月計劃。）

美國總統奧巴馬當時表示：“太空探索的時代不會等待太久，所以我們不能等待國會來做這個工作，給我們的太空計劃提供資金。”“這就是為什么我的行政部門將推動其向前發展，與私營部門開展合作，創造就業機會，并確保美國在探索世界和發現方面繼續保持領先。”