浪费是绝对是不允许终极功能美，宇宙飞船设计

两个宇宙之间的差异改变了设计

多年来一直热门的私人太空旅行似乎即将正式开始。美国风险投资公司Spaceship Company的SpaceShip 2飞船计划于2013年进行首次私人太空旅行。这架飞机的设计让人想起科幻电影和漫画，其未来感的外观无疑让它看起来很有吸引力。

但是，如果你看一下设计，你会发现这架飞机的形状是由于它的亚轨道飞行而造成的。亚轨道飞行涉及上升到100公里左右的高度（通常被认为是太空边界），经历失重，然后返回地球。

这类用于旅游目的的亚轨道航天器可能外观很酷，但可以说设计与NASA和JAXA创造的航天器不同。

NASA 和 JAXA 的太空探索旨在将航天器送入地球轨道并到达月球。与亚轨道飞行相比，进入地球轨道重新进入大气层时需要大约50倍的能量。从速度上来说，亚轨道飞行在1-3马赫左右，而地球轨道插入在23马赫左右。当航天器往返月球时，速度将是进入轨道的15倍，能量将是进入轨道的15倍。

考虑到它会以这样的速度返回，像宇宙飞船 2 这样的长翼设计在重返大气层时很可能会破裂。当然，如果有一种不会破裂的材料就没有问题，但目前还不存在这样的材料。这就是为什么大多数航天器都是胶囊形状的，例如阿波罗号和联盟号。

联盟号基本飞船的质量

最好的例子是苏联的联盟号。令人惊讶的是，自1967年研制以来，已经过去40多年了，它仍在俄罗斯发射现役，据说是最安全、最经济的航天器。

联盟号分为三个主要阶段。底部是设备/推进模块。它最重，配备有火箭发动机、电力、机械等。上面是返回舱。宇航员在发射和返回时在这里登船，但它很小。最上面是一个轻而宽的轨道舱。这是连接到国际空间站的部分，一旦进入太空，就不会对其施加任何负载，因此即使模块的壁很薄也没有问题。宇航员也在太空中移动到这里。苏联人按照重量顺序堆放车辆，从底部开始，特别是不想把重物放在人身上的想法，即使在当时也是非常理性的。

返回模块的底部是平的。当重新进入大气层时，它会改变重心并以一定角度进入，这个角度很重要。越靠近地球表面，空气越稠密，越高，空气就越稀薄，因此以一定角度进入大气层会产生升力，让你以较小的角度滑翔。通过这样做，宇航员的负担可以减轻到3G。

[照片]联盟号的这种基本形式对后来的太空发展产生了很大的影响（c）JAXA

联盟号发生了一些细微的变化，但其基本设计没有重大变化。尽管计算机和其他设备都是新的，但所使用的材料基本保持不变。

根据任务目的，长途飞行会给乘坐狭窄返回舱的宇航员带来沉重的身心负担。考虑到这一点，我们在轨道舱中预留了很大的空间。然而，火箭也在不断发展。此前，到达国际空间站（ISS）需要两天的时间，但现在，大约六小时即可到达国际空间站（ISS）。那么，由于在太空停留的时间会更短，像最先进的轨道舱这样的大空间可能就没有必要了。龙飞船由美国私人公司 SpaceX 制造，没有轨道舱。随着火箭发射时间变得越来越快，更紧凑的设计将成为可能。

[照片]联盟号 TMA-04M 与国际空间站分离 (c) JAXA/NASA

如果说联盟号和阿波罗号是第二代，那么退役的航天飞机就可以称为第三代（第一代是东方号，世界上第一艘载人航天器，船上有加加林）。 20世纪70年代，航天飞机研制出来后，航天开发花钱就可以的日子结束了，人们开始追求低成本。因此，在开发一种可以重复使用和多次飞行的飞机和系统方面取得了进展，而不是像以前那样一次性使用，并且航天飞机完成了。与它的前辈阿波罗号和联盟号相比，它是一艘更大、设计创新的航天器，其主要特点是有翼轨道飞行器。这个主翼在发射或重返大气层时不需要，仅用于重返大气层后的着陆。因此，设计并没有像上面提到的SpaceShip 2那样拥有巨大的机翼，而是专注于着陆所需的最低限度的功能。这些机翼使它能够在进入大气层后减速，产生升力并滑翔，使其能够依靠自身动力飞行并像飞机一样软着陆。 （在那之前，航天器已经带着降落伞着陆了。）

然而，实际成本不但没有下降，反而上升了。而且设计变得更加复杂，对安全影响更大，导致挑战者号和哥伦比亚号发生了两起重大事故。

[照片]奋进号安全返回，森卫在船上

这个设计很大程度上是美国的宣传，有些人认为它是失败的。这是因为，可以称为第四代的航天器的设计正在回归胶囊型。去年，SpaceX 的 Dragon 成为世界上第一艘成功与国际空间站 (ISS) 对接的私人航天器，而 NASA 目前正在开发的载人航天器 Orion 很可能是第四代。尽管材料和计算机的特性和性能有所改善，但设计看起来像是第二代的翻版。

它的发展缓慢，还是 20 世纪 60 年代的设计相当完美？

[照片]2号龙补给船测试车被ISS的机械臂从第二耦合部分（Harmony）的地球侧端口移出，并移至释放点（c）JAXA/NASA

日本宇宙航空研究开发机构系统工程推进室任务设计支持小组首席开发者、“载人航天任务米化审查”的发起人高桥信宏如是说。

此外，JAXA 系统工程推广办公室任务设计支持小组组长 Atsushi Noda 继续说道。

“航天飞机是在苏联和美国之间的对决中诞生的。我认为在某些方面是重酷轻重的。但是，航天器的设计并不是一个半生不熟的世界。现在冷战已经结束，我们很可能会回归到最理性、最优越的设计。”

航天器的基本要求是首先前往外太空，完成使命，然后安全返回。最重要的考虑是人的生命，每一个设计理念都集中在如何安排机组人员并确保起飞和降落这个最危险时期的安全。载人火箭在尖端装有固体火箭作为紧急逃生系统，如果检测到异常，这枚火箭就会点燃，将载有乘员的航天器牵引、分离，并疏散到远处。如果不出意外的话，这是完全没有必要的功能，但却是载人航天器的必备设计。

也就是说，对于航天器来说，首先要注重功能而不是外观，必然要追求合理的设计。设计也会根据每次任务的目的和持续时间而有所不同。下面，我们将介绍一些日本航天器通过优化以实现其目标的设计。

日本第一艘航天器HTV的优点是专门用于补给的设计

日本航天器HTV（俗称Kounotori）是日本研制的第一艘航天器。一种无人驾驶的轨道间运输工具，能够运输最多 6 吨的物资。它被用作向国际空间站供应物资的一种手段，受到全世界的信赖。它由四个模块组成：推进模块、电气模块、非加压供应载体部分和加压供应载体部分。该设计专门针对补给船的功能而设计，强调其运输货物的特点。

[照片]左：由 ISS 机械臂 (SSRMS) 握住的 HTV3（Kounotori 单元 3）右：可以看到 HTV3（Kounotori 单元 3）裸露的托盘。夜晚的地球很美丽 (c) JAXA/NASA

其他补给船包括俄罗斯的进步号和欧洲的ATV，但HTV的独特之处在于加压部分配备了13m见方的大型舱口。因此，它是唯一能够向国际空间站运输大型实验架的补给船。此外，非加压部分还设有称为裸露托盘的货运平台，用于运输舷外补给品。当向国际空间站转移补给品时，它们会从补给载体的未加压部分取出，并放置在日本实验舱Kibo的舱外实验平台上。未加压部分侧面的开口大约为 3m 见方，通过该开口进出物料。为直径4m的HTV设计这么大的开口是荒谬的，而且结构上也很困难，但可以说，这个设计是为了补充补给而苦心优化的。

[照片]左：俄罗斯进步号补给船接近国际空间站 (c) NASA 右：ATV（欧洲补给车）3 接近国际空间站进行对接 (c) JAXA/NASA

目前，这架 HTV 在向国际空间站运送物资后重新进入大气层后燃烧殆尽。可以这么说，它是一次性的。因此，通过用回收机取代加压载体，我们的目标是开发具有额外回收能力的HTV-R。 HTV-R离开国际空间站后，只有回收飞行器会分离并重新进入大气层。如果是无人驾驶的话，很可能是胶囊型，但胶囊型和有翼型目前都在研究中。

[照片]将回收车与具有回收功能的空间站补给车“HTV-R”的加压部件更换型分开的图像（c）JAXA

伊卡洛斯的设计诞生于与地球完全不同的想法

优化还包括约束。航天器必须由火箭发射，即火箭的整流罩^*1“伊卡洛斯”是一个创新设计，解决了外太空“优化”和“约束”两个方面的问题。

伊卡洛斯号于 2010 年 5 月 21 日由 H-2A 火箭发射升空。它利用阳光在大约 14 平方米的大帆（称为太阳帆）上前进。顾名思义，它的外观类似于游艇的帆。太阳光子也有少量的压力，在没有空气阻力的太空中，它们可以产生推进力。太阳帆由一种叫做聚酰亚胺的材料制成，厚度仅为00075毫米。表面还粘贴了薄膜太阳能电池，在世界上首次展示了它可以发电。在外太空，没有负载，没有空气，所以结构流畅。

希腊神话中的伊卡洛斯的翅膀是用蜡制成的，被太阳的热量融化了，但伊卡洛斯号宇宙飞船却能够距离金星近8万公里。

为了确保能够接收大量阳光的大面积，它被做得更薄并且具有可以折叠的形状。可以说，该设计是在满足必要条件的情况下优化的结果。这也是一艘宇宙飞船。如果我们不陷入脚踏实地的思考，这样的巨大发展应该是可能的。

[照片]我们于2010年6月14日进行了单独的相机实验，并成功拍摄了世界上第一个完全展开的太阳帆（c）JAXA

火箭设计依赖于发动机性能

就火箭而言，其目的仅限于“发射”，因此基本设计与航天器相比没有更多变化。可以说，自二战时期德国冯·布劳恩研制的V2火箭以来，它并没有太大的发展，也可以说已经得到了优化。确定火箭设计的过程首先要根据其承载能力确定发动机和推进剂的量。这就决定了水箱的大小，那么直径和长度自然也就确定了。

这里的区别在于引擎的性能。其中，我想介绍一下日本引以为傲的火箭发动机，它不断寻求优化。

目前日本火箭使用的推进剂是液酸液水（液氧/液氢），性能良好。不过，俄罗斯火箭使用的是煤油，性能并不是那么高。不过，煤油足以推动航天器，俄罗斯有能力充分发挥其潜力。煤油就是煤油。使用任何人都可以获得的燃料来实现您的目标。俄罗斯已经进行了近 3000 次发射（日本不到 100 次），经验提供了更大的确定性。

[照片]H-2B 3 号火箭发射 (c) JAXA

其中，日本引以为豪的发动机就是LE-5发动机。我们接受了开发膨胀机排气循环系统的挑战，这是一项从传统气体发生器系统发展而来的技术，旨在进一步提高容量和高效燃烧。用于冷却燃料室的氢气用作涡轮气体来驱动泵。通过简化结构并降低涡轮驱动气体的温度，提高了可靠性并降低了制造成本。即使出现问题，也不太可能爆炸，使其成为本质安全的发动机。 LE-5A发动机的研制使世界首次实现了重新点火。第三代改进型LE-5B-2，现为H-2A^*2和 H-2B^*3它安装在火箭的第二级上。 （截至2013年4月1日，第二级发动机100%成功）

宇宙飞船设计是一个功能完美、美观的世界。

最初，飞船的设计因制造者的不同而有所不同。每个负责结构、空气动力学、发动机和设备的人都有自己特定的兴趣，它们之间的平衡创造了功能美。从那时起，航天器和火箭的研究都取得了进展，现在已经建立了一定的形式。而且，只要火箭发射受到限制，航天器设计就不会有任何重大差异。然而，如果未来像国际空间站那样推进太空组装，那么限制和条件将彻底改变。未来，我们有可能看到具有创新设计的太空飞船。

三菱重工航空航天事业部太空事业部总经理 Shoichiro Asada 表示：

太空探索不给任何无用的东西留下空间。这就是为什么它具有完美的功能美，完成了宇宙飞船和火箭的美丽设计，我想这就是让男人心痒痒的地方。

*文中机构名称为采访时的名称。
面试合作：时移有限公司

作家

大草智宏（大草智博）

自由编辑。在一家杂志公司工作后，2002年开始作为自由职业者。我们主要涉及文化、音乐、本土、生态等。