追夢者：冷戰時代美國和蘇聯的空天戰鬥機技術逐夢未來私人航天

小火箭出品

本文作者：邢強博士

原文題目：追夢者：冷戰空天戰鬥機技術逐夢私人航天

近日，美國私人航天公司內華達山脈公司的「追夢者」飛行器被運往位於美軍加利福尼亞州愛德華茲空軍基地的NASA阿姆斯特朗飛行研究中心進行系統測試。這個標誌性的事件宣告了後太空梭時代，一種類似小型太空梭的設計開始回歸。

罩在白色保護罩內的「追夢者」飛行器籠上了一層神秘感。那麼，「追夢者」是怎樣的一種飛行器？其總體設計理念甚至大量設計細節是如何得益於冷戰時期的空天戰鬥機概念的？未來，這樣的飛行器又會以什麼樣的方式影響我們的生活呢？小火箭將在本文一一與大家進行討論。

為了追本溯源，找到「追夢者」飛行器的技術來源，小火箭將和你一同回到那個太空探索剛剛萌芽但卻又充滿激情的冷戰時代。

1.冷戰時期的空天戰鬥機

1957年10月24日，美國空軍和波音公司正式提出了X-20空天戰鬥機的計劃。該計劃要研製一種由洲際彈道導彈以垂直的姿態發射到太空，並且能夠在太空執行完偵察、戰鬥、維護或者摧毀衛星、攔截空間飛行器等任務後，安全返回地面，水平降落在軍用機場跑道上的飛行器。

這種飛行器能夠在大氣層外執行任務，而其本身具有的高超聲速飛行的特點使其在大氣層內極難被傳統戰鬥機所攔截，而且能滑翔很遠的距離。聽起來是不是很像是小火箭的「黑科技」系列文章中的二戰德國設計的「銀鳥」呢？

實際上，空天戰鬥機計劃背後還真的有德國工程師在力推。

而推動美國空天戰鬥機項目的其中一個重要的工程師就是瓦爾特·多恩伯格。上圖為多恩伯格和馮·布勞恩等德國工程師被盟軍俘虜時的照片。（前排左邊，頭戴禮帽、左手拿煙、右手插兜、淡定微笑的那個，就是多恩伯格。前排中間左手打著石膏的是馮·布勞恩。）

瓦爾特·多恩伯格是現代火箭武器的開拓者之一。他畢業於柏林工業大學，後來進入庫默斯多夫實驗室研製火箭。二戰期間被調入佩內明德，成為V-1導彈和V-2導彈的核心研發人員。1945年，被盟軍俘虜後，囚禁在英國監獄。1947年，美國設法將其從英國帶出，並直接帶到美國空軍的實驗室參與研究工作。1950年起，開始擔任貝爾公司高級顧問，後任X-20空天戰鬥機驗證機首席科學家。後來，他得以返回德國老家。

（至此，小火箭系列文章已經對奧伯特、馮·布勞恩、桑格爾夫婦以及多恩伯格等德國火箭工程師做了簡介。）

這是冷戰時期，美國空軍與波音公司提出的用大力神洲際彈道彈道導彈與X-20空天戰鬥機相結合的運載方案。（左側和中間的是亞軌道方案，右側是近地軌道方案。）

在鐵幕的另一面，蘇聯對空天戰鬥機的概念也進行了大量研究。

這就是被蘇聯人尊稱為「暴風雪太空梭之父」的洛季諾-洛津斯基博士。

在洛季諾-洛津斯基博士的組織下，蘇聯進行了BOR系列項目。這些項目大部分不太為人所知，不過有2大型號一定能夠引起很多人的回憶：螺旋空天戰鬥機與暴風雪太空梭。（暴風雪，小火箭會專門為她寫一篇。）

下圖就是代號為「螺旋」的米格-105空天戰鬥機：

如今，米格-105原型機靜靜地停放在莫斯特東郊的莫尼諾機場附近的空軍博物館（這個博物館距離莫斯科市區40公里，是目前世界上最大的飛行器博物館。）

蘇聯的BOR項目和米格-105空天戰鬥機隨著重大事件的爆發而逐漸被歷史的塵埃所掩埋；波音的X-20空天戰鬥機驗證機項目則早在1963年就因為要給雙子座載人飛船項目騰挪人力和物力而在花費了相當於今天的51.6億美元的經費後，戛然而止。

2.升力體技術成熟

雖然X-20項目在1963年中止了，但是其相關技術依然在發展，並未受到實質影響。上圖為波音公司的總裝廠房內存放的X-20原型機。

NASA開始對升力體的概念有所掌握，並且開始做出比X-20驗證機更加大膽的設計。

1963年至1966年，NASA的M2-F1升力體驗證飛行器進行了大量測試飛行。上圖就是1963年8月16日M2-F1升力體首飛的場景。（當時是一架C-47運輸機通過纜繩拖拽著她進行飛行的。）

M2-F1飛行器沒有機翼，完全靠機身來產生升力。而且，該機的機身就像是剛剛過完年的大家一樣，肚子都是鼓鼓的。

在X-20項目中止的同一年（1963年），NASA又開始委託諾斯羅普公司為其生產HL-10飛行器。3年後，到了1966年12月22日，HL-10飛行器就實現了在大氣層內的首飛。

這張照片照得很唯美，以至於很多人一直認為這是藝術家創造的效果圖。其實，這是真實場景的攝影。在地面接受檢修的就是HL-10飛行器。而在頭頂上飛過的，是她的母機，一架NASA的NB-52B試驗用機。照片右側抬頭向上看的，是HL-10的試飛員戴納。受考據精神的召喚，小火箭通過查找HL-10的試飛詳細記錄，得知，該照片攝於1968年11月30日。左邊那位正在查看駕駛艙的工程師是約翰·里弗斯。

截止到1970年7月17日，HL-10飛行器共進行了37次飛行，積累了大量珍貴的數據。

這是諾斯羅普在上世紀70年代初與NASA合作研製的M2-F3升力體驗證機。

NASA與馬丁·瑪麗埃塔公司（該公司在1995年與洛克希德公司合并，成為了今天廣為人知的洛馬公司）合作，研發了X-24驗證機，同樣也是升力體布局。X-24驗證機在1969年至1975年間的大量試飛活動也積累了不少數據。

一架X-24升力體驗證機正在由火箭發動機推動，從B-52母機下方呼嘯飛行。

升力體的設計理念基本上就是飛翼的另一個極端：飛翼為了追求亞聲速飛行狀態下的阻力最小化，採用了省略尾翼並且把機身的主要部分隱藏在厚厚的機翼內的設計。而升力體的設計則針對高超聲速的飛行狀態。此時足夠高的速度使得機身本身可以產生足夠的升力，因此乾脆就不用機翼了（或者機翼退化為機身向外延伸的穩定翼）。

不過，受技術條件的限制，當年的升力體驗證機大多飛行在亞聲速狀態。如何在不同飛行狀態下進行氣動數據的驗證，則是後話了。小火箭爭取在後續的文章中進行敘述。

就這樣，從上世紀60年代到上世紀70年代，升力體的氣動研究日漸成熟。上圖為在愛德華茲空軍基地的3款驗證機：馬丁·瑪麗埃塔公司的X-24A、諾斯羅普公司的M2-F3和HL-10。

3.衝出大氣層！

進入上世紀80年代，蘇聯搶先發力，其BOR-4空天驗證飛行器在1980年12月5日實現了亞軌道飛行。

公元1982年6月4日，BOR-4空天飛行器進行了漂亮的軌道飛行之後，濺落在印度洋預定海域。1983年3月15日，BOR-4空天飛行器又完成了一次軌道飛行，同樣以升力體形式返回，並濺落在印度洋海域。

1983年12月27日和1984年12月19日，BOR-4又各自完成了一次軌道飛行任務，並濺落在黑海海域。

NASA則推出了HL-20升力體空天飛行器的計劃，並趕在1990年10月造出了原理樣機（長得和BOR-4很像）。不過，該計劃最終還是中止了，沒能像蘇聯那樣真正到太空飛一飛。

4.追夢者，追逐夢想

幾十年的技術積累，給後來人提供了追逐夢想的有力支撐。上圖為某升力體飛行器的試驗數據（升阻比、升力係數、阻力係數和俯仰力矩係數），來自當年愛德華茲空軍基地的測試飛行報告中的一頁。

升力體空氣動力學、姿態控制演算法等等，已經在多款驗證飛行器上得到了驗證。而有關的先進材料，則早在X-20空天戰鬥機驗證機上就得到了開發。

小火箭覺得不得不提的是Rene 41號超級合金。

這種超級合金來源於X-20項目。為了防止再入大氣的熱量燒毀機身，X-20的機身框架採用了Rene 41號超級合金包裹多層鉬箔的方案。

那麼，Rene 41號超級合金到底是怎樣的一種金屬呢？

小火箭在此給出該合金的詳細構成：

本質上說，Rene 41超級合金是一種鎳鉻合金。其中，主要成分為鎳，另有20%的鉻、10.5%的鉬、12%的鈷、5%的鐵、3.3%的鈦、1.8%的鋁，還有少量的錳、銅、硅和硫。

這種鎳基合金能夠在高達982℃的溫度中保持結構強度。

隨著2011年太空梭的正式退役，升力體式空天飛行器終於等來了她的機會。上圖為發射架上的亞特蘭蒂斯號太空梭。

與她的X-24A前輩一樣，追夢者空天飛行器的機身也是在馬丁公司的廠房中誕生的，不過此時的公司名，已經叫做洛克希德·馬丁了。

追夢者空天飛行器的個頭兒比較小，這是她和亞特蘭蒂斯號太空梭的對比效果圖。

在內華達山脈公司總裝的追夢者。注意她的尾部：左右兩側是其固液混合火箭發動機的噴口。（具體燃料為液態一氧化二氮與端羥基聚丁二烯HTPB，經常讀小火箭文章的人會對HTPB比較熟悉，詳見小火箭的公號文章《聊聊固體火箭發動機的推進劑》。）

注意，中間那個大孔並不是火箭發動機噴口，而是用於進出貨物和人員的對介面，這個會在下文提到。

總長9米多，翼展7米，總重11噸的追夢者能夠被一輛皮卡輕鬆拖動。

不過，用機場專用車拖起來，看起來會更專業一些。

能夠進入愛德華茲空軍基地，說明追夢者的飛天之日臨近了。

追夢者空天飛行器的模擬器駕駛艙

一輛卡車載著追夢者來到愛德華茲空軍基地，注意，旁邊有一個升力體驗證機的雕塑。

離近一些看，原來是一架HL-10！追夢者的出現終於使得當年的一大堆驗證機得來的數據有了繼太空梭之後的新的用武之地。

運送追夢者的卡車的駕駛艙內部

追夢者空天飛行器被運往NASA的研究中心進行測試。小火箭覺得特別值得一提的是，這個廠房就是當年「企業」號太空梭進行測試的地方。追夢者的測試活動讓該廠房在太空梭退役後再次煥發了生機。

正在做滑翔試驗的追夢者。別看這個傢伙小，她可是同樣能夠把7個人送入太空呢。

那，如今還會是B-52轟炸（試驗）飛機來作為母機么？

不是的。小火箭的一位神秘好友提供這張非常罕見的照片，展示了追夢者空天飛行器的試驗母機：

原來居然是一架西科斯基S-64！

下面，我們通過一組概念圖來看看今後的追夢者是如何執行任務的吧：

逐夢者空天飛行器被安置在宇宙神V運載火箭的頂端，準備發射。（跟當年的X-20項目如出一轍）

宇宙神V火箭點火，將追夢者送入高空。

追夢者進入太空，並且能夠通過周身的多台姿控發動機來調整姿態。尾部中間的對介面能夠在太空完成對衛星、空間站等飛行器的自動對接。

追夢者與衛星（或者額外貨運艙）對接的示意圖，蠻有喜感的。

這是內華達山脈公司給出的追夢者空天飛行器與國際空間站對接的示意圖。注意，旁邊恰好有一艘俄羅斯的進步號無人貨運飛船也對接在空間站上，形成了比較鮮明的對比。

按照設計，追夢者可以一次給國際空間站運來5噸貨物。（俄羅斯的進步號貨運飛船一次可運載2.35噸貨物。）

完成任務的追夢者返回地面，準備降落在機場跑道上。

這兩組郵票展示了追夢者執行任務的過程和她的基本外形特徵。

這組模型展示了未來美國私人航天空天運輸系統的三大主力：波音公司的CST-100飛船、內華達山脈公司的追夢者和SpaceX公司的龍飛船+獵鷹火箭組合。

追夢者有摺疊翼設計概念。通過這種設計，追夢者可以把自己蜷縮到一個直徑為5米的標準整流罩中。

追夢者，帶著X-20、米格-105、BOR-3、BOR-4、HL-10、X-24、HL-20等大量驗證飛行器的夢想，繼承了幾十年來人類對升力體和空天飛行器的研究成果，即將開啟追逐商業航天、個人航天與全球星際探索的夢想。

正在進行風洞試驗的追夢者

雖然咱們拿不到追夢者的第一手的風洞測試數據，不過既然咱們有了自己的計算中心，不妨自己建模計算來得到相關數據：

這種升力體飛行器的氣動特性很有趣。小火箭在這裡對追夢者飛行器的氣動力係數進行了計算（這裡僅給出Cx0數據，並對真實數據進行了相關處理）。上圖橫著的10到-10為側滑角（單位為°），縱向為-10°到30°的攻角變化。不同的顏色表示不同的氣動力係數（顏色越接近紫色，表示數值越大。）

如果再加一根軸的話，數據就成立體的了。

換個角度再看，還是蠻好看的。感謝工程師們幾十年來對升力體結構的探索，才終於有了今天的數據和飛行器。當然，小火箭也期待小火箭計算中心的進一步壯大，能夠對更複雜的飛行器進行更詳細的計算，同時期待志同道合的工程師與小火箭一起進行相關的分析和設計。

小火箭預計，如果順利的話（追夢者在2019年前具備執行任務條件），那麼在2024年之前，她會擁有至少6次為國際空間站運送貨物的機會。按照原設計，追夢者不僅能用宇宙神火箭發射，還能夠搭乘阿麗亞娜5、獵鷹重型火箭進入太空，這樣，多次往返太空的空天飛行器將進一步減輕對單一火箭型號的依賴。

這樣的飛行器能否將熱愛太空的我們也送上去看一看呢？今後，如果空天飛行器能夠得到廣泛應用，那麼大家進入太空的成本有望大幅降低，會有更多的人有機會體驗在太空飛行的感覺。一起拭目以待吧！

另外，祝大家在新的一年，都能夠快樂且堅定地奔跑在追逐夢想的路上！

感謝大家對小火箭的支持！

版權聲明：

本文已由邢強博士獨家授權小火箭刊發，禁止非授權轉載，歡迎朋友圈轉發。

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