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撰文 | 龐之浩(全國空間探測技術首席科學傳播專家)

今年7月11日,英國維珍銀河航天公司的老闆布蘭森、2名駕駛員以及3名公司的有關人員,搭乘自己公司的白騎士2號/太空船2號亞軌道航空太空梭(簡稱空天飛機),率先成功進行了亞軌道飛行。此舉,在全球產生了巨大影響,拉開了亞軌道商業太空旅遊新時代的序幕。

布蘭森在太空船2號艙內體驗失重

太空旅遊掀起新的高潮

目前,開展太空旅遊的關鍵是如何在保證安全的前提下降低費用。在這方面已有許多方案。例如,曾有人提出把美國太空梭的大貨艙改裝成可乘坐74人的“太空客機”,那樣每張機票的票價只要360萬美元,但後來沒有實現,而且即使實現了,能承受的人仍然屈指可數。

從目前看來,由於亞軌道太空旅遊的技術難度和旅行費用都較低,安全性和舒適性也較好,所以比較可行。因此,美國藍色起源公司和英國維珍銀河航天公司等公司,現在都正積極準備開展亞軌道太空旅遊業務,並已研製出相應的飛行器。

英國維珍銀河航天公司採用的方案是透過白騎士2號航空飛機在空中發射太空船2號亞軌道太空梭,把遊客送入亞軌道。其特點是兩個飛行器都是水平起降,並且均可重複使用,飛一次的時間為1.5小時左右。美國藍色起源公司則採用傳統的載人飛船的方式開展亞軌道太空旅遊,用新謝潑德號火箭發射新謝潑德號飛船(也叫乘員艙)。其特點是兩個飛行器都是垂直起降,也都能重複使用,飛一次的時間為10分鐘左右。

英美宇宙飛船合資公司已為英國維珍銀河航天公司建造了至少5架太空船2號亞軌道太空梭、2架白色騎士2號航空運載飛機。最初將每週飛行一次,以後可能增加到每兩天飛一次甚至每天飛行一次。據稱,維珍銀河航天公司已收到700多張座位票的預訂金,平均每張票價在20~25萬美元。該公司預期將在2022年全面開啟商業太空旅行業務,並最終有望將票價降到4萬美元左右。

7月11日,維珍銀河航天公司的太空船2號完成測試飛行後返回地面

另一個令人關注的亞軌道太空旅遊活動即將開始。今年7月20日,美國藍色起源公司的老闆貝索斯和他的兄弟以及另外兩名乘客,將乘該公司的新謝潑德號亞軌道飛船以無人駕駛的方式前往太空邊緣,飛行高度約100公里。

貝索斯認為其新謝潑德號亞軌道飛船好於英國維珍銀河航天公司的太空船2號亞軌道太空梭,因為新謝潑德號可以自動飛行,不用航天駕駛員,所以效益更高。貝索斯還嘲笑布蘭森的太空船2號就是一架高空飛機,所以飛不上100公里高的卡門線,且窗戶小還不環保。藍色起源公司指出,自家用的是火箭,有逃逸系統,而維珍銀河用的是高空飛機,沒有逃逸系統;自家的飛行器排放的廢物是水,對臭氧層的影響小,而維珍銀河飛行器發動機所採用的推進劑對臭氧層的危害是藍色起源的100倍;而論及觀賞地球風景,藍色起源的飛行器擁有太空中最大的舷窗,尺寸是107cmX71cm,而維珍銀河是飛機窗戶的尺寸。

不過,新謝潑德號亞軌道飛船從發射到著陸只用10分鐘時間,不知這對乘客的身體是否影響如何?超重負荷是否過大?雖然新謝潑德號此前進行了15次試飛,並從卡門線以上返回,而且都成功了,但都是無人飛行。藍色起源公司還在開發一種重型可重複使用的運載火箭—— “新格倫”,未來可將普通乘客送入環繞地球甚至更遠的軌道。

“新謝潑德”亞軌道火箭與飛船乘員艙分離

新謝潑德號亞軌道飛船的窗戶很大

除了亞軌道太空旅遊外,軌道太空旅遊也將重新展開。今年9月,美國太空探索公司計劃用該公司的 “載人龍” 軌道飛船把3名私人遊客和1名該公司培訓的航天員送上 “國際空間站”,讓他們在那裡生活至少8天。這項任務將是 “國際空間站” 首次完全商業化運營的載人任務,也是第一批專門的太空旅遊遊客任務。演員湯姆・克魯斯有可能是遊客之一。其票價為5500萬美元左右。在美國,目前大約有75000個家庭擁有這樣的經濟實力。

美國公理太空公司則計劃在 “國際空間站” 上建立了一個觀景艙,使太空旅客可利用它來欣賞太空美景。該公司還獲得了美國航空航天局的批准,未來將把多個商業艙段對接到 “國際空間站” 上,即使在 “國際空間站” 退役後,這些艙段也可以併入公理太空公司的私營空間站,作為太空旅行的樞紐。該公司的長遠目標是建立世界上第一個商業空間站。

美國公理太空公司設想的商業空間站

老牌的美國太空探險公司計劃在2021年底用美國 “載人龍” 飛船把4名太空旅客送入環繞地球的軌道,進行3~5天的太空旅遊,但不會停靠在 “國際空間站”上,而是在800~1000千米高的軌道上繞地球飛行。他們還準備於近年用俄羅斯 “聯盟” 載人飛船把太空遊客送到“國際空間站”上觀光。

世界第一名太空遊客蒂託返回地面

太空旅遊的4種方式

目前,太空旅遊主要有4種方式:飛機的拋物線飛行、接近太空的高空飛行、亞軌道飛行和軌道飛行。

拋物線飛行並不是真正意義上的太空旅遊,只是讓遊客體驗幾次太空失重的感覺。用失重飛機進行拋物線飛行,每飛一個拋物線遊客可以體驗半分鐘左右的失重。職業航天員在訓練時也常採用這種方法體驗失重。太空遊客如果乘俄羅斯的伊爾-76失重飛機體驗地面難以模擬的失重,費用是5000美元,但不包括到俄羅斯的往返機票的費用。

用失重飛機進行拋物線飛行可以體驗短時間失重

接近太空的高空飛行也不是真正意義上的太空旅遊,它是讓遊客體驗一種極高空的感覺。當遊客乘飛機飛到18千米左右的高空時,乘客就可以看到下方地球的曲線和上方黑暗的天空,體會到一種無邊無際的空曠感覺。目前,能用來完成這種高空飛行任務的飛機有俄羅斯高米格-25、31戰鬥機,它們能飛到24千米左右的高度。這種旅遊每次飛行的票價約1萬美元,包括在莫斯科停留兩天的費用。

今年,位於美國佛羅里達州的太空透視公司開始售賣能夠飛離地面30多公里的氣球太空艙船票。這張6小時環遊平流層的船票標價12.5萬美元,首發航班最早將於2024年晚些時候啟程。遊客可在太空透視公司的網站先支付1000美元訂金預訂飛行的船票。前25次的正式飛行將特地留給那些“傳統探險者”,他們或將支付更昂貴的費用。

它採用名為“海王星飛船”的氣球太空艙進行高空飛行,氣球太空艙寬敞的空間可以舒適地容納1名飛行員和8名乘客。艙內配有酒吧、浴室和Wi-Fi,副駕駛員和支援小組從地面監視整場飛行。

“海王星飛船” 用6個多小時上升到約33千米的高空。由於氣球太空艙19千米/時的上升速度遠比火箭飛船要溫和得多,所以乘客在旅途期間不會感到失重。然而,該公司認為,這種長達數小時,而不是短短几分鐘極高空旅行將會吸引眾多有冒險精神的人。降落後,太空艙連帶氣球都將沉入海中,之後,一艘接應船會接起所有乘客和硬體裝置,並將他們安全地送回陸地。

海王星號超大氫氣球飛越平流層

所謂亞軌道飛行是指飛行器進入距離地面大約100千米左右的太空,但不是圍繞地球軌道飛行一圈以上的飛行。如果飛行器在距離地面100千米以上的地球軌道飛行一圈以上就叫軌道飛行了。亞軌道太空旅遊就是用亞軌道飛行器把遊客送到100千米高的太空邊緣後馬上返回地面,即遊客乘坐飛船做近似於直上直下的飛行。採用這種飛行方式,可使遊客既能感受幾分鐘的失重,也可目視長達數千公里的地球弧線表面,欣賞美麗的地球,而且費用比軌道飛行便宜得多,1次飛行約花20~25萬美元。

亞軌道飛行示意圖

英國維珍銀河航天公司的這次亞軌道飛行屬於公司內部測試的體驗式飛行,以客艙和客戶體驗為測試目標,評估承載全體乘員的商業客戶艙,測試艙內環境、座椅舒適度、失重體驗及飛船可以提供的地球景觀。

遊客進行軌道飛行是真正意義上的太空旅遊。實現軌道飛行的太空旅遊工具目前主要是 “國際空間站”,而目前可供遊客到達 “國際空間站” 的天地往返運輸器主要有俄羅斯的 “聯盟” 系列飛船和美國的 “載人龍” 飛船。軌道飛行可以使太空遊客盡情享受失重和俯瞰地球等一些新奇體驗,因為太空遊客至少能在寬敞的 “國際空間站” 生活一個星期。

至今,已有7名遊客8次到 “國際空間站” 上享受軌道飛行旅遊,其中Word之父西蒙尼1次沒玩夠,又上了1次太空。但軌道飛行旅遊費用高昂,包括各種訓練費用在內,以前每次上天的費用為2000萬到3500萬美元不等,現在又漲到了至少5500萬美元,所以一般人享受不起。

世界第1個女太空遊客安薩里(左)在“國際空間站”上

細說首飛利器

乘太空船2號上天的乘客在太空旅行前,只需接受為期3天的超重飛行訓練和體能體檢即可。該飛行專案要求報名者在18歲以上,無重要器官疾病,並遵守有關各項規定。

白騎士2號雙體飛機與太空船2號(居中)

白騎士2號航空飛機和太空船2號亞軌道太空梭都是由英美合資公司——宇宙飛船公司為英國維珍銀河航天公司設計和研製的。宇宙飛船公司是2005年由美國人魯坦創立的斯卡爾德複合材料公司、英國人布蘭森創立的維珍集團合資組建的,飛行方式採用空中發射方式,即太空船2號亞軌道太空梭由白騎士2號航空飛機帶到高空後發射,所以,白騎士2號/太空船2號實際上是一種兩級亞軌道空天飛機,其特點是可以水平起降和重複使用。

此前,美國斯卡爾德複合材料公司曾成功研製、發射過白騎士1號/太空船1號。作為品牌與技術延續,白騎士2號大約比白騎士1號大三倍,機翼下方懸掛4臺發動機,而白騎士1號只配備了一對發動機位於單機身的兩側。

白騎士2號飛機仍採用雙體機身設計,其中一個機身用於主動駕駛艙控制飛機,而另一個機身用於訓練機組人員以及太空乘客先期飛行體驗。其長度為24米,翼展寬達43米,裝有4臺普惠PW308發動機,每臺發動機可提供30.7千牛推力。其飛行上限為21公里,但通常飛行至15公里左右。它也可以用於在空中發射小型火箭。

太空船2號是一種採用火箭動力的亞軌道太空梭,從外形看它像一個豐滿的魚形太空艙,在 “鼻子”的部位裝配了幾個圓形的舷窗。其大小就像一架輕型飛機,長度為18.3米,翼展為8.3米,高度為5.5米,動力裝置採用一臺液體/固體混合火箭發動機,最高時速4000公里,飛行上限110公里。它可容納2位飛行員與4位遊客,還有近0.5米寬的舷窗,以供遊客更好地欣賞美景。

至今,它已經進行了4次載人飛行。其實,太空船2號能飛到160~320千米高,但是為了安全起見,目前太空船2號只飛到80~110千米高便返回,降落在離起飛不遠的地方。

太空船2號艙內

發射時,太空船2號被掛在作為空中發射場的白騎士2號的 “腹部”。白騎士2號起飛約1小時、到達大約14~15千米的高空後,太空船2號與白騎士2號分離。接著,白騎士2號返回地面機場,太空船2號上的火箭發動機點火,以與地面垂直的角度向大氣層邊緣繼續飛昇,當飛行速度達到音速的3~3.3倍時,火箭發動機關閉,太空船2號在慣性作用下繼續上升到距地表約80~110千米高的外層空間。

從火箭發動機關閉到太空船2號再入大氣層,乘客會經歷為時約5分鐘的零重力狀態,同時能欣賞地球的美麗景色。屆時他們可以鬆開安全帶,在座艙內自由飄浮。隨後,太空船2號以滑翔方式返回地面機場。

太空船2號從白騎士號上分離

今年7月11日的這次飛行,白騎士2號/太空船2號亞軌道空天飛機在起飛45分鐘後,白騎士2號爬升至14公里高度時釋放了太空船2號。幾秒後,太空船2號啟動了火箭發動機,持續點燃60秒,它幾乎沿著垂直路徑爬升至86公里,最高速度為3.04馬赫。這個高度超過了美國空軍和美國航空航天局定義的80公里太空界線,但低於國際上公認的100公里卡門線太空界。關閉火箭發動機後,太空船2號裡的6名乘員解下安全帶,體驗了大約4分鐘左右的太空失重感。

7月11日,美國太空船2號脫離白騎士1號雙體運輸機繼續攀升

到太空玩什麼

什麼是太空旅遊呢?目前還沒有嚴格的定義,但一般是指非職業航天員自掏腰包乘載人航天器到太空旅遊觀光的活動。太空旅遊主要能給遊客帶來兩大新奇體驗:一是居高臨下欣賞美不勝收的地球美景,以及在真空條件下瞭望璀璨的宇宙星空;二是體驗神奇的失重生活,在艙內自由地漂來漂去,舉重若輕。

在艙內 “飛行”

首先是觀看天象。在太空能不受大氣層的影響,看到星星是沒有閃爍的,可欣賞非常明亮的各個星座。看月亮更有趣,白天看到的月亮呈淺藍色,很漂亮,夜裡看月亮時只能看到月亮的區域性,但非常亮。看太陽也很有意思,90分鐘就可看到一個日出和日落的迴圈景象。尤其在日落時可以看到太陽發白的光和它落下的準確位置。

航天員在太空拍攝的撒哈拉沙漠上空的壯麗日出

最開心的是從太空俯瞰地球。粗看它是一個藍色的球體,細看它是淺藍色。其上唯一真正的綠色帶是中國的西藏高原地區;在太空看地球上的巴哈馬群島像綠寶石一樣閃閃發光;看地球上的閃電非常令人振奮,一陣陣雷電閃爍好像盛開的石竹花,當閃電連續而頻繁時就像看到一片火海,有時可一次看五六個地方不同雲層的閃電,把整個雲層照亮。在太空看極光也很美,是理想的天堂。

航天員拍攝的厄瓜多的安第斯山脈區域,世界上最高的活火山科多帕希火山(高5897米),比周圍地域高3000多米

在載人航天器內還能享受地面上難以模擬的失重,體驗具有輕功、“飛簷走壁”的感受,玩一把竹籃打水水不空、站著睡覺和像小鳥一樣漂著用嘴接食物,表演似乎難度很大的雜耍、一指禪、懸空打坐,也可以喝水球、做水膜等。

在太空玩柑橘雜耍

如果到月球旅遊,則可以看到寂靜的美、蒼涼的美,因為那裡沒有一點聲音和氣流,到處都是細沙、撞擊坑和環形山,還可以看地出,並因引力小而能跳得很高。

要想到太空去旅遊,除了要有錢以外,還得有較好的身體和較強的興趣。首先身體不能有大的毛病。雖然太空旅客不必像職業航天員對身體要求那麼高,但也不能有明顯的心臟病等問題。因為在火箭發射、航天器返回及太空生活中,各種因素可能導致舊病復發甚至誘發新的疾病。

景海鵬在太空艙內表演空翻

2006年,日本一位名叫榎本大輔的富豪原計劃花費2000萬美元乘 “聯盟” 系列飛船登到 “國際空間站” 上觀光,成為世界第4名太空遊客。但在俄羅斯訓練幾個月後發現,其身體不適合太空飛行,因而被迫取消太空之旅,將機會讓給了全球首位太空女遊客安薩里。

進行亞軌道太空旅遊或乘太空梭上天對遊客身體要求鬆一些,進行軌道太空旅遊或乘宇宙飛船上天對遊客身體要求嚴一些。

用於超重耐力訓練的人用離心機

此外,所有太空遊客上天前必須訓練,其訓練時間和強度需根據太空旅遊的種類各有不同。對於亞軌道太空旅遊來說,由於飛行時間較短,太空遊客僅需經過幾天訓練就能滿足條件。而軌道太空旅遊等則不同,遊客要在太空中長時間生活,因此必須掌握在太空中吃、喝、睡等生活技能,這些都需要專業化訓練。同時,失重環境容易使人 “首尾倒置”,找不到方向,產生恐懼感,這也需要透過訓練來克服。因此,進行軌道太空旅遊的遊客訓練時間一般要長達半年時間左右。

太空旅遊的未來

近些年,俄羅斯還擬開展太空行走旅遊和月球旅遊。

太空行走旅遊是在軌道太空飛行旅遊費用的基礎上要再交至少1600萬美元,遊客就可在1名職業航天員的陪護下完成空間出艙活動,在太空行走90分鐘。1600萬美元還包括在地面訓練的費用和使用艙外航天服的費用。

太空行走

美國太空探險公司曾在2011年5月5日宣佈,擬在2015年前實施世界首次商業繞月旅遊。這種繞月旅遊將由1名職業航天員駕駛 “聯盟” 系列飛船承載兩名遊客來完成,時間為2周。遊客搭乘 “聯盟” 系列飛船升空後先前往“國際空間站”,在站內停留1周之後再乘坐飛船前往月球,大約1周後返回。

搭乘 “聯盟” 系列飛船的月球觀光客不在月球表面著陸,只在月球軌道對月球進行近距離的欣賞,1位乘客的費用為1億美元。美國太空探險公司曾與1名遊客以1.5億美元票價簽了協議(《泰坦尼克號》和《阿凡達》的導演卡梅隆),但後來因沒找到第2名遊客而不了了之。

“星際飛船” 和未來月球基地的概念圖

2018年,美國太空探索技術公司公佈了繞月旅行方案,計劃在2023年1月把遊客送入月球軌道觀光,日本富商前澤友作成為首個參與者。此次繞月之旅將持續一週時間,遊客將乘太空探索技術公司的 “星際飛船” 前往,這將是自1972年以來人類最重要的一次月球旅行。前澤友作表示他要把整個飛船包下來,費用可能會達1.75億美元,到時會邀請6~8位藝術家一起參與這場旅行,包括建築師、音樂家、時裝設計師等。他希望透過繞月之旅,激發藝術家們的靈感,創作出更偉大的作品。

準備進行繞月旅遊的日本富商前澤友作

另外,美俄私營公司都準備建造太空旅館。在更遠的將來,落月旅行和火星旅行也有可能實現。等到太空電梯研製、建成之後,普通人就有望進行太空旅遊了。

雖然太空旅遊有一定風險,但其作為一種產業發展既能夠帶來一定的商業利益,也可以帶動航天技術、航天醫學等科技進步,還能夠滿足更多人探索太空的願望,激發大眾關注航天的熱情、拓展人類的活動範圍。同時,太空旅遊的出現本身就是航天技術逐步成熟的表現。

波音公司的 “星際航線” 飛船與比格羅公司充氣式太空旅館交會示意圖

針對太空旅遊引發的熱潮,我國有關專家樂觀地預計,20年後中國人有望實現太空旅遊。要想使其興旺發達,有三個問題需要解決,一是要降低成本,二是要保證安全,三是能享受無與倫比的快樂,感到物有所值。

民間資本參與航天發展能大大加速太空旅遊業的發展,為此,一些國家正在建立完善的太空旅遊法,以便為未來的私人太空旅行開啟綠燈,讓民營企業在航天領域發揮更大的作用,並鼓勵發展包括太空旅行在內的新的商業航天市場。

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