太空飛機：從跑道到太空

□ 謝懿/編譯

2009年年底一次等待已久的測試飛行被提上日程，它也許預(yù)示著噴氣發(fā)動機領(lǐng)域的重要技術(shù)突破。

五年前一個明媚秋日的早晨，在美國加州莫哈韋沙漠中的一個小工廠里制造出來的一架淚滴狀的小太空船讓整個空間飛行界抬起了頭。“太空船一號”（SpaceShipOne）在2004年9月29日的成功飛行為它贏得了1,000萬美元的安塞里X大獎，也似乎預(yù)示著空間旅行進入了一個新的紀元——空間飛行將會變得頻繁且廉價，最重要的是它將不再是少數(shù)人的專利。

太空船一號是第一架由私人研發(fā)的載人太空飛船。設(shè)計、建造和飛行的成本大約是2,500萬美元，這要遠比由美國政府耗資數(shù)十億美元打造的航天飛機便宜得多。在爬升到距離地面111千米高空的過程中，太空船一號打破了40多年前由美國航宇局（NASA）的X-15火箭飛機創(chuàng)造的有翼航天飛行器飛行高度紀錄。同時，太空船一號還是完全可重復(fù)使用的，這也是未來可承受的空間飛行所必需的一大重要特征。

然而五年多來，太空船一號所代表的卻并不是新的起點。在兩周內(nèi)完成了兩次亞軌道飛行之后，它就再也沒飛過。現(xiàn)在它正被掛在美國史密松國家航空航天博物館中。太空船一號的締造者太空船公司已經(jīng)披露了體型更大且可以搭載乘客（霍金已經(jīng)預(yù)定座位）的太空船二號，不過它仍然需要先由運輸機帶到空中之后才能進行太空之旅。而其他絕大部分的商業(yè)空間飛行計劃則還都停留在地面上。

太空船一號做了一件偉大的事情，但它的最高速度只有3馬赫（音速的3倍）。飛行器需要達到25馬赫才能抵達低地球軌道，而為此所需的能量和這個速度的平方成正比。

無論本身有什么樣的局限，太空船一號無疑對解決“進入太空”的難題起到了推進作用。現(xiàn)在比起空間飛行史上任何一個時刻都有更多的太空飛船處在研發(fā)之中。那么哪個或者哪些最終會取得突破呢？為了在成本和可靠性上真正做到具有革命性，就必須建造出一個真正可重復(fù)使用的系統(tǒng)，這是人類已知最大的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

太空船二號

X-15火箭飛機

在人類的智慧面前這一挑戰(zhàn)正在逐漸被化解。在數(shù)次失敗的嘗試之后，商業(yè)空間公司SpaceX已經(jīng)成功地發(fā)射了它的“隼”火箭，其他公司也正在對新的引擎、系統(tǒng)和設(shè)計進行更尖端的測試。2009年年底進行的一次測試飛行，也許預(yù)示著噴氣發(fā)動機領(lǐng)域的重要技術(shù)突破。它可以推動有翼飛行器從跑道進入地球軌道，最終實現(xiàn)被太空船一號重新點燃的夢想。

沖壓引擎誕生

空間飛行器大致可以被分成兩大類：有翼飛行器和彈道火箭。在太空競賽的早期，兩者都被認為是進入地球軌道的可行辦法。然而，在工程和經(jīng)濟上，它們的太空旅行理念卻呈現(xiàn)出了差異的巨大。彈道飛行器被直接放置在燃料之上，使用強大的推力把自己送入太空，并且在這個過程中它還會拋棄引擎和燃料箱來減輕重量。

有翼航天器則采用更為優(yōu)雅的一種方案。從地面或者另一架飛機的腹部起飛，利用地球大氣盡可能地向上爬升。在返航的時候，它們則滑翔著返回地面。其潛在的可重復(fù)使用性將會導(dǎo)致一個極為誘人的結(jié)果，那就是總有一天有翼航天器將會比火箭更為廉價。甚至還可以使用相同的設(shè)施來做為客機，為商務(wù)乃至游客開啟太空旅行之門。

在現(xiàn)實中，像太空船一號和NASA曾經(jīng)爬升到107千米的X-15這樣的有翼航天器還從來沒有到達過近地軌道。它們上面所使用的火箭引擎無法把它們再向上推行60千米進入軌道。唯一的特例是航天飛機，它是有翼航天器和彈道火箭的結(jié)合體。

航天飛機軌道器

不過，航天飛機并不是完全可重復(fù)使用的。在每次飛行中昂貴的外掛燃料箱都會被丟棄到海里。但是航天飛機向世人展示了廉價、可靠進入太空的最重要技術(shù)。其關(guān)鍵是可重復(fù)使用以及能夠頻繁使用，不過航天飛機的軟肋恰恰正是后者。

原先的設(shè)計是每年進行100次飛行并以此來降低每次太空飛行的成本，但是航天飛機機群從來沒有在一年中飛行超過9次。NASA旨在取代航天飛機并最終把人送上月球的星座計劃吸取了從航天飛機中所獲得的教訓(xùn)。雖然星座計劃航天器的一些部件也被設(shè)計成了可重復(fù)使用的，但是這一設(shè)計被認為是重回“阿波羅”時代的一種倒退。因為這些設(shè)計也許是非常可靠的，但絕對不會是廉價的，因此它無法飛行足夠多次。

現(xiàn)在，高新技術(shù)正為有翼空間飛行器帶來了新的生機，其核心就是超音速燃燒沖壓引擎。盡管名字看上去類似，但是超音速燃燒沖壓引擎和用于商業(yè)客機的渦輪噴氣引擎有著巨大的差異。在一定程度上這是由于使用超音速燃燒沖壓引擎的航天飛行器在其沖壓引擎開始工作之前要先用噴氣引擎或者火箭加速到4馬赫所造成的。這是因為和渦輪引擎不同，超音速燃燒沖壓引擎并不使用轉(zhuǎn)動的葉片來壓縮進入引擎的空氣。相反，高速運動的飛行器本身就會壓縮迎面而來的空氣，這些空氣隨后會被送入燃燒室，在那里燃燒燃料會產(chǎn)生噴射出的氣體，由此形成一般的渦輪引擎難以企及的高速。

HyShot

目前正處于測試研發(fā)階段的X-51A

因此超音速燃燒沖壓引擎只有在高速運動的過程中才能發(fā)揮功效，這本身就需要極為復(fù)雜的技術(shù)和大量的燃料。這也遭至了把超音速燃燒沖壓引擎比喻成核反應(yīng)堆的一些批評：這是一個好主意，但是在技術(shù)上不可行。20世紀90年代進行的一系列試驗的結(jié)果也并不理想，超音速燃燒沖壓引擎所需要的能量比它們產(chǎn)生的能量還要多。解決這些問題的代價是高昂的，這也使得直到最近超音速燃燒沖壓引擎仍然除了在軍事領(lǐng)域之外一無用處。

然而，首次成功的超音速燃燒沖壓引擎飛行卻是在并不那么高昂的預(yù)算下完成的，當時的金額是110萬美元。2002年一個英國和澳大利亞的合作小組在澳大利亞南部的武麥拉試驗場對他們的HyShot飛行器進行了測試。為了降低成本，他們把超音速燃燒沖壓引擎放置在了一枚傳統(tǒng)的火箭上。在墜地前的幾秒鐘里， HyShot達到了7.6馬赫，大約相當于每小時9,000千米。

從那以后，超音速燃燒沖壓引擎的發(fā)展和測試開始大幅度提速，以2004年NASA的X-43A破紀錄地達到9.68馬赫達到高潮。而在過去的幾年中其他國家研發(fā)超音速燃燒沖壓引擎的消息也開始不脛而走，這其中包括了日本、俄羅斯、中國和印度的相應(yīng)計劃。

NASA的超音速燃燒沖壓引擎飛機X-43A，在2004年的測試中達到了9.6馬赫

在2009年晚些時候，一個由NASA、美國空軍和美國國防部高等研究計劃局（DARPA）組成的合作機構(gòu)計劃在太平洋上空試飛更為先進的超音速燃燒沖壓引擎航天飛行器。這一計劃的目的是測試小型原型引擎是否可以按比例放大。設(shè)計工作在4～6馬赫的X-51A還將測試一系列的新材料。如果成功，它們將使得超音速燃燒沖壓引擎可以工作更長的時間而不是先前測試中的短短幾秒鐘。

更為關(guān)鍵的是，類似X-51A這樣的超音速燃燒沖壓引擎計劃也正在向可重復(fù)使用的方向努力。不過到目前為止這一點仍然是不可及的，因為所有的超音速燃燒沖壓引擎測試飛行器都會在其短暫的工作之后被毀，其大部分是燃燒的高溫所造成的。對于大型的超音速燃燒沖壓引擎來說，影響其穩(wěn)定性的因素有許多。其中最主要的是如何保持空氣在引擎中高速運動以便燃燒，以及如何防止引擎熔毀。即使存在這些問題，NASA也受到最近所取得的進展的鼓舞在2009年初建立了數(shù)個國家科學(xué)實驗室。他們將研究并且最終開發(fā)超音速燃燒沖壓引擎技術(shù)。

跑道的勝利

X-5 1 A計劃的結(jié)果也許會幫助DARPA正在設(shè)計的另一種引擎。被稱為“火神”的這一引擎將使得航天器可以像普通的飛機一樣從跑道起飛，然后再加速到高超音速。為了做到這一點，“火神”將使用一種改進的渦輪引擎來加速到大約2馬赫，然后由超音速引擎——可能會基于首次被用于二戰(zhàn)中德國V-1飛彈的脈沖爆震發(fā)動機設(shè)計——再把它加速到超過4馬赫。這兩者會被整合進和X-51A類似的機身中。DARPA希望到2012年能制造出一架測試樣機。雖然它最初的目標是軍事用途，但是DARPA也希望它的未來版本可以使得從跑道起飛進入太空成為可能。

那么這些超音速燃燒沖壓引擎飛行器最終能靠自己的力量進入地球軌道嗎？超音速燃燒沖壓引擎的最高速度據(jù)估計大約在12～20馬赫，距離能把它們送入軌道的25馬赫仍然還有差距。為了解決這個問題，在加速的初期或者末期還是需要火箭來助一臂之力。但這應(yīng)該不會嚴重地影響它們的可重復(fù)使用性，因為這些太空飛機的絕大部分動力來自超音速燃燒沖壓引擎，這使得它們比起航天飛機來要可重復(fù)使用得多。此外，由于是被設(shè)計成能從非常稀薄的空氣中抽取氧化劑的，因此它們會比傳統(tǒng)的彈道飛行器輕得多。而對于航天飛機來說，光氧化劑就占據(jù)了其外掛燃料箱容量的大約85%。

不過關(guān)于高超音速航天器的爭論就像有翼和彈道航天器之間的爭論一樣激烈。對高超音速航天器的批評認為，即使相關(guān)的技術(shù)變得切實可行，它仍然可能由于其高昂的成本而停留在軍事領(lǐng)域。很顯然，在把一小隊作戰(zhàn)人員快速送往關(guān)鍵地區(qū)上它有重要的軍事應(yīng)用前景，而和民航客機類似的高超音速客機則還可以在4個小時內(nèi)載著超級富豪環(huán)繞地球。

一些工程師相信還有第三條前進的道路：一種相對廉價、可重復(fù)使用且不依賴于諸如超音速燃燒沖壓引擎這樣的實驗性技術(shù)以及一次性彈道系統(tǒng)的有翼航天器。英國的噴氣引擎公司正致力于這個領(lǐng)域，它提出了使用“軍刀”高新噴氣引擎進入地球軌道的航天器Skylon。

在高速飛行時，進入引擎的空氣會被快速壓縮進而迅速升溫，這也正是超音速燃燒沖壓引擎為什么必須使用特殊絕熱材料的原因。為了克服這個問題，Skylon 的噴氣引擎將使用一個熱交換器來把流入的空氣從1,000℃冷卻到-100℃。隨后這些冷卻的空氣會和液氫混合并且燃繞。于是，和超音速燃燒沖壓引擎不同，“軍刀”引擎會更輕并且可以升空加速至5.5馬赫。在抵達26千米的高度之后，引擎會切換成普通的火箭引擎，使用裝載的氧和氫來把飛機送入太空中。

Skylon是對經(jīng)典太空飛機夢想的回歸。使用自己的動力起飛，無人駕駛的Skylon飛入地球軌道，運送載荷，然后在跑道上著陸。讓載具像民用飛機一樣飛行是清除前進障礙的重要一步。

Skylon及其“軍刀”引擎是英國宇航公司和勞斯萊斯公司在20世紀80年代工作的延續(xù)，因此它將繼續(xù)先前已研發(fā)的系統(tǒng)，而非從頭開始。更重要的是，噴氣引擎公司并不打算自己建造Skylon或者“軍刀”引擎，而是將其轉(zhuǎn)包給經(jīng)驗豐富、實力雄厚的航天企業(yè)。

正如噴氣引擎公司的戰(zhàn)略所預(yù)示的，小公司正在意識到它們需要大的玩家才能來取得真正的突破。同樣地，NASA現(xiàn)在也視企業(yè)為合作伙伴，而非競爭對手。 NASA計劃在商業(yè)公司建造的亞軌道飛行器上進行科學(xué)實驗，并像其他商業(yè)客戶一樣為此支付費用，為這些公司的服務(wù)提供一個市場。此外，NASA也資助了一些相關(guān)的企業(yè)。

今天所出現(xiàn)的商業(yè)空間需求正是一個邁向成功的絕佳機會，因為它們正在觸及真正核心的問題。高新技術(shù)將在其中扮演重要的角色，其結(jié)果就像是汽車和飛機對運輸形式所產(chǎn)生的影響一樣具有革命性。由此，太空船一號的成功帶來了一個無可辯駁的事實。它抹去了太空飛行中虛幻的一面。這是邁向一個與眾不同、更激動人心未來的巨大一步。