下一代航天飞机：梦想与现实
Geoff Brumfiel　著　Shea　译

　　1986年，在“挑战者号”航天飞机升空爆炸之后几周，当时的罗纳德·里根总统宣布研发下一代航天飞机，他称之为“东方特快”。“东方特快”飞行于宇宙空间的边缘，从华盛顿飞到东京仅仅需要2小时。


[图片说明]：国家航天飞机（插图）和X-33都被认为是下一代的航天飞机。但是由于不断升高的成本以及技术上的难关，这两个项目最终都胎死腹中。照片版权：洛克希德·马丁公司。

　　这种航天器的官方名称叫“国家航天飞机”（National Aerospace Plane），它的飞行速度可以达到25倍音速，并且它可以方便的进出轨道。与航天飞机不同，它没有庞大的外挂燃料箱以及助推火箭。但是就像许多在航天飞机开始服役之后提出来的新计划一样，由于技术上的困难，“国家航天飞机”计划于1994年被迫取消，耗资30亿美元的研究付之东流。

　　在“哥伦比亚号”失事之前不久，NASA提出了一个中规中矩的新计划。去年11月，小乔治·布什总统决定将NASA5年内用于航天发射新技术研究的50亿美元一分为二，分别用于两方面来研发下一代航天飞机。第一，在10年内开发出轨道空间飞机（Orbital Space Plane）。与里根的“东方特快”不同，轨道空间飞机将使用传统的发射技术。第二，启动开发新系统的研究项目，且这一研究项目不设时间限制。

　　在“哥伦比亚号”失事之后，这些计划必将发生重大变化。但是有一点可以肯定，在可预知的未来国家航天飞机计划不会被纳入研发项目之列。理论上，下一代的航天器将更像传统的飞机。它们可以起飞，进入轨道，然后在普通的机场降落，唯一需要就是在下一次飞行之前给它加足燃料。它们依靠内置燃料箱储存燃料，可以在大气层和宇宙空间中自如的飞行，而且它们可以经受再入时的高温。但是就目前而言，这些需求已经远远超出了世界上最好的航天工程师的能力范围。

　　考虑到“哥伦比亚号”所暴露出来的问题，再入时的安全问题无疑是问题的重中之重。现在的航天飞机看上去就像是一块长着翅膀的砖块。正是航天飞机这种粗钝的形状使得它在重返大气层时能够产生一道激波，这道激波可以防止在航天飞机周围形成高温的电离气体。如果航天飞机的外形做成超音速喷气机的那种流线型，那么航天飞机再入一侧的机体温度会超过1600°C。NASA艾姆斯研究中心的研究人员正在开发一种基于铪或者锆硼化物的陶瓷材料，这种材料也许可以帮助航天器抵御再入时的高温。这些材料可以经受2800°C的高温，但是却十分的易碎而且笨重，在应用于流线型的航天器之前还需要大量的研究。

　　但是，对于任何一种航天器来说，最大的困难是把它发射进入轨道。为了摆脱地球的引力，航天器必须倍加速到超过每小时4万千米。以这样的速度发射22吨的载荷需要一枚装有近1000吨液态氢和液态氧的火箭。现在，当火箭在升空的过程中会丢弃剩下的空燃料箱，但是许多航天工程师认为这一“多级”发射策略是一种既浪费又不完美的发射解决方案。

重量问题

　　几十年前，工程师们就绞尽脑汁想解决发射中的重量问题，进而可以实现单级发射。由于燃料占据了火箭的绝大部分重量，所以最简单的解决方案就是开发一种轻巧、高效的推进系统，但是到目前为止还没有成功。

　　国家航天飞机使用另一种策略来摆脱沉重的燃料负担。与携带大量的液态氧不同，国家航天飞机可以在高超音速飞行的情况下从外层大气中抽取氧气，然后将其压缩并把它们与液态氢混合，在特殊的燃烧室中燃烧。当加速到好几倍音速之后，国家航天飞机就能飞入太空进入轨道了。

　　这一新颖的引擎设计被称为超音速冲压式喷气发动机，其中有许多技术上的挑战。由于超音速冲压式喷气发动机只能在高空稀薄的大气层中工作，而且工作时的速度必须超过音速好几倍，所以当飞机在起飞和降落时还得借助传统的引擎。而且由于太空中没有氧气，所以它还是必须要携带液氧以备它在轨道上的使用。

　　所以国家航天飞机面临着大量的技术难题。“由于缺乏信心，这项计划失去了政治和经济上的支持，”万斯·布兰德（Vance Brand）说，他曾经参与了这项计划，现在是NASA德来登飞行研究中心的宇航计划主管。

减轻载荷

　　除了减少携带的燃料之外，还可以通过减轻航天器自身的重量来解决发射问题。在国家航天飞机计划流产之后，这已经成了NASA的首要策略。1996年，NASA选择了洛克希德·马丁公司来帮助设计能够单级发射入轨的轻型航天器。洛克希德·马丁公司将这一任务交给了著名的“臭鼬工厂”的设计小组，其设计方案就是楔形的样机X-33。

　　“洛克希德·马丁公司的设计很大胆，”前NASA历史学家安德鲁·布特里克（Andrew Butrica）说，他正在写一本有关X-33计划的书。飞船的主要结构由铝制成，并且使用了石墨-环氧基树脂化合物。但是事实证明，我们对这些高科技材料还知之甚少，而且它们并没有取得应有的效果。“最大的失败出现在氢燃料箱上，”NASA兰利研究中心航天器分析小组主任约翰·保尔森（John Paulson）说。由于装有温度仅为几K的燃料，燃料箱必须要能承受热压力。但在1999年的装填测试中，实验失败了。接着双方又在这个项目上追加了10亿美元的资金，但是2001年NASA和洛克希德·马丁公司最终还是终止了合作。


[图片说明]：NASA最新的航天飞机设计方案和80年代的苏联航天器BOR-4（插图）十分的相似。照片版权：NORTHROP GRUMMAN/ORBITAL SCIENCES; O. HABA。

　　现在，NASA的新一代航天飞机计划更加保守。既不使用高技术引擎，也不使用轻型材料，NASA打算建造小型的航天飞机，它被称为轨道空间飞机。这一设计没有丝毫的创新之处——事实上，却和在20世纪80年代早期首次在西方被曝光的苏联宇宙飞船BOR-4十分相似。轨道空间飞机将被捆绑在传统的一次性火箭推进器的顶部，并由此发射升空。这一计划最初是作为国际空间站的“救生船”，之后又决定使用其来运送空间站的宇航员。

一小步

　　保尔森承认，轨道空间飞机并不是“一次巨大的飞跃”。但是他强调，从实际考虑，它将是必然的选择。前阿波罗飞船和航天飞机宇航员马廷利（T. K. Mattingly）表示同意，他说，火箭先驱冯·布劳恩曾经被问及什么样的发射手段最好，他的回答是“我们用得起的那种”。

　　同时，NASA和国防部也将会继续为超音速冲压式喷气发动机和高新材料这些能最终用于单级发射的研究项目提供经费。许多专家相信，这个“两步走”的计划最终可以实现。

　　最大的问题是这些项目能不能获得政治上的支持。航天飞机最初是设计用来发射科学、军事和商用卫星的——确实，在航天飞机计划的早期，国会曾经命令美国政府的卫星必须使用航天飞机发射。但是在1986年“挑战者号”失事之后，这道命令就被废止了。现今，卫星的发射则使用一次性火箭。由于航空业的萧条，加上空间飞行的风险，里根总统预想中的从华盛顿到东京的高速飞行，现在看上去更是有些不切实际。“我很悲观，”布特里克说，“我担心‘哥伦比亚号’的失事会给载人航天计划带来致命的打击。”

　　马廷利相信可重复使用的下一代航天飞机的设计难关终将被攻克。但是他感觉到，只有当技术项目有了明确的目标之后，才能取得真正的进展。他说：“我们需要停下来，扪心自问‘我们到底需要什么？’”

　

   译自 [Nature 2003年2月13日]

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