“追梦者”(Dream Chaser)飞船项目自2004年被提出后，直到2010年才有了实质性进展——完成了固液混合发动机的试验、初步结构设计和15%尺寸的自由坠落试验。在随后的十年时间里，负责“追梦者”飞船的美国内华达山脉公司(Sierra Nevada Corporation，SNC)获得了NASA商用载人航天发展计划(Commercial Crew Development，CCDev)、商业载人项目(Commercial Crew Program，CCP)、商业补给服务(Commercial Resupply Services-2，CRS-2)等项目/计划的资助或合同。2020年12月，SNC宣布原计划于2021年首飞至国际空间站的任务推迟到2022年。
本文来自微信公众号：高端装备产业研究中心（ID：chinaequip），作者：太阳谷，原文标题：《美国“追梦者”飞船之设计篇》，头图来源：视觉中国
货运版“追梦者”飞船
“追梦者”载人飞船设计初期得到了NASA支持，构型沿袭了HL-20载人发射系统(HL-20 Personnel Launch System)的升力体构型，借鉴了美国航天飞机(Space Shuttle)的热防护方案。2014年，SNC将载人版“追梦者”改造为货运版(Dream Chaser Cargo System，DCCS)，并设计了“流星”(Shooting Star)货运模块——为一次性使用的外部附加货运模块，可极大增强单次货物运载能力。
NASA HL-20载人发射系统升力体构型
载人/货运版“追梦者”飞船和美国航天飞机
“追梦者”飞船多任务、可拓展的总体构型设计使其可以执行载人航天任务、空间观光旅游、空间站货物运输、近地轨道载荷部署、在轨机械维修、空间遥感、空间低重力试验以及深空探测支持等多种空间任务。
“追梦者”飞船可执行的任务
一、总体构型及设计
“追梦者”飞船高2m，总长约9m，翼展约7m(折叠后翼展4.5m)，总重约9000kg(不含有效载荷)。载人版可支持3～7名乘员入轨，货运版可运输5500kg有效载荷至国际空间站(不含附加货物模块)。再入过程中，“追梦者”飞船的再入加速度小于1.5g，可以在大气层中无动力滑翔距离超过1800km，尾部的两个斜面稳定舵、竖直尾舵以及减速板可以控制机体的速度、俯仰、偏转。着落腿为前三点式，后面为两主着陆轮，前面为支撑滑橇，降落滑行距离约为3000m，完全能够在标准的大型民用机场着陆。
“追梦者”飞船稳定舵、垂尾和减速板
“追梦者”飞船前三点式着陆腿
“追梦者”飞船的壳体结构大部分由洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)代为生产，采用了碳纤维复合材料，最后运抵SNC位于美国科罗拉多州路易斯维尔市(Louisville，Colorado)的总装工厂中与可折叠稳定舵及其它部件进行总装配。
“追梦者”飞船复合材料壳体，橙色部分是隔热毡，上面贴附隔热瓦
可折叠稳定舵
“流星”货运模块(CM)同样采用复合材料制成，两侧有折叠太阳能板。2020年，SNC为太阳能板的“表面贴装技术”(Surface Mount Technology，SMT)申请了一项专利，采用SMT的太阳能板可以比市场上其它航天器用太阳能板提高35%转换效率。为了和国际空间站对接，SNC为货运模块(CM)设计了“被动通用对接机构”(Passive Common Berthing Mechanism)。
CM复合材料结构
可折叠太阳能板
“被动通用对接机构”(Passive Common Berthing Mechanism)
二、推进系统
“追梦者”飞船自身携带的主推进系统(Main Propulsion System，MPS)由两台VR35K-A固液混合发动机组成，推进剂为固体HTPB和液体一氧化二氮，推力最大为155.6kN，还具有深度节流和多次平滑重启的能力。
试验台上的VR35K-A固液混合发动机
在MPS的研制过程中，SNC和美国空军研究实验室(AFRL)合作，利用涡流冷却推力室的技术方法，并申请专利为“涡流发动机技术”(VORTEX™ Engine Technology)。涡流冷却采用双漩涡流动结构组织燃烧，把液态推进剂的掺混与燃烧限制在中心区，外涡流阻挡高温燃气与推力室内壁面传热，使内壁面的热载荷减小、温度降低。除了“追梦者”飞船的MPS，在姿态控制系统(RCS)氢氧发动机中也应用了“涡流发动机技术”，这使得RCS氢氧发动机结构更加简单、体型更小、价格更低廉。
三、热防护系统(TPS)
“追梦者”飞船整体采用了可重复使用热防护系统方案。飞船底部迎风面采用黑色的AETB瓦，整体密度约为0.45g/立方厘米。在热流较为温和的顶部背风面区域则主要采用白色AETB瓦及FRSI隔热毡。而对于诸如鼻锥、翼前缘、副翼等高热流区域，则采用TUFROC材料来进行热防护。货运模块(CM)没有进行TPS设计，与“追梦者”飞船分离后，再入过程中在大气层中烧毁。
贴附黑色AETB陶瓷防热瓦
AETB陶瓷瓦是美国第三代陶瓷防热瓦，是氧化硅纤维+氧化铝纤维+硼硅酸纤维型氧化铝增强热屏蔽隔热材料，重复使用温度1530℃，黑色的AETB表面涂覆有一层增韧单层纤维隔热涂层(TUFI)，美国“奋进号”航天飞机也曾采用该种热防护结构。
TUFROC是一种整体增韧抗氧化复合材料，能够承受1700℃高温，且密度仅为0.4g/立方厘米，其外层是一种难熔、抗氧化的轻质陶瓷/碳隔热材料(ROCCI)，具体为一种含有玻璃态Si-O-C材料，还涂有一层高辐射陶瓷涂层;而内层为AETB陶瓷瓦，内外层通过互相配合的凹陷和凸起结构连接，高温热膨胀匹配性能良好。
“追梦者”飞船底部的TUFROC防热系统
四、任务模式及货物运载
1. 任务模式
DCCS的CRS-2任务流程
2019年，SNC同美国联合发射联盟公司(United Launch Alliance，ULA)达成协议，计划采用ULA的“火神”(Vulcan)重型运载火箭发射“追梦者”飞船及货运模块(MC)。
火神运载火箭及整流罩内的DCCS
以执行美国商业补给服务(CRS-2)合同任务为例，DCCS与火箭二子级分离后，船体稳定舵和CM两侧的太阳能板同时展开，飞向国际空间站(ISS)。
稳定舵和CM两侧太阳能板同时展开
临近ISS后，在船体RCS的调整下，CM尾端标准接口与ISS对齐，在机械臂的辅助下完成对接密封。
机械臂辅助下完成对接密封
ISS机械臂还可以对CM外部非加压飞行脱落附件(FRAM)进行转移与重置。
机械臂转移FRAM
与ISS分离后，DCCS进入再入轨道，再入前CM与“追梦者”飞船分离，CM在坠入大气层的过程中烧毁殆尽。而“追梦者”飞船调整姿态，以低加速度进入大气层滑翔，通过控制稳定舵、减速板调整姿态和航线，对准跑道后实现平稳滑落。
再入过程中TPS保证船体完整
2. 货物运载
DCCS货物运载空间主要分为：飞船加压舱、货运模块(CM)加压舱和外部非加压飞行脱落附件(FRAM)。飞船自身的加压舱运载能力为5500kg，加压返回时运载能力为1925kg;货运模块加压舱运载能力为3250kg;外部非加压飞行脱落附件(Flight Releasable Attachment Mechanism，FRAM)可搭载1500kg载荷。飞船加压舱和货运模块内部总体积为15.3m3，货运模块(CM)外部非加压FRAM总体积为7.2m3。
货运版“追梦者”飞船结构及有效载荷分布
加压舱内可放置需要通电的有效载荷。通电载荷可选择与国际空间站(ISS)相同标准的配电箱，单个配电箱电压为28V，功率为75W，体积为51.6cm×45.9×27.3cm，加压舱和货运模块可容纳的配电箱总功率约750W，安装附加电池后总功率可达1500W;低温载荷有标准的防热辐射包装，或由专用的风冷管道维持低温。
通电载荷放置方式
ISS标准配电箱
FRAM有两种规模，位于上部(Upper)的FRAM尺寸为259cm×205cm×89cm，位于底部(Lower)的两个FRAM尺寸为125cm×86cm×117cm，小卫星放置方式多种多样。并且三个FRAM都与CM有数据和电源接口，电源功率为150W，可支持多种小型卫星的部署。
FRAM的分布及多个小型立方星的部署
总结
不同于SpaceX的“龙”飞船或波音CST-100“星际线”飞船，“追梦者”飞船选择模仿了航天飞机的升力体构型，以实现完整着陆复用，并且其在轨功能也机动能力也更加强大，能够同时执行微纳卫星部署任务。SNC在研制“追梦者”飞船时得到了NASA和AFRL的大量资金和技术支持，并且吸取引用了航天飞机的设计经验和成果，但历经十年首飞任务依旧一拖再拖。回顾其总体和分系统的试验，或许能窥探出一些原因。
参考资料
1. United Nations/Austria Symposium “Access to Space:Holistic Capacity Building for the 21st Century”
2. SNC Commercial ISS Programs Overview
3. Dream Chaser for Research in Commercial LEO:National Academies Committee on Biological and Physical Sciences in Space
4. Overview of Dream Chaser® Space Vehicle
5. SNC Commercial ISS Programs Overview
6.陈玉峰等.空天飞行器用热防护陶瓷材料[J].现代技术陶瓷,2017,38(05):311-390.
本文来自微信公众号：高端装备产业研究中心（ID：chinaequip），作者：太阳谷