国外亚轨道旅游最新发展分析

赵琪 何慧东 宋国梁（北京空间科技信息研究所）

国外亚轨道旅游业务快速发展，太空船二号、“新谢泼德”系统在2021年相继搭载乘客进入亚轨道，亚轨道飞行正在从早期的试验性质逐步向商业性质转变，世界开启亚轨道旅游“元年”。

1 亚轨道旅游进展

当前，亚轨道旅游服务取得重要突破，以2021年为例，国外共实施8次亚轨道飞行任务，其中4次任务搭载了乘客，世界进入亚轨道旅游“元年”。

2021年7月11日，维珍银河公司（Virgin Galactic）在新墨西哥州的美洲航天港利用白骑士二号（White Knight Two）载机挂载太空船二号（Space Ship Two）成功实现载人亚轨道飞行。从白骑士二号释放太空船二号到太空船二号着陆，整个过程持续约13min。本次太空船二号载人飞行任务是维珍银河公司组织的第4次载人航天飞行，也是公司获得私人太空飞行商业牌照后的首次飞行，搭载了2名驾驶员和4名乘客，其中包括公司创始人理查德·布兰森。

2021年7月20日，蓝源公司（Blue Origin）在西德克萨斯一号发射场利用“新谢泼德”（New Shepard）系统成功实施首次载人亚轨道飞行，飞行过程持续约10min。本次任务是“新谢泼德”系统的第16次飞行，也是其首次载人飞行，搭载了4名乘客，其中包括公司创始人兼世界首富杰夫·贝佐斯。2021年10月13日和12月11日，蓝源公司“新谢泼德”系统开展了第2次、第3次载人飞行，分别将4名和6名乘客送入亚轨道。

2 亚轨道载人系统情况

“新谢泼德”系统

“新谢泼德”系统是美国蓝源公司研制的、完全可重复使用的商业亚轨道载人飞行器，系统根据美国首位开展亚轨道飞行并进入太空的航天员艾伦·谢泼德（Alan Shepard）命名。“新谢泼德”系统除了支持亚轨道旅游外，还能够提供有效载荷飞行机会，支持开展一系列有人参与的教育、研究、技术开发活动，同时能够支持航天员训练等活动。目前，蓝源公司已开展“新谢泼德”系统座位拍卖相关工作，后续蓝源公司计划逐步实施常态化商业亚轨道飞行。

蓝源公司于2000年成立不久即开始乘员舱的设计工作，2010年开始研制“新谢泼德”系统全尺寸样机，并于2015年完成研制。“新谢泼德”系统通过垂直起飞、垂直着陆（VTVL）方式发射和回收，采用冗余安全设计，能够完全自主飞行，不需地面控制和人员驾驶。系统由火箭和乘员舱两部分组成，全长18m，最大直径3.8m，最多能够搭载6名乘员，可将乘员、研究载荷等送至卡门线（100km）以上，进入太空环境。

“新谢泼德”系统

“新谢泼德”系统乘员舱为加压舱段，内部容积为15m，能够为6名乘员提供舒适的环境，系统可完全自主运行，6人均为乘客，无需驾驶员。每个座位均设在舷窗边，可以在整个飞行过程获得宽阔的视场。在所有进入太空的航天器中，“新谢泼德”系统乘员舱拥有最大的舷窗，尺寸为107cm×71cm。

蓝源公司已经利用4套火箭和3套乘员舱连续成功完成了18次飞行任务，其典型的飞行方案如下：“新谢泼德”系统整个飞行过程持续约10min，系统从西德克萨斯一号发射场升空，有动力飞行约140s后发动机关机，随后依靠惯性继续向上飞行，15s后乘员舱与火箭分离，系统到达105.9km的最大高度后开始下降。火箭着陆前20s发动机重新点火减速，垂直着陆在距离发射台不远的着陆台上。乘员舱再入大气层后，利用降落伞减速，并着陆在发射点附近。

在起飞阶段，“新谢泼德”系统在尾翼控制下，保持2～3°/s的角速度滚转，从而使舱内乘员每2～3min获得360°的视角；发射过程的最大过载约3.5g，微重力飞行时间持续3～4min，能够使乘员获得良好的观光体验。

乘员舱内部视图

“新谢泼德”系统典型任务剖面

太空船二号

太空船二号是斯卡尔德复合材料公司（Scaled Composites）和维珍银河公司合作研制的亚轨道载人飞行器。美国斯卡尔德复合材料公司于2004年设计并制造了太空船一号原型机，完成了首次亚轨道飞行。随后，维珍银河公司与斯卡尔德复合材料公司合作，向其购买太空船二号。

维珍银河公司使用的亚轨道载人飞行系统由白骑士二号载机和太空船二号亚轨道飞行器组成。

白骑士二号载机是定制的四发动机、双机身喷气式飞机。系统采用双机身构型，主机翼为单体碳复合材料，配备4台喷气发动机，双尾桁构型使双机身之间有宽敞的区域用于挂载太空船二号亚轨道飞行器或发射器一号（LauncherOne）小型运载火箭。

白骑士二号全长24m，翼展43m，安装4台加拿大普·惠公司（P＆W）PW308涡扇发动机，每台推力30.69kN，系统最大升限21km，设计能够携带17t的有效载荷至15km高度，或携带发射器一号火箭进行安全、高效地空射，将200kg卫星送入近地轨道。运行过程中，能够搭载2名驾驶员，另可搭载太空船系统的飞行乘组及亚轨道旅游乘客进行训练。

白骑士二号载机

太空船二号是专为旅游设计的空射型有翼亚轨道飞行器，除了混合火箭发动机在每次飞行后需替换外，其余部分均可重复使用，继承了太空船一号的技术。

太空船二号整体构型为小展弦比载人亚轨道飞行器，全长18.3m，翼展8.3m，高5.5m，乘员舱长3.7m，直径为2.3m，质量9740kg，设计最大飞行高度近110km，使用单台固液混合火箭发动机，最大飞行速度可达4000km/h（3.26马赫）。太空船二号设计能够以任何角度再入大气层，采用羽状再入系统，适用于较低再入速度情况。

太空船二号最多可搭载8人（包括2名驾驶员），安装有直径43cm和33cm两种尺寸的舷窗以便乘客观景，所有座椅可在着陆过程中向后倾斜，减少再入过载引起的不适。

以太空船二号搭载4名乘客的“团结22”（Unity 22）任务为例，从载机起飞到亚轨道飞行器降落共耗时约58min。白骑士二号起飞45min后，太空船二号在13.7km高度与载机分离，随后固液混合火箭发动机点火，系统最高速度达3马赫，约60s后太空船二号沿亚轨道上升至85.9km的最大高度，随后开始下降，最终太空船二号滑翔降落在航天港跑道上。

太空船二号结构图

太空船二号任务飞行路径示意图

3 亚轨道飞行特点分析

商业亚轨道旅游进入快速发展阶段

自1961年人类首次进入太空以来，载人航天经过了60年的发展，主要活动范围是近地轨道和地月空间，亚轨道飞行并不占据主流。截至2021年底，世界总共实施352次载人飞行任务，其中只包括26次亚轨道载人飞行。26次亚轨道载人飞行中，包括NASA早期的2次“水星”任务、13次X—15试验任务，俄罗斯“联盟”（Soyuz）飞船2次未能发射入轨的异常任务，以及维珍公司的7次亚轨道飞行任务、蓝源公司2次亚轨道任务。总计有598人进入80km以上的太空，其中585人进入100km以上的太空，574人进入地球轨道。

随着航天技术不断发展成熟，商业航天迅猛发展，亚轨道飞行也从早期的试验性质逐步向商业性质发展。2000年以来，维珍银河公司的太空船一号、太空船二号，蓝源公司的“新谢泼德”系统等商业亚轨道载人系统接连开展无人或载人飞行，系统逐步发展成熟，并计划不久后投入正式的商业服务，商业亚轨道旅游已经进入快速发展的新时期。

亚轨道飞行应用广泛，是搭载载荷的良好平台

以“新谢泼德”系统、太空船二号为代表的亚轨道系统除了能够搭载乘客外，还能够为科学实验和技术试验载荷提供飞行机会。NASA航天技术任务部（STMD）支持实施了“飞行机会”计划（Flight Opportunities），旨在使具有前景的航天技术得到快速演示和试验，提升未来任务所需技术的成熟度。

“新谢泼德”系统是NASA“飞行机会”计划采用的可重复使用亚轨道火箭（RLV）之一，自2016年开始为NASA和高校提供载荷搭载机会，目前已累计搭载超过100个载荷。“新谢泼德”系统上设置了标准的载荷机柜，拆除座位后可安装到乘员舱内的对应位置，飞行中还可支持有人参与的实验。此外，火箭部分也可搭载非加压载荷，开展真空环境下的实验。

亚轨道环境处于空间的边缘，具备类似空间的部分属性，包括微重力条件、再入条件、着陆条件、高层太阳暴露、辐射、极限温度、真空、强烈的航天器振动等。在亚轨道系统上开展飞行试验，能够使技术从地面实验室环境转移到类似空间的环境，验证技术可行性，降低未来航天任务的成本和风险。

亚轨道飞行器技术难度远小于轨道飞行器

目前，SpaceX公司的“载人龙”（Crew Gragon）飞船、蓝源公司的“新谢泼德”系统、维珍银河公司的太空船二号等三型商业系统能够将乘员送入太空，其中，“载人龙”飞船能够入轨，而“新谢泼德”系统、太空船二号只能进行亚轨道飞行。

亚轨道飞行器主要飞行范围在距离地面100km左右，飞行剖面上为直上直下式，最大上升速度约1km/s，水平速度很小，着陆点距离发射点不远。而轨道飞行器入轨高度通常在200km以上，除了需要出地球大气层外，水平速度还需要达到约7.8km/s以维持轨道飞行。以猎鹰—9（Falcon—9）火箭和“载人龙”飞船为代表的轨道飞行器在系统规模、技术难度等方面远大于亚轨道飞行器。

商业亚轨道旅游竞争激烈，发展模式更加创新

近地轨道载人航天活动当前仍主要面向政府用户，而亚轨道旅游则是直接面向公众客户，其竞争更加激烈。蓝源公司创始人兼世界首富贝佐斯搭乘“新谢泼德”系统开展首飞，得到了全球的关注，其广告效应巨大，为树立客户信心、赢得后续订单起到了重要的作用。维珍银河公司的太空船二号与“新谢泼德”系统面向同一市场和用户群体。在蓝源公司公布2021年7月20日载人首飞、纪念人类首次登月的情况下，为竞争市场份额，维珍银河公司创始人理查德·布兰森抢先于7月11日搭乘太空船二号体验亚轨道飞行，借蓝源公司热度对自身业务进行营销，取得良好的效果。

在报价方面，太空船二号每座约45万美元，计划最早于2022年转入常态化商业运营；蓝源公司尚未公布标准报价，目前仍采用拍卖的方式出售首批座位，首个座位以2800万美元卖出，显著高于太空船二号报价，已接近轨道飞行任务的价格，后续蓝源或将以更合理的价格推出常态化乘员/载荷搭载服务，竞争亚轨道旅游市场。除了价格外，优化服务和体验也是重要的竞争点，蓝源公司“新谢泼德”系统通过超大舷窗、有人参与的实验等亮点吸引用户，太空船二号以空天结合的飞行体验作为自身特色。在激烈的竞争中，不断创新发展模式、优化服务已经成为重要的发展方向。

4 结束语

以“新谢泼德”系统、太空船二号为代表的亚轨道飞行器逐渐发展成熟，即将投入常态化应用，亚轨道飞行业务迎来快速发展期。亚轨道飞行器除了开展旅游业务外，还为科学实验和技术试验载荷提供了飞行机会，加快创新系统技术的研发。亚轨道系统研制难度相对较低，研发亚轨道飞行器对于完善航天工业基础、积累航天飞行技术、加速载荷搭载试验创新、提升航天技术发展水平、推动航天经济发展具有重要意义。