太空船一号的工作原理

由:罗伯特·巴尔德斯

白色骑士涡轮喷气式飞机在莫哈韦沙漠上空爬升,飞船一号附在它的腹部。参见更多 太空探索的照片

在过去,只有在资金充足、规模庞大的政府太空计划的支持下,太空旅行才有可能实现。但是太空船一号第一艘非政府载人飞船,已经开始改变这一状况。

太空探索图片库

广告

这艘船在一个层面上已经取得了成功——2004年10月4日,它赢得了1000万美元的奖金安萨里X大奖.该竞赛要求独立设计人员在两周内用可重复使用的航天器将三人安全地送入太空两次。

然而,这个奖项并不是太空船一号开发的最终动机。太空船的创造者们设想了一个世界,在这个世界上,太空旅行是一项蓬勃发展的商业活动,迎合了任何想冒险到太空旅行的人星星

虽然这听起来有些牵强,但请考虑一下查尔斯·林德伯格的1927年从纽约到巴黎的历史性单人飞行赢得了25000美元的奖金泰格奖.正是林德伯格的成功飞行开启了现代化航空公司行业。所以,多年以后,当太空旅游就像去迪士尼乐园一样平常,当我们回顾宇宙飞船一号时,我们可能会认为它翻开了历史的一页。

HowStuffWorks马修Gionta他是建造它的公司的总工程师缩尺复合材料公司.在这篇文章中,马修告诉我们太空船一号是如何工作的,以及在这艘飞船中飞行是什么感觉。我们还将探讨设计的细节,推进系统,以及催生这一切的私人资助的太空计划。

广告

太空船一号是如何工作的?

退出操作
退出操作

让我们从问题的核心开始:这架飞机是如何工作的?马修·吉昂塔一步一步地描述了这架历史性的飞机将要发生的事情。

HSW那么,太空船一号是如何工作的呢?

广告

马修Gionta当前位置太空船一号吊在飞船腹部的下面白骑士飞机,两架我们从零开始研制的飞机。白骑士是涡轮风扇驱动的飞机它可以把太空船一号带到45到5万英尺的高空,这样我们就可以从大气中相对较高的位置开始太空飞行,那里的空气已经很薄了。当我们下潜45000英尺时,我们已经穿过了地球大气层的85%。那里的空气非常稀薄,所以是一个很好的起点。从那里我们把宇宙飞船的白衣骑士,滑过10秒钟试点设立,飞机都削减了,准备火箭推动他抛出开关,和混合火箭发动机在太空船一号加速飞行员约为正常重力的两到三倍。它以两倍于正常重力的速度向前加速,飞行员立即开始一个接近垂直的拉出动作——他几乎是垂直上升的。

这艘船继续加速直冲出去有一分钟多一点。我们不提供确切的数字——然后有人可以进行逆向工程。

重新定位飞船以便重返大气层
重新定位飞船以便重返大气层

所以我们笔直上升了大约一分钟,燃烧了大约15万英尺。发动机在那个点停止燃烧,但现在船的速度超过了每小时2000英里,直线前进,所以它滑行了。从那里开始,它又向上滑行了大约15万英尺,直到它到达远地点宇宙飞船一号离地球最远的地方。就在它到达远地点之前,飞行员打开另一个开关来驱动一些气动执行器——它把飞机的尾部和机翼的后半部分,有点[使它们]……就像折叠刀一样。

这架飞机是杰克用刀砍的,这是定位飞机,或者重新配置飞机,以便它即将经历的大气层重返。所以当他向上飞行时,你仍然可以看到,所以他开始飞行,这需要大约15秒的时间,就像我们所说的,飞机的后半部分上升大约65度。而恩,他一直在经历远地点,而他经历的是非常接近于零重力的状态——这是非常接近零重力的状态——从疲劳后一直到远地点。

然后他开始往里倒,他倒了,他也跟着倒了抛物线弹道如果他只是一块石头,他会走的轨迹。如果有人把石头扔上去,它会是同一条抛物线。他正处于弹道上,对此无能为力。如果飞船开始返回大气层,加速飞行,它在顶部的速度几乎为零,并且加速越来越快。当它开始坠入越来越厚的空气中时,这架jack-knife飞行器呈现出它的整个腹部,就像腹部直接扑向气流一样,给自己一个大的横截面积,它试图通过空气来减速。

平台配置
平台配置

这就减缓了速度。当飞行员返回大气层时,会经历大约5到6 g的减速。然后他驾驶着飞机下降到大约5万英尺,也许6万英尺,在那里他打开开关把它变成一架带着尾翼的普通飞机并拖到它应该在的地方。他跳出了那个动作又开始飞行了就像一架飞机,就像滑翔机.在那一点上他是滑翔机。

然后他又从那里滑了下来……大概10到15分钟后航空站我们从那里出发,就在莫哈韦。

在下一节,我们问马修乘坐太空船一号是什么感觉。

广告

骑起来怎么样?

太空船一号滑翔下来接近莫哈韦机场。
太空船一号滑翔下来接近莫哈韦机场。

宇宙飞船一号的设计是搭载一名飞行员和两名乘客亚轨道太空.在与马修·吉昂塔的对话中,我们问了一个问题:乘坐“太空船一号”的乘客能期待什么?

HSW当前位置你能向我们的读者解释一下乘坐太空船一号会是什么感觉吗?

广告

m . GIONTA:这是最疯狂的过山车我可能是从我的老板伯特·鲁坦(Burt Rutan)那里借用的,但我认为他对它有一个很好的描述。如果我把加速度描述成向上。你有重力拉你下来。有1克加速度,但实际上垂直运动的加速度是2g或更多。飞行员的感觉大约是3g——我们称之为眼球向内;你的背部感受到的重量是你整个身体的三倍,所以,加速度相当大。当发动机关闭时,飞行器就会有阻力但没有推力,所以你就会靠安全带向前飞行直到它们把你拉到太空中;否则你就会从前窗飞出去了。所以在那个时候你被安全带挂住了,大概有5秒左右,然后你就倒在座位上了。在这一点上,g持续减小直到g为0,你有大约4分钟失重当你越过顶端,然后回来,当你在那里的时候,景色是壮观的。

你们从近地轨道上看到的地球的一些景象卫星甚至从航天飞机在它的一些最低高度,基本上和你从这艘飞船的窗口看到的完全一样。我们有一些我们网站上的精彩镜头…

...在你返回大气层之前,你有几分钟的失重时间。它是一种响亮的,隆隆作响的,摇晃的,很多g,峰值可能是6 g。在那个时候保持清醒都很困难,但你可以做到,如果你身材很好,并且为此进行了训练。然后,你就像滑翔机一样飞了出来,这只是一个平静的滑翔机之旅。当你回来的时候,你还有15分钟左右的时间观光,意识到你刚刚进入了太空。你赢得了宇航员的翅膀…这是合格宇航员的高度。

HSW:哇。

m . GIONTA你看,这很酷。我们认为会有很多富人愿意花我们认为的那么多钱去兜风。

HSW:当然,最终的想法是让这变得越来越划算,直到……

m . GIONTA:是的,谁知道它会扩展到哪里?也许它延伸到轨道太空旅游,对吧?我认为这是一个合乎逻辑的过程。去太空度假挺酷的,你不觉得吗?

在下一节中,我们将探讨协助太空船一号飞行的白骑士飞行器的设计。

广告

白骑士

“白骑士”发射飞机载着宇宙飞船(随后是鲍勃·谢勒的星际飞船追逐飞机)。
“白骑士”发射飞机载着宇宙飞船(随后是鲍勃·谢勒的星际飞船追逐飞机)。

正如我们从马修那里了解到的,宇宙飞船一号不能独自前往其他星球。它需要一艘叫做白骑士.太空旅行中最大的开支和危险之一来自于从地面发射宇宙飞船。仅仅是地面发射所需的燃料成本就非常高。为了简化这一过程,“太空船一号”从“白骑士”的腹部升空,高度约为50000英尺。

“白骑士”在2003年4月首次亮相,是一种高空双涡轮喷气研究飞机。它的主要工作是充当空中平台,将“太空船一号”送入太空。

广告

“白骑士”像一架飞机一样从普通的飞机跑道起飞,“太空船一号”附在它的腹部。两艘船在白骑士的力量下一起飞行到预定的高度。然后白骑士释放了太空船一号,飘走了。一旦脱离白骑士,太空船一号就开始了它的亚轨道空间之旅。

为了提高效率,白骑士还有第二个非常重要的功能。“白骑士”与“太空船一号”采用完全相同的座舱、航空电子设备、电子控制系统、气动、配平伺服、数据系统和电气系统。这使得白衣骑士非常适合训练飞行员“太空飞行。

为了给“太空船一号”的飞行员训练增加额外的现实主义,白骑士被设计为具有高推重比和强大的速度刹车。这些特征有助于模拟太空飞行机动。

作为一架飞机,“白骑士”本身就是一架非凡的飞机。Scaled Composites称,白骑士的独特设计也使它非常适合“侦察、监视、大气研究、数据中继、电信、成像和微型卫星的助推器发射。”

在下一节中,我们将看一看宇宙飞船一号。

广告

太空船一号

太空船一号停在起落架上的斜坡上。
太空船一号停在起落架上的斜坡上。

虽然“白骑士”是一架令人印象深刻的飞机,但毫无疑问,谁才是这场秀的主角:“太空船一号”。

Scaled Composites公司将“太空船一号”描述为“三位一体的高空研究火箭,设计用于亚轨道飞行至100公里高度。”也许宇宙飞船一号最令人惊奇的事情之一是它在飞行过程中会转变成三种不同的形态。这些配置使太空船一号处于理想的助推、进入和着陆形状。(请参阅上一节太空船一号是如何工作的?用于所有三种配置的映像。)虽然严格来说它是一艘宇宙飞船,但在飞行过程中,它的大部分时间都在地球的大气层中度过。最突出的一个配置是“羽化”配置。

广告

根据太空船一号:骑着白色骑士进入太空:

太空船一号……可以像稳定的羽毛球一样重新进入,然后像飞机一样滑翔和降落。机翼的展弦比为1.7,跨度为16.4英尺[~5米]。它们的大小是基于在水平发射后提供足够的升力使飞行器旋转到上升姿态,并允许常规滑翔进场和着陆的要求。在攀爬的顶部,机翼后部和尾桁(仍被统称为“羽毛”)向上铰接。当飞船开始重新进入大气层时,羽毛使它保持平直姿态,平板状的机翼与气流成直角。

这造成了很大的阻力,相对于车辆的重量(没有燃料),峰值加热是适度的。太空船一号是由传统的石墨-环氧复合材料建造而成,使用了一些有限的高温环氧树脂。较热的部分由一个简单的“抹刀”烧蚀热保护层保护。在测试小组设想的最坏情况下,机身可能会受损,但乘客不会受到伤害。

太空船一号从大气层的高处垂直发射到太空中。一旦到达火箭助推产生的弧线顶部,它就会失去动量并返回地球。为了减缓下降速度,太空船一号转变成一种结构,使最大的表面积暴露在气流中。这会产生巨大的阻力并减慢飞船的速度当它落下的时候,它会落下。

这只是宇宙飞船一号创新的冰山一角。

太空船一号功能:

  • 空中发射
  • INS/全球定位系统(GPS)导航和飞行指挥
  • 橡胶-氮气混合火箭推进系统
  • 石墨/环氧树脂的主要结构
  • 三处“海平面,衬衫袖”客舱环境
  • 紧急出口的机舱机头拆除;正常进出时使用侧塞门
  • 双玻璃窗户,双密封门和控制装置
  • 新的,低维护的热保护系统
  • 由Scaled Composites LLC生成的“羽毛”大气入口特征列表

在下一节中,我们将讨论将太空船一号送入太空的独特火箭发动机。

广告

推进

工人们正在为宇宙飞船的历史性飞行做准备。大型火箭发动机将产生17000磅的推力。
工人们正在为宇宙飞船的历史性飞行做准备。大型火箭发动机将产生17000磅的推力。

Gionta解释道:

没有现成的火箭发动机可以买到并安装到我们的宇宙飞船上。我们不得不从零开始开发自己的火箭发动机。对于一个从未做过火箭的公司来说,这是一项艰巨的任务。我们从外部供应商那里得到了一些帮助,但实际上是我们自己提出了配置并且自己做了很多关于火箭发动机的工作。

太空船一号使用的是Scaled称之为混合动力汽车.这是因为发动机结合了固体和液体火箭发动机的元素(见火箭发动机是如何工作的).这使得一种独特的发动机能够将太空船一号加速到声速的两倍。但它燃烧的燃料更有趣。

广告

所有类型的火箭燃料都由两部分组成:燃料和氧化剂。通过向燃料中加入大量的热量,然后加入氧化剂,你就得到了持续的爆炸结果将推动飞船进入太空。在固体火箭燃料中,氧化剂嵌入到燃料中;在液体系统中,这两个部件分别储存在飞行器上,并在点火时结合。后一种系统的问题是,传统燃料和氧化剂的储存既昂贵又危险。为了降低成本和风险,太空船一号由混合动力驱动hydroxy-terminated聚丁二烯(轮胎橡胶)和一氧化二氮(笑气)。橡胶充当燃料,笑气充当氧化剂。

笑气的固有特性有助于在该项目上节省更多的美元。一氧化二氮在室温下会自动加压。这使得太空船一号无需配备复杂的泵和管道系统,以便在飞行期间将氧化剂与燃料结合起来。

下一节,我们将进入太空船一号。

广告

在太空船一号

飞船一号内部是一个直径60英寸(152厘米)的小型驾驶舱,你可以从飞船的前端进入驾驶舱。驾驶舱是密封的压力容器.增压的座舱在座舱和亚轨道空间的近真空之间产生了一个压差。这种内部压力将飞行器的结构推向外,使得飞行器能够承受在重返大气层时所受到的巨大压力。

驾驶舱配备了双密封,整个结构被第二个空间的外壳包围。太空船一号的每一扇窗户都是特殊的双层玻璃,每一扇窗户都能承受飞行的压力和力。这种加倍的做法确保了即使任何一扇窗户破裂,乘客仍然是安全的。

广告

驾驶舱内的空气由三部分组成。氧气瓶以恒定的速率加入可呼吸的空气。呼出的二氧化碳由吸收器系统从舱内排出,湿度由额外的吸收器控制,以去除空气中的水蒸气。在整个飞行过程中,驾驶舱保持舒适、凉爽和干燥。

这整个系统创造了Scaled所谓的“融合环境”。乘客不需要穿宇航服由于驾驶舱的设计,太空船一号的内部。

为了讨论太空船一号独特的控制方式,我们求助于总工程师Matthew Gionta:

我们开发了自己的航空电子系统和垂直导航显示装置。我不相信有人工驾驶的宇宙飞船。这架飞机是由飞行员像飞机飞行员那样看着显示屏手动驾驶的。这有点独特。航空电子设备是非常关键的,它也需要非常精确,让飞行员做他想做的事情,并且做好。

在下一节中,我们将讨论创建SpaceShipOne的一些挑战。

广告

挑战

在具有历史意义的六月太空飞行之前,太空船一号正在接受飞行前检查。
在具有历史意义的六月太空飞行之前,太空船一号正在接受飞行前检查。

从零开始创造一种全新的航天器也面临着一系列的挑战。总工程师Gionta深入研究了Scaled团队在制造太空船一号时面临的一些障碍。

Gionta总结自己的经历时说:“这里有很多技术挑战。他继续说:

广告

(有)我们以前从未涉足过的各种领域。超音速飞行——我们以前从未做过超音速飞机。事实上,我不认为任何小公司以前做过超音速飞机。因此,我认为我们是第一个用这么一小群人来完成所有跨音速空气动力学的公司。

能够以超过音速的速度飞行的飞行器的设计具有独特的特点和要求。设计师必须特别注意性能,空气动力学,负载特性,稳定性和控制的船的旅行声速和超音速都有

制造和测试这种飞行器所需的设备并不是现成的技术。那台设备来了价格不菲.Gionta解释道:

我们的目标是证明亚轨道太空旅游是非常经济的,在这样做的过程中,我们总是选择最简单但最稳健的解决方案,以应对我们面临的任何问题,并始终努力降低成本。所以这是一个大问题。

在许多情况下,Scaled团队必须创造出使“太空船一号”运转所需的工具和功能。作为一个例子,Gionta解释了如何重新发明反应控制系统太空船一号作品:

当我们在太空时,你需要做的就是向一个方向释放一股空气,给你一个反作用力,把你推到另一个方向。这就是反应控制系统。我们把高压空气储存在船上的瓶子里,我们释放一些空气大约一秒钟,比如说,右翼尖向上。当你在太空时,这就足够把翼尖往下推了。所以它能有效地滚动飞机,这就是你在太空中的控制。这和宇宙飞船或航天飞机使用的东西是一样的,只是规模要小得多,也更经济。所以我们必须开发它。我们创建了一个固定的,全任务模拟飞行器这样我们就可以调整反应控制系统。

另外的挑战来自于空气中启动一艘宇宙飞船:

…空中发射另一个飞行器--这是我们以前没有做过的另一件事…其他飞行器[比如]B-52定期发射飞行器,但这对我们来说是一件新鲜事,所以这也是一个挑战。而且它工作得很好,到目前为止,我们只是非常幸运,或者,我不知道,也许我们知道我们在做什么。谁知道呢?

在下一节中,我们将看一看私人资助的太空计划,该计划正在生产太空船一号:一级。

广告

一级

保罗·艾伦和伯特·鲁坦在讨论最近的太空船一号测试飞行的结果。
保罗·艾伦和伯特·鲁坦在讨论最近的太空船一号测试飞行的结果。

缩放复合材料CEO伯特鲁坦和微软的联合创始人保罗艾伦正带头努力证明安全、经济、商业的太空旅行是可能的。这一努力已经以私人资助的、羽翼未丰的太空计划的形式成形一级

鲁坦因在航空工程领域的许多成就而闻名。其中包括他的飞机设计“航行者”号.旅行者号是第一架不加燃料环绕地球飞行的飞机。作为团队的领导者,鲁坦承诺通过建造一艘可以将人送入亚轨道空间的飞船来证明Tier One是一个可行的太空计划。艾伦承诺为完成这项工作提供所需的资金、资源和支持。这两家公司已经成为商业太空旅行的代言人。

广告

艾伦对该项目及其工作人员的信念显而易见:

每次太空飞船一号飞行,我们都证明,相对少量的私人资金可以显著增加商业空间技术的边界。伯特·鲁坦(Burt Rutan)和他在Scaled Composites的团队在没有政府支持的情况下完成了这类首次任务,取得了惊人的成就。

鲁坦和他的Scaled Composites团队正在从零开始构建这个太空计划。在短短几年时间里,只有不到30人的Tier One项目创造出了一些业内最具创新性的设计。

在以每小时90英里(145公里)的速度着陆前,太空船一号返回跑道。
在以每小时90英里(145公里)的速度着陆前,太空船一号返回跑道。

伯特·鲁坦(Burt Rutan)在谈到Tier One的历史和发展方向时说:

我们于1996年开始进行概念设计工作,1999年开始进行初步开发。我们的全面发展计划于2001年4月秘密启动。这项广泛的实验研究工作是一个完整的载人航天计划。它由所有的新硬件组成,包括一架发射飞机[白骑士],一艘三地宇宙飞船[太空船一号],一个混合火箭推进系统,一个移动推进测试设施,一个飞行模拟器,一个惯性导航飞行指挥,一个移动任务控制中心,所有的宇宙飞船系统,一套飞行员训练计划和一套完整的飞行测试计划。我们所有的硬件组件都是全尺寸、全空间性能的,而不是模型或临时车辆。

有关SpaceShipOne和其他航天器的更多信息,请查看下一页的链接。

广告

广告

加载……