太空飞机:从跑道到太空
时间：2020-12-14 12:04:59 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
五年前一个明媚秋日的早晨,在美国加州莫哈韦沙漠中的一个小工厂里制造出来的一架泪滴状的小太空船让整个空间飞行界抬起了头。“太空船一号”(SpaceShipOne)在2004年9月29日的成功飞行为它赢得了1,000万美元的安塞里X大奖,也似乎预示着空间旅行进入了一个新的纪元——空间飞行将会变得频繁且廉价,最重要的是它将不再是少数人的专利。
太空船一号是第一架由私人研发的载人太空飞船。设计、建造和飞行的成本大约是2,500万美元,这要远比由美国政府耗资数十亿美元打造的航天飞机便宜得多。在爬升到距离地面111千米高空的过程中,太空船一号打破了40多年前由美国航宇局(NASA)的X-15火箭飞机创造的有冀航天飞行器飞行高度纪录。同时,太空船一号还是完全可重复使用的,这也是未来可承受的空间飞行所必需的一大重要特征。
然而五年多来,太空船一号所代表的却并不是新的起点。在两周内完成了两次亚轨道飞行之后,它就再也没飞过。现在它正被挂在美国史密松国家航空航天博物馆中。太空船一号的缔造者太空船公司已经披露了体型更大且可以搭载乘客(霍金已经预定座位)的太空船二号,不过它仍然需要先由运输机带到空中之后才能进行太空之旅。而其他绝大部分的商业空间飞行计划则还都停留在地面上。
太空船一号做了一件伟大的事情,但它的最高速度只有3马赫(音速的3倍)。飞行器需要达到25马赫才能抵达低地球轨道,而为此所需的能量和这个速度的平方成正比。
无论本身有什么样的局限,太空船一号无疑对解决“进入太空”的难题起到了推进作用。现在比起空间飞行史上任何一个时刻都有更多的太空飞船处在研发之中。那么哪个或者哪些最终会取得突破呢?为了在成本和可靠性上真正做到具有革命性,就必须建造出一个真正可重复使用的系统,这是人类已知最大的技术挑战之一。
在人类的智慧面前这一挑战正在逐渐被化解。在数次失败的尝试之后,商业空间公司Space×已经成功地发射了它的“隼”火箭,其他公司也正在对新的引擎、系统和设计进行更尖端的测试。2009年年底进行的一次测试飞行,也许预示着喷气发动机领域的重要技术突破。它可以推动有翼飞行器从跑道进入地球轨道,最终实现被太空船一号重新点燃的梦想。
冲压引擎诞生
空间飞行器大致可以被分成两大类:有翼飞行器和弹道火箭。在太空竞赛的早期,两者都被认为是进入地球轨道的可行办法。然而,在工程和经济上,它们的太空旅行理念却呈现出了差异的巨大。弹道飞行器被直接放置在燃料之上,使用强大的推力把自己送入太空,并且在这个过程中它还会抛弃引擎和燃料箱来减轻重量。
有翼航天器则采用更为优雅的一种方案。从地面或者另一架飞机的腹部起飞,利用地球大气尽可能地向上爬升。在返航的时候,它们则滑翔着返回地面。其潜在的可重复使用性将会导致一个极为诱人的结果,那就是总有一天有翼航天器将会比火箭更为廉价。甚至还可以使用相同的设施来做为客机,为商务乃至游客开启太空旅行之门。
在现实中,像太空船一号和NASA曾经爬升到107千米的X-15这样的有翼航天器还从来没有到达过近地轨道。它们上面所使用的火箭引擎无法把它们再向上推行60千米进入轨道。唯一的特例是航天飞机,它是有翼航天器和弹道火箭的结合体。
不过,航天飞机并不是完全可重复使用的。在每次飞行中昂贵的外挂燃料箱都会被丢弃到海里。但是航天飞机向世人展示了廉价、可靠进入太空的最重要技术。其关键是可重复使用以及能够频繁使用,不过航天飞机的软肋恰恰正是后者。
原先的设计是每年进行100次飞行并以此来降低每次太空飞行的成本,但是航天飞机机群从来没有在一年中飞行超过9次。NASA旨在取代航天飞机并最终把人送上月球的星座计划吸取了从航天飞机中所获得的教训。虽然星座计划航天器的一些部件也被设计成了可重复使用的,但是这一设计被认为是重回“阿波罗”时代的一种倒退。因为这些设计也许是非常可靠的,但绝对不会是廉价的,因此它无法飞行足够多次。
现在,高新技术正为有翼空间飞行器带来了新的生机,其核心就是超音速燃烧冲压引擎。尽管名字看上去类似,但是超音速燃烧冲压引擎和用于商业客机的涡轮喷气引擎有着巨大的差异。在一定程度上这是由于使用超音速燃烧冲压引擎的航天飞行器在其冲压引擎开始工作之前要先用喷气引擎或者火箭加速到4马赫所造成的。这是因为和涡轮引擎不同,超音速燃烧冲压引擎并不使用转动的叶片来压缩进入引擎的空气。相反,高速运动的飞行器本身就会压缩迎面而来的空气,这些空气随后会被送入燃烧室,在那里燃烧燃料会产生喷射出的气体,由此形成一般的涡轮引擎难以企及的高速。
因此超音速燃烧冲压引擎只有在高速运动的过程中才能发挥功效,这本身就需要极为复杂的技术和大量的燃料。这也遭至了把超音速燃烧冲压引擎比喻成核反应堆的一些批评:这是一个好主意,但是在技术上不可行。20世纪90年代进行的一系列试验的结果也并不理想,超音速燃烧冲压引擎所需要的能量比它们产生的能量还要多。解决这些问题的代价是高昂的,这也使得直到最近超音速燃烧冲压引擎仍然除了在军事领域之外一无用处。
然而,首次成功的超音速燃烧冲压引擎飞行却是在并不那么高昂的预算下完成的,当时的金额是110万美元。2002年一个英国和澳大利亚的合作小组在澳大利亚南部的武麦拉试验场对他们的HyShot飞行器进行了测试。为了降低成本,他们把超音速燃烧冲压引擎放置在了一枚传统的火箭上。在坠地前的几秒钟里,HyShot达到了7.6马赫,大约相当于每小时9,000千米。
从那以后,超音速燃烧冲压引擎的发展和测试开始大幅度提速,以2004年NASA的X-43A破纪录地达到9.68马赫达到高潮。而在过去的几年中其他国家研发超音速燃烧冲压引擎的消息也开始不胫而走,这其中包括了日本、俄罗斯、中国和印度的相应计划。
在2009年晚些时候,一个由NASA、美国空军和美国国防部高等研究计划局(DAR PA)组成的合作机构计划在太平洋上空试飞更为先进的超音速燃烧冲压引擎航天飞行器。这一计划的目的是测试小型原型引擎是否可以按比例放大。设计工作在4～6马赫的X-51A还将测试一系列的新材料。如果成功,它们将使得超音速燃烧冲压引擎可以工作更长的时间而不是先前测试中的短短几秒钟。
更为关键的是,类似X-51A这样的超音速燃烧冲压引擎计划也正在向可重复使用的方向努力。不过到目前为止这一点仍然是不可及的,因为所有的超音速燃烧冲压引擎测试飞行器都会在其短暂的工作之后被毁,其大部分是燃烧的高
