北京時(shí)間 1 月 27 日消息，隨著美國國家航空航天局（NASA）航天飛機(jī)項(xiàng)目的結(jié)束，可重復(fù)使用的太空飛機(jī)概念似乎也隨之消亡。在 21 世紀(jì)，太空飛機(jī)會(huì)再次崛起嗎？
1903 年，萊特兄弟在美國北卡羅萊納州的小鷹鎮(zhèn)進(jìn)行了人類歷史上首次可控動(dòng)力飛行，自此之后，人們就開始夢想著飛向太空。不到 70 年之后，一部經(jīng)典電影非常真切地向我們展示了太空飛機(jī)可能會(huì)是什么樣子。在斯坦利 · 庫布里克的《2001：太空漫游》（1968）中，一架大型太空飛機(jī)伴隨施特勞斯的華爾茲圓舞曲《藍(lán)色多瑙河》，輕松地與一個(gè)巨大的旋轉(zhuǎn)空間站對接。
盡管此后出現(xiàn)了許多計(jì)劃、原型機(jī)和試驗(yàn)飛行，但只有兩種太空飛機(jī)進(jìn)入服役，即航天飛機(jī)（Space Shuttle）和機(jī)密的波音 X-37B，即軌道試驗(yàn)飛行器（Orbital Test Vehicle，簡稱 OTV）。目前，只有波音這款小型無人空間飛機(jī)還在服役。
▲太空飛機(jī)一直是人類的夢想
人們對優(yōu)雅的太空飛機(jī)仍然心存夢想，盡管對其實(shí)際作用的期待可能遠(yuǎn)不如以前。歐洲空間局有類似的可重復(fù)使用航天器項(xiàng)目，稱為 “太空騎士”（Space Rider），預(yù)計(jì)將于 2023 年發(fā)射升空。另據(jù)報(bào)道，印度開發(fā)的迷你太空飛機(jī)也將在這個(gè)十年的末段發(fā)射升空。
目前，我們?nèi)匀灰揽炕鸺龑⒂詈絾T送入太空，用降落傘懸掛的太空艙將他們送回地球。那么，在 NASA 已經(jīng)退役的航天飛機(jī)之后，新的太空飛機(jī)為何還遲遲沒有起飛？
我們或許可以在科羅拉多州落基山脈腳下，距離小鷹鎮(zhèn) 2900 公里的一個(gè)試驗(yàn)場找到該問題的答案。這個(gè)位于科羅拉多航空航天港的設(shè)施是由 Reaction Engines 公司專門建造的，用于對該公司革命性的新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行 “熱測試”。這些測試得到了美國政府國防高級研究計(jì)劃局（Darpa）的支持。
▲Reaction Engines 公司在美國科羅拉多州的試驗(yàn)場，他們使用一臺(tái)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)來幫助進(jìn)行試驗(yàn)
Reaction Engines 是一家英國航空航天公司，由工程師艾倫 · 邦德、理查德 · 瓦維爾和約翰 · 斯科特于 1989 年，在英國太空飛機(jī)項(xiàng)目 “HOTOL”取消后創(chuàng)立的。在 HOTOL 項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，該公司希望打造一款單級軌道太空飛機(jī)，稱為 “云霄塔”（Skylon，又稱 “天龍”），并開發(fā)能為其提供強(qiáng)大動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)。“吸氣式雙模式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)”（Synergetic Air Breathing Rocket Engine，簡稱 SABRE）是一款氫動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，可以利用地球大氣層中的氧氣，推動(dòng)像云霄塔這樣的太空飛機(jī)從 0 加速到高超音速；在進(jìn)入太空后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入火箭引擎模式，改用裝載的氧。
如今，Reaction Engines 得到了一些業(yè)內(nèi)知名企業(yè)和機(jī)構(gòu)的支持，包括波音、英國宇航系統(tǒng)公司，勞斯萊斯公司，以及英國和歐洲航天機(jī)構(gòu)。
在試驗(yàn)場的安全圍欄內(nèi)，一臺(tái)冷戰(zhàn)時(shí)期戰(zhàn)斗機(jī)的引擎在改裝之后，被用于復(fù)制高超音速下產(chǎn)生的高溫氣流。過熱的空氣從一個(gè)由數(shù)千個(gè)薄壁管組成的輕型環(huán)形裝置噴射而出，冷卻劑就在這些薄壁管中流動(dòng)。這是一臺(tái)預(yù)冷器，功能是盡快地把極端熱量排出。工程師們希望該裝置在 SABRE 引擎上使用時(shí)，能夠防止其內(nèi)部組件在高溫下熔化，確保引擎有效運(yùn)行。
2019 年初，預(yù)冷器經(jīng)受住了 420 攝氏度的考驗(yàn)，這模擬的是飛行器以 3.3 馬赫——音速的三倍多——在大氣中飛行的情況。不過，工程師們想要達(dá)到的是 5 馬赫。這是個(gè)神奇的數(shù)字，相當(dāng)于每小時(shí) 6200 公里的飛行速度；換言之，這是協(xié)和飛機(jī)巡航速度的兩倍多，比世界上最快的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī) SR-71“黑鳥”偵察機(jī)還快 50% 以上。5 馬赫也恰好是目前飛機(jī)生產(chǎn)所用材料的極限。
▲“云霄塔”是 20 世紀(jì) 90 年代中期的一個(gè)太空飛機(jī)概念，設(shè)計(jì)的飛行速度可達(dá) 5 馬赫
在 5 馬赫和海拔 20 公里時(shí)，SABRE 引擎將關(guān)閉進(jìn)氣口，停止吸氣，開始燃燒混合了氫燃料的液氧，以 25 馬赫的速度進(jìn)入地球軌道。2019 年 10 月，原有紀(jì)錄被打破，模擬的飛行速度達(dá)到了 5 馬赫。預(yù)冷器在不到 1/20 秒的時(shí)間內(nèi)成功冷卻了流入機(jī)器的超過 1000 攝氏度的空氣。
這次測試的成功為團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人海倫 · 韋伯贏得了英國皇家航空學(xué)會(huì)享有盛名的拉爾夫 · 羅賓斯爵士工程領(lǐng)導(dǎo)獎(jiǎng)?wù)?，其團(tuán)隊(duì)也獲得了一系列獎(jiǎng)項(xiàng)?！拔覀冞_(dá)成了一些以前從未做過的成就，”韋伯說，“這是航天技術(shù)突破發(fā)展中的一個(gè)重大時(shí)刻。這一成功使我們離 SABRE 的實(shí)現(xiàn)又近了一步，并為高超音速飛行鋪平了道路?！?/p>
目前，韋伯正在研究 SABER 引擎本身的核心技術(shù)。盡管可能需要等待 10 年才能開始這款發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)，但其中創(chuàng)新性的熱控制技術(shù)似乎已被應(yīng)用到其他領(lǐng)域。例如，在電動(dòng)汽車中，新型高效輕型熱交換器將使鋰電池充電更快，使用時(shí)間更長。
美國德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校的克里斯多夫 · 庫姆斯說：“Reaction Engines 公司做得很好的一點(diǎn)是，他們是說先開發(fā)一種技術(shù)，然后再開發(fā)另一種技術(shù)。向投資者推銷可以在 5 年內(nèi)用于噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的熱交換器，要比推銷需要 30 年時(shí)間建造的云霄塔容易得多?！?/p>
奇怪的是，在 Reaction Engines 網(wǎng)站上很難找到有關(guān)云霄塔的信息。“云霄塔是一款概念飛行器，用來展示 SABRE 發(fā)動(dòng)機(jī)將如何使用，”該公司的業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理奧利弗 ? 納拉德說，“我們并不是在開發(fā)飛行器。近期我們將重點(diǎn)放在發(fā)動(dòng)機(jī)上，但與此同時(shí)，我們必須確保太空飛行器技術(shù)的同步開發(fā)?！?/p>
為此，Reaction Engines 與可能建造太空飛機(jī)的 “不同利益相關(guān)者”展開合作。2020 年，該公司與歐洲空間局（ESA）合作，制定了一個(gè)更為保守的計(jì)劃，即在未來十年從法屬圭亞那發(fā)射一架兩級飛行器。
太空飛機(jī)的概念很簡單，盡管有時(shí)會(huì)與一系列令人困惑的飛行器聯(lián)系起來。在一個(gè)非常寬泛的定義下，用于發(fā)射維珍軌道（Virgin Orbit）公司 “發(fā)射機(jī)一號(hào)”（LauncherOne）的波音 747 也可以歸類為太空飛機(jī)，因?yàn)樗喈?dāng)于宇宙飛船的第一級。
讓 ? 德維爾表示，真正的太空飛機(jī)有兩種，“一種很簡單，就是通過傳統(tǒng)的垂直起飛火箭將太空飛機(jī)送入太空，比如航天飛機(jī)。更困難的一種是飛行器水平起飛，通過一個(gè)漸進(jìn)的軌道到達(dá)太空，或者兩級都是太空飛機(jī)。”
太空飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)很容易列舉出來。一個(gè)令人信服的概念就是 “飛”到空間站，然后再飛回來，就像我們乘飛機(jī)從紐約飛到舊金山一樣。太空飛機(jī)可以使用機(jī)場跑道，而不需要昂貴的發(fā)射臺(tái)，這也意味著它們可以更頻繁地發(fā)射和著陸。如果想回收精密而脆弱的衛(wèi)星，唯一的解決辦法是搭乘太空飛機(jī)，而不是使用載人太空艙，利用降落傘減速返回地球。
太空飛機(jī)也可以用來測試軍事裝備，甚至攔截?cái)撤叫l(wèi)星。在技術(shù)上，太空飛機(jī)與高超音速武器和飛機(jī)的技術(shù)有重疊之處。因此，Reaction Engines 也參與了英國國防部資助的一個(gè)研究項(xiàng)目，旨在為飛機(jī)開發(fā)高超音速推進(jìn)系統(tǒng)。
然而，航天工業(yè)并沒有按照太空飛機(jī)倡導(dǎo)者所希望的方式發(fā)展。美國羅得島海軍戰(zhàn)爭學(xué)院的大衛(wèi) ? 伯巴赫表示：“我們在計(jì)算機(jī)方面取得的進(jìn)步遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了火箭。自動(dòng)化意味著我們真的不需要把很多人送上太空。這可能看起來很原始，或者看起來不夠體面，但實(shí)際上，火箭才是我們目前所需要的?！?/p>
一些分析人士認(rèn)為，目前將衛(wèi)星帶回地球的需求也很少，因?yàn)樗鼈兊慕ㄔ斐杀驹絹碓降停瑝勖苍絹碓介L——坦率地說，衛(wèi)星正變成某種一次性用品。在 Space X 公司的星鏈衛(wèi)星群中，就使用了數(shù)千顆批量生產(chǎn)的小型衛(wèi)星，用來擴(kuò)大互聯(lián)網(wǎng)接入，這些衛(wèi)星想必也不會(huì)大費(fèi)周章地進(jìn)行回收。
另一方面，太空飛機(jī)涉及成本昂貴的技術(shù)挑戰(zhàn)。這其中，不僅需要足夠堅(jiān)固和輕便的材料來承受頻繁的太空往返，還必須考慮如何將飛行不同階段所需的兩到三種不同類型的推進(jìn)系統(tǒng)整合在一起?！霸谖铱磥?，這是最主要的困難之一，”讓 · 德維爾說。
“最后，太空飛機(jī)項(xiàng)目的主要障礙在于開發(fā)過程需要非常雄厚的資金，”讓 · 德維爾補(bǔ)充道，“這就是為什么歐洲、蘇聯(lián)和俄羅斯都放棄了這一概念?！?/p>
然后就是競爭?！癝pace X 以不斷突破極限而聞名，但它正在扼殺太空飛機(jī)，”克里斯多夫 · 庫姆斯說，“他們在降低太空訪問成本方面做得非常好，但這也讓他們失去了投資昂貴太空飛機(jī)研究的興趣?！?/p>
▲NASA 的太空飛機(jī)時(shí)代隨著航天飛機(jī)在 2011 年的退役而宣告結(jié)束
可能只有億萬富翁才能承受開發(fā)太空飛機(jī)失敗的代價(jià)。
盡管波音的 X-37B 近年來在軍事領(lǐng)域取得了成功，但太空飛機(jī)愛好者們已經(jīng)習(xí)慣了失望。蘇聯(lián)航天先驅(qū)弗里德里希 · 燦德爾在 1911 年設(shè)計(jì)了一架星際航天飛機(jī)，機(jī)翼設(shè)計(jì)為可在上升過程中燒毀。20 世紀(jì) 30 年代，奧地利工程師尤金 · 桑格提出了用火箭驅(qū)動(dòng)的亞軌道轟炸機(jī)轟炸紐約的想法。幸運(yùn)的是，納粹沒有將此變成現(xiàn)實(shí)。
20 世紀(jì) 50 年代，火箭設(shè)計(jì)師沃納 · 馮 · 布勞恩在《科利爾雜志》（Collier‘s magazine）上闡述了他對 “帶翅膀的火箭”的設(shè)想，而美國空軍采納了桑格的想法。波音 X-20 Dyna-Soar（“動(dòng)力倍增器”的英文縮寫）從 1957 年一直持續(xù)到 1963 年，在花費(fèi)了 6.6 億美元后終止，取而代之的是 “雙子座計(jì)劃”（Gemini programme）。最初的雙子座飛船本應(yīng)由火箭發(fā)射進(jìn)入太空，在返回時(shí)像滑翔傘一樣降落在跑道上，但這一計(jì)劃最終也被取消。曾經(jīng)秘密的蘇聯(lián)項(xiàng)目也失敗了，比如 “米格 - 105”（MiG-105）太空戰(zhàn)機(jī)。這是蘇聯(lián)斷斷續(xù)續(xù)的建造太空飛機(jī)計(jì)劃中開發(fā)的載人測試飛行器，在 1976 年首次飛行。這個(gè)項(xiàng)目被稱為 “實(shí)驗(yàn)性載人軌道飛行器”（Epos），最終在兩年后被取消。
▲蘇聯(lián)的 “暴風(fēng)雪”號(hào)是另一種很有前景的太空飛機(jī)設(shè)計(jì)，但在蘇聯(lián)解體之前，它還從未進(jìn)行過載人飛行任務(wù)
似乎每個(gè)國家都想擁有自己的太空飛機(jī)。受 NASA 航天飛機(jī)的啟發(fā)，蘇聯(lián)的 “暴風(fēng)雪”（Buran）號(hào)航天飛機(jī)在 1988 年進(jìn)行了一次無人飛行，后來該計(jì)劃被取消。歐洲和日本的航天飛機(jī)也停留在計(jì)劃階段。因?yàn)榛鸺沁M(jìn)入太空競賽更快的方式。
盡管航天飛機(jī)的表現(xiàn)不佳，但美國并沒有停止開發(fā)可重復(fù)使用太空飛機(jī)的夢想。由于技術(shù)問題，洛克希德 · 馬丁公司充滿未來感的 X-33，或稱 “冒險(xiǎn)之星”（Venture Star），在后期階段被取消。據(jù)傳美國還有其他項(xiàng)目在秘密進(jìn)行，在這些項(xiàng)目中誕生了無人的波音 X-37B 試驗(yàn)機(jī)，但波音公司提議的更大型載人飛行器被否決了。
那么，太空飛機(jī)還有未來嗎？
高超音速飛機(jī)和武器的研發(fā)競賽可能有助于解決太空飛機(jī)項(xiàng)目面臨的技術(shù)問題，波音公司的太空飛行器或許也能在其中扮演適當(dāng)?shù)慕巧?。“外太空充滿了破滅的夢想和破碎的承諾，”《太空戰(zhàn)爭：戰(zhàn)略、太空力量和地緣政治》（War in Space： Strategy，Spacepower，Geopolitics）一書作者、英國萊斯特大學(xué)的布萊登 · 鮑恩說，“太空飛機(jī)可能只是為新技術(shù)提供一個(gè)有用的軌道試驗(yàn)平臺(tái)?！?/p>
Reaction Engines 公司的奧利弗 ? 納拉德說：“歸根結(jié)底，人們希望太空飛行能超越現(xiàn)在的水平。他們正試圖達(dá)到一種按需發(fā)射的能力，如果我們想最終釋放太空的潛力，就需要努力實(shí)現(xiàn)這樣的飛行器模式。”
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