太空飛機:可重複使用的宇宙飛船能否再次崛起?
2021年01月27日10:09

  1月27日消息,隨著美國國家航空航天局(NASA)航天飛機項目的結束,可重複使用的太空飛機概念似乎也隨之消亡。在21世紀,太空飛機會再次崛起嗎?

  1903年,萊特兄弟在美國北卡羅萊納州的小鷹鎮進行了人類歷史上首次可控動力飛行,自此之後,人們就開始夢想著飛向太空。不到70年之後,一部經典電影非常真切地向我們展示了太空飛機可能會是什麼樣子。在斯坦利·庫布里克的《2001:太空漫遊》(1968)中,一架大型太空飛機伴隨施特勞斯的華爾茲圓舞曲《藍色多瑙河》,輕鬆地與一個巨大的旋轉空間站對接。

  儘管此後出現了許多計劃、原型機和試驗飛行,但只有兩種太空飛機進入服役,即航天飛機(Space Shuttle)和機密的波音X-37B,即軌道試驗飛行器(Orbital Test Vehicle,簡稱OTV)。目前,只有波音這款小型無人空間飛機還在服役。

太空飛機一直是人類的夢想
太空飛機一直是人類的夢想

  人們對優雅的太空飛機仍然心存夢想,儘管對其實際作用的期待可能遠不如以前。歐洲空間局有類似的可重複使用航天器項目,稱為“太空騎士”(Space Rider),預計將於2023年發射升空。另據報導,印度開發的迷你太空飛機也將在這個十年的末段發射升空。

  目前,我們仍然依靠火箭將宇航員送入太空,用降落傘懸掛的太空艙將他們送回地球。那麼,在NASA已經退役的航天飛機之後,新的太空飛機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2900公里的一個試驗場找到該問題的答案。這個位於科羅拉多航空航天港的設施是由Reaction Engines公司專門建造的,用於對該公司革命性的新型火箭發動機技術進行“熱測試”。這些測試得到了美國政府國防高級研究計劃局(Darpa)的支援。

Reaction Engines公司在美國科羅拉多州的試驗場,他們使用一台戰鬥機發動機來幫助進行試驗
Reaction Engines公司在美國科羅拉多州的試驗場,他們使用一台戰鬥機發動機來幫助進行試驗

  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·斯科特於1989年,在英國太空飛機項目“HOTOL”取消後創立的。在HOTOL項目的基礎上,該公司希望打造一款單級軌道太空飛機,稱為“雲霄塔”(Skylon,又稱“天龍”),並開發能為其提供強大動力的發動機。“吸氣式雙模式火箭發動機”(Synergetic Air Breathing Rocket Engine,簡稱SABRE)是一款氫動力發動機,可以利用地球大氣層中的氧氣,推動像雲霄塔這樣的太空飛機從0加速到高超音速;在進入太空後,發動機進入火箭引擎模式,改用裝載的氧。

  如今,Reaction Engines得到了一些業內知名企業和機構的支援,包括波音、英國宇航系統公司,勞斯萊斯公司,以及英國和歐洲航天機構。

  在試驗場的安全圍欄內,一台冷戰時期戰鬥機的引擎在改裝之後,被用於複製高超音速下產生的高溫氣流。過熱的空氣從一個由數千個薄壁管組成的輕型環形裝置噴射而出,冷卻劑就在這些薄壁管中流動。這是一台預冷器,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,能夠防止其內部組件在高溫下熔化,確保引擎有效運行。

  2019年初,預冷器經受住了420攝氏度的考驗,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,工程師們想要達到的是5馬赫。這是個神奇的數字,相當於每小時6200公里的飛行速度;換言之,這是協和飛機巡航速度的兩倍多,比世界上最快的噴氣發動機飛機SR-71“黑鳥”偵察機還快50%以上。5馬赫也恰好是目前飛機生產所用材料的極限。

“雲霄塔”是20世紀90年代中期的一個太空飛機概念,設計的飛行速度可達5馬赫
“雲霄塔”是20世紀90年代中期的一個太空飛機概念,設計的飛行速度可達5馬赫

  在5馬赫和海拔20公里時,SABRE引擎將關閉進氣口,停止吸氣,開始燃燒混合了氫燃料的液氧,以25馬赫的速度進入地球軌道。2019年10月,原有紀錄被打破,模擬的飛行速度達到了5馬赫。預冷器在不到1/20秒的時間內成功冷卻了流入機器的超過1000攝氏度的空氣。

  這次測試的成功為團隊負責人海倫·韋伯贏得了英國皇家航空學會享有盛名的拉爾夫·羅賓斯爵士工程領導獎章,其團隊也獲得了一系列獎項。“我們達成了一些以前從未做過的成就,”韋伯說,“這是航天技術突破發展中的一個重大時刻。這一成功使我們離SABRE的實現又近了一步,並為高超音速飛行鋪平了道路。”

  目前,韋伯正在研究SABER引擎本身的核心技術。儘管可能需要等待10年才能開始這款發動機的飛行試驗,但其中創新性的熱控制技術似乎已被應用到其他領域。例如,在電動汽車中,新型高效輕型熱交換器將使鋰電池充電更快,使用時間更長。

  美國德克薩斯大學聖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是,他們是說先開發一種技術,然後再開發另一種技術。向投資者推銷可以在5年內用於噴氣式戰鬥機的熱交換器,要比推銷需要30年時間建造的雲霄塔容易得多。”

  奇怪的是,在Reaction Engines網站上很難找到有關雲霄塔的信息。“雲霄塔是一款概念飛行器,用來展示SABRE發動機將如何使用,”該公司的業務開發經理奧利弗•納拉德說,“我們並不是在開發飛行器。近期我們將重點放在發動機上,但與此同時,我們必須確保太空飛行器技術的同步開發。”

  為此,Reaction Engines與可能建造太空飛機的“不同利益相關者”展開合作。2020年,該公司與歐洲空間局(ESA)合作,製定了一個更為保守的計劃,即在未來十年從法屬圭亞那發射一架兩級飛行器。

  太空飛機的概念很簡單,儘管有時會與一系列令人困惑的飛行器聯繫起來。在一個非常寬泛的定義下,用於發射維珍軌道(Virgin Orbit)公司“發射機一號”(LauncherOne)的波音747也可以歸類為太空飛機,因為它相當於宇宙飛船的第一級。

  讓•德維爾表示,真正的太空飛機有兩種,“一種很簡單,就是通過傳統的垂直起飛火箭將太空飛機送入太空,比如航天飛機。更困難的一種是飛行器水平起飛,通過一個漸進的軌道到達太空,或者兩級都是太空飛機。”

  太空飛機的優點很容易列舉出來。一個令人信服的概念就是“飛”到空間站,然後再飛回來,就像我們乘飛機從紐約飛到舊金山一樣。太空飛機可以使用機場跑道,而不需要昂貴的發射台,這也意味著它們可以更頻繁地發射和著陸。如果想回收精密而脆弱的衛星,唯一的解決辦法是搭乘太空飛機,而不是使用載人太空艙,利用降落傘減速返回地球。

  太空飛機也可以用來測試軍事裝備,甚至攔截敵方衛星。在技術上,太空飛機與高超音速武器和飛機的技術有重疊之處。因此,Reaction Engines也參與了英國國防部資助的一個研究項目,旨在為飛機開發高超音速推進系統。

  然而,航天工業並沒有按照太空飛機倡導者所希望的方式發展。美國羅得島海軍戰爭學院的大衛•伯巴赫表示:“我們在計算機方面取得的進步遠遠超過了火箭。自動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,但實際上,火箭才是我們目前所需要的。”

  一些分析人士認為,目前將衛星帶回地球的需求也很少,因為它們的建造成本越來越低,壽命也越來越長——坦率地說,衛星正變成某種一次性用品。在Space X公司的星鏈衛星群中,就使用了數千顆批量生產的小型衛星,用來擴大互聯網接入,這些衛星想必也不會大費周章地進行回收。

  另一方面,太空飛機涉及成本昂貴的技術挑戰。這其中,不僅需要足夠堅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系統整合在一起。“在我看來,這是最主要的困難之一,”讓·德維爾說。

  “最後,太空飛機項目的主要障礙在於開發過程需要非常雄厚的資金,”讓·德維爾補充道,“這就是為什麼歐洲、蘇聯和俄羅斯都放棄了這一概念。”

  然後就是競爭。“Space X以不斷突破極限而聞名,但它正在扼殺太空飛機,”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研究的興趣。”

NASA的太空飛機時代隨著航天飛機在2011年的退役而宣告結束
NASA的太空飛機時代隨著航天飛機在2011年的退役而宣告結束

  可能只有億萬富翁才能承受開發太空飛機失敗的代價。

  儘管波音的X-37B近年來在軍事領域取得了成功,但太空飛機愛好者們已經習慣了失望。蘇聯航天先驅弗里德里希·燦德爾在1911年設計了一架星際航天飛機,機翼設計為可在上升過程中燒燬。20世紀30年代,奧地利工程師尤金·桑格提出了用火箭驅動的亞軌道轟炸機轟炸紐約的想法。幸運的是,納粹沒有將此變成現實。

  20世紀50年代,火箭設計師沃納·馮·布勞恩在《科利爾雜誌》(Collier‘s magazine)上闡述了他對“帶翅膀的火箭”的設想,而美國空軍採納了桑格的想法。波音X-20 Dyna-Soar(“動力倍增器”的英文縮寫)從1957年一直持續到1963年,在花費了6.6億美元後終止,取而代之的是“雙子座計劃”(Gemini programme)。最初的雙子座飛船本應由火箭發射進入太空,在返回時像滑翔傘一樣降落在跑道上,但這一計劃最終也被取消。曾經秘密的蘇聯項目也失敗了,比如“米格-105”(MiG-105)太空戰機。這是蘇聯斷斷續續的建造太空飛機計劃中開發的載人測試飛行器,在1976年首次飛行。這個項目被稱為“實驗性載人軌道飛行器”(Epos),最終在兩年後被取消。

 蘇聯的“暴風雪”號是另一種很有前景的太空飛機設計,但在蘇聯解體之前,它還從未進行過載人飛行任務
 蘇聯的“暴風雪”號是另一種很有前景的太空飛機設計,但在蘇聯解體之前,它還從未進行過載人飛行任務

  似乎每個國家都想擁有自己的太空飛機。受NASA航天飛機的啟發,蘇聯的“暴風雪”(Buran)號航天飛機在1988年進行了一次無人飛行,後來該計劃被取消。歐洲和日本的航天飛機也停留在計劃階段。因為火箭是進入太空競賽更快的方式。

  儘管航天飛機的表現不佳,但美國並沒有停止開發可重複使用太空飛機的夢想。由於技術問題,洛克希德·馬丁公司充滿未來感的X-33,或稱“冒險之星”(Venture Star),在後期階段被取消。據傳美國還有其他項目在秘密進行,在這些項目中誕生了無人的波音X-37B試驗機,但波音公司提議的更大型載人飛行器被否決了。

  那麼,太空飛機還有未來嗎?

  高超音速飛機和武器的研發競賽可能有助於解決太空飛機項目面臨的技術問題,波音公司的太空飛行器或許也能在其中扮演適當的角色。“外太空充滿了破滅的夢想和破碎的承諾,”《太空戰爭:戰略、太空力量和地緣政治》(War in Space: Strategy, Spacepower, Geopolitics)一書作者、英國萊斯特大學的布萊登·鮑恩說,“太空飛機可能只是為新技術提供一個有用的軌道試驗平台。”

  Reaction Engines公司的奧利弗•納拉德說:“歸根結底,人們希望太空飛行能超越現在的水平。他們正試圖達到一種按需發射的能力,如果我們想最終釋放太空的潛力,就需要努力實現這樣的飛行器模式。”(任天)

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