單級入軌可重復使用航天運載器一波三折

何麟書

“阿波羅”登月成功，國際間站在軌組裝計劃得以逐步實現，使得航天迷們信心百倍，以為送人去火星探險，作太空長途旅行，建立空間工廠等等設想，都是很快就能實現的計劃。航天的瓶頸是高昂的太空往返費用，對未來充滿憧憬的企業家們急于要解決這一難題。他們提出的解決措施確實誘人，這就是研制可重復使用的各種運載器，使太空旅行如同乘坐民航班機一樣的方便和省錢。

熱潮興起

基于這一想法，美國航空航天局（NASA）于1996年7月與洛馬公司（LockheedMartinCorp.）簽署一項合作協議，設計、制造X－33技術驗證機并進行試飛。

X－33是未來“冒險星”（一種單級入軌可重復使用的運載器）的縮比試驗運載器，尺寸只有“冒險星”的一半，用自身攜帶的火箭動力入軌，完成運送任務后用滑翔的辦法返回地面，用航天飛機方式常規著陸（見題圖）。它涉及的技術領域很廣，包括材料、推進劑、氣塞式火箭發動機、防熱措施等等問題，可以帶動相當一批企業的技術發展和由此獲得豐厚的利益回報。

光輝的前景，使許多公司怦然心動，如旋轉火箭公司（RotaryRocketCo.），提出單級火箭入軌，返回時采用直升機旋翼逐漸下降的方案。還有航空宇航（AeroAstro）公司、開利空間技術公司（KellySpace＆TechnologyInc.）提出的從波音747上發射可重復使用運載火箭的方案等。

冷靜審視

但是，無情的現實使太空廉價旅行的夢逐漸清醒，人們正在更為冷靜地審視這一問題。

航空宇航公司總裁瑞克·弗利特（RickFleeter）已經停止他們制造低成本火箭的計劃，轉而生產常規火箭發動機。弗利特嘆惜：“夢想降低成本，結果一無所獲，我不再打算用我的余生去等待出現奇跡”。無獨有偶，加利福利亞州的旋轉火箭公司也將其研制人員由75人減為不到12人，目前正處于求生存的地步。該公司研制的可重復使用航天器在降落時如同一架直升機。洛馬公司著名的X－33工程正處于推進劑貯箱斷裂、制造工藝出問題的境地，而且開銷已超過7500萬美元。

許多專家認為，就算火箭能安全地在天地之間往返，其成本也只會提高而不會下降。隨著“銥星”和其他潛在衛星用戶們的煙消云散，克斯勒和先驅者火箭計劃（KistlerandPioneerRocketplane）已無人愿出經費，支持研制曾經憧憬過的新運載器。加利福尼亞州的開利空間技術公司總裁兼總師麥克·斯·開利（MichaclS.Kelly）哀嘆道：“近來，要想使‘便宜的天地往返工具的夢想存活下來，就像自己給自己動心臟手術以求生存，而不用‘麻醉一樣的困難”。這里，“麻醉”是指技術上的突破。

理想的天地往返系統

單級入軌重復使用火箭是目前最理想、最有發展前途的天地往返系統，在實現這一目標的征途上，其困難還不僅僅在于經費，更令人沮喪的還是工程技術上躲不開的令人頭痛的難題。

最根本的難題仍然是地球的引力。它實在是太強大了，火箭必須達到大約28500公里的時速（相當7.9公里／秒）才能入軌。這也就是“阿波羅”登月任務采用“土星”(Saturn)多級火箭的原因，必須逐級扔掉已耗盡推進劑的下面級，才能進一步減輕全火箭的質量，以達到所需的入軌速度；同時，還必須考慮從月球返回時的質量。為了做到單級入軌，做到重復使用，必須有非常輕的新型材料和創新型的火箭發動機，才能帶來突破。只有重復使用，才能使目前每發射一次就損失一枚多級火箭的高昂費用降下來。這就是為什么NASA和一些公司在1996年提出諸如X－33這樣一些計劃的根本原因。NASA曾經宣稱，單級入軌重復使用航天運載器，將會使目前1磅有效載荷的入軌費用由1萬美元降到1千美元，為目前的十分之一。前景的確誘人。

X－33陷入困境

不過，目前的現狀很令人失望。X－33的關鍵部件，也是這個航天運載器結構主體部分——液氫燃料貯箱。它由輕質量、高強度的復合材料制成，在工藝上極難制作，而且在去年試驗中發生冷脆斷裂（液氫沸點為－253℃）。這就使X－33計劃陷于停頓狀態，擺在NASA和洛馬公司面前的問題有兩個：工程上的難題如何解決？由誰來付錢支持下一步的研制工作？原訂今年7月的試飛已不可能。

大多數專家認為，X－33計劃已經失敗，原因之一是缺乏市場，而根本原因還在于工程技術上不過關。通俗地講，由于完成單級入軌重復使用所需要的推進劑實在太多，迫使重復使用的運載器結構必須“輕如羽毛”。否則，這種運載器就無法為用戶服務。因為運載器沒有裕量留給有效載荷，也就是說它無法帶一點像樣的儀器和設備進入軌道，更無法攜帶返回大氣層時所必須的防熱設施和制動系統。如果要帶一點有用的質量上天的話，它又會陷入完全無法入軌的尷尬局面。至于用它載人航天，目前實難想像。

投資困難

為了使單級入軌重復使用運載器研制工作能繼續下去，當前最重要的工作是工程技術上要有大的令人震驚的突破。當初各家航空航天公司以為，令NASA難以解決的技術難題，他們都會有辦法克服。例如，旋轉火箭公司計劃用液氧煤油取代液氫液氧，作為液體火箭發動機的燃料，以解決液氫貯箱過大，以及貯箱材料的冷脆斷裂等問題。又例如，開利空間技術公司企圖用波音747將火箭帶到12.2公里高度上再點火發射，這就不必建造耗資巨大的發射場，也可以減少火箭入軌所帶的推進劑質量。但是，這些大膽的設想都未能爭取到投資者。太空設備公司（SpaceDevInc.）的總裁章姆士·威·本生說：“所有這些設想都需要一項或多項技術上的突破，而涉及技術上的方案是如此地令人懷疑，以至公司自己也未敢先集資去試驗一下”。

仍在努力

NASA和這些公司并沒有完全打算放棄。NASA有幾項計劃還在繼續努力進行，例如，吸氣式發動機，它能在穿過大氣層時利用空氣中的氧氣而省去攜帶過重的液氧。陷于困境的旋轉火箭和克斯勒（RotaryandKistler）公司仍在試圖集巨資去建造一個全尺寸的樣機。克斯勒公司一直積極為NASA的新航天計劃出謀劃策，公司總裁克斯勒本人說：“我們一直在構思新的運載工具，因為我們知道今天的運載火箭已經過時了”。拉斯維加斯的比格羅航天公司（BigelowAero－SpaceCo.inLasVegas）已經宣告要建造一艘登月巡回飛船，實現旅客往返于地球軌道和月球之間。弗吉尼亞州阿林頓的奔月公司總裁戴維堤·皮·古姆普（DavidP.Gump,presidentofLunacorp.inArlington,Va.）希望通過無線電視和互聯網發送銀河系奇景和月球背面的圖像到地球上來。今年6月15日，奔月公司宣布，射電屋公司(RadioshackCo.)將負責出資建造一艘活動電影攝像船到月球上去。

圣·路易斯基金十字獎主席彼得·哈·戴蒙德斯（PeterH.Diamandis,PresidentofSt.Louis－basedX－Prize）仍然認為克服這些技術困難只不過是時間問題。他的基金組織提供1000萬美元獎勵給任何一家公司，只要這家公司能在兩星期之內送三個成年人完成亞軌道飛行（比真實軌道低，但發射、返回過程都有，主要用于試驗）兩次。但是，太空設備公司的本生說：“目前已有的技術還做不到這一點”。看來，這一獎金不會很快有人來認領。

航天運載器單級入軌的必備條件

目前制造單級入軌重復使用的運載火箭，從理論上說明并不困難。目前采用最好的液氫液氧火箭發動機推進系統，其真空有效比沖為500秒（很先進的估計，一般達不到）；采用最好的結構材料，最先進的設計方案，其質量比最好也只能做到0.15。按照齊奧爾科夫斯基火箭理想速度公式，可算出在真空中、無重力情況下的火箭熄火點的速度為9.296公里／秒。由于重力和阻力造成的損失，其量級范圍是20％～25％。我們可取20％（也是最好的估計），計算出火箭的真實熄火點速度為7.436公里／秒。

可見還達不到7.9公里／秒的第一宇宙速度。這里已經給出了一個大膽的假設，也就是火箭質量比為15％。這就是說，如果火箭起飛質量為100噸，在推進劑消耗完之后剩下的“干質量”只有15噸。這其中包括有效載荷、箭體結構、發動機及附屬系統、控制系統等等。這樣說可能不夠形象，拿長征3號甲（CZ－3A）舉例。CZ－3A的第三級火箭采用液氫、液氧推進劑的液體火箭發動機，且采用共底式貯箱，結構設計想盡了辦法，起飛質量為23噸，推進劑質量為18噸，有效載荷為2.3噸，火箭質量比為0.22。如果再想降低火箭質量比，則需要減少有效載荷。現假設完全不帶有效載荷，此時火箭質量比為2.7／23=0.117，理想速度可達10.497公里／秒，扣除重力和阻力損失之后，熄火點的速度可達8.4公里／秒，可以克服地球引力入軌。但是，火箭不帶有效載荷，就完全失去了實用意義。這里還未考慮返回時的動力要求和相應的結構質量，也就是說，2.7噸的結構質量僅為入軌服務，返回時還需要制動推進系統，相應的質量必須包括進去，否則無法返回，也就不屬重復使用的范疇了。

綜上所述，單級入軌重復使用運載器并非完全不可能實現，但必須突破目前技術上的困難。具體說有兩個方面：第一，必須繼續提高比沖；第二，必須進一步降低運載器的質量比（“冒險星”要求為10％，即起飛質量為922噸，其中90％是推進劑，留給有效載荷和結構的質量只有92.2噸）。任務雖然艱巨，相信通過人類的不斷努力，在21世紀不遠的將來，一定能解決這些難題。