太空飞机:可重复使用的宇宙飞船能否再次崛起?
来源:新浪科技
发布时间:2021-01-27
浏览次数:552
随着美国国家航空航天局(NASA)航天飞机项目的结束,可重复使用的太空飞机概念似乎也随之消亡。在21世纪,太空飞机会再次崛起吗?

 

  1903年,莱特兄弟在美国北卡罗莱纳州的小鹰镇进行了人类历史上首次可控动力飞行,自此之后,人们就开始梦想着飞向太空。不到70年之后,一部经典电影非常真切地向我们展示了太空飞机可能会是什么样子。在斯坦利·库布里克的《2001:太空漫游》(1968)中,一架大型太空飞机伴随施特劳斯的华尔兹圆舞曲《蓝色多瑙河》,轻松地与一个巨大的旋转空间站对接。

 

  尽管此后出现了许多计划、原型机和试验飞行,但只有两种太空飞机进入服役,即航天飞机(Space Shuttle)和机密的波音X-37B,即轨道试验飞行器(Orbital Test Vehicle,简称OTV)。目前,只有波音这款小型无人空间飞机还在服役。

 

image.png

太空飞机一直是人类的梦想

 

  人们对优雅的太空飞机仍然心存梦想,尽管对其实际作用的期待可能远不如以前。欧洲空间局有类似的可重复使用航天器项目,称为“太空骑士”(Space Rider),预计将于2023年发射升空。另据报道,印度开发的迷你太空飞机也将在这个十年的末段发射升空。

 

  目前,我们仍然依靠火箭将宇航员送入太空,用降落伞悬挂的太空舱将他们送回地球。那么,在NASA已经退役的航天飞机之后,新的太空飞机为何还迟迟没有起飞?

 

  我们或许可以在科罗拉多州落基山脉脚下,距离小鹰镇2900公里的一个试验场找到该问题的答案。这个位于科罗拉多航空航天港的设施是由Reaction Engines公司专门建造的,用于对该公司革命性的新型火箭发动机技术进行“热测试”。这些测试得到了美国政府国防高级研究计划局(Darpa)的支持。

 

image.png

Reaction Engines公司在美国科罗拉多州的试验场,他们使用一台战斗机发动机来帮助进行试验

 

  Reaction Engines是一家英国航空航天公司,由工程师艾伦·邦德、理查德·瓦维尔和约翰·斯科特于1989年,在英国太空飞机项目“HOTOL”取消后创立的。在HOTOL项目的基础上,该公司希望打造一款单级轨道太空飞机,称为“云霄塔”(Skylon,又称“天龙”),并开发能为其提供强大动力的发动机。“吸气式双模式火箭发动机”(Synergetic Air Breathing Rocket Engine,简称SABRE)是一款氢动力发动机,可以利用地球大气层中的氧气,推动像云霄塔这样的太空飞机从0加速到高超音速;在进入太空后,发动机进入火箭引擎模式,改用装载的氧。

 

  如今,Reaction Engines得到了一些业内知名企业和机构的支持,包括波音、英国宇航系统公司,劳斯莱斯公司,以及英国和欧洲航天机构。

 

  在试验场的安全围栏内,一台冷战时期战斗机的引擎在改装之后,被用于复制高超音速下产生的高温气流。过热的空气从一个由数千个薄壁管组成的轻型环形装置喷射而出,冷却剂就在这些薄壁管中流动。这是一台预冷器,功能是尽快地把极端热量排出。工程师们希望该装置在SABRE引擎上使用时,能够防止其内部组件在高温下熔化,确保引擎有效运行。

 

  2019年初,预冷器经受住了420摄氏度的考验,这模拟的是飞行器以3.3马赫——音速的三倍多——在大气中飞行的情况。不过,工程师们想要达到的是5马赫。这是个神奇的数字,相当于每小时6200公里的飞行速度;换言之,这是协和飞机巡航速度的两倍多,比世界上最快的喷气发动机飞机SR-71“黑鸟”侦察机还快50%以上。5马赫也恰好是目前飞机生产所用材料的极限。

 

image.png

“云霄塔”是20世纪90年代中期的一个太空飞机概念,设计的飞行速度可达5马赫

 

  在5马赫和海拔20公里时,SABRE引擎将关闭进气口,停止吸气,开始燃烧混合了氢燃料的液氧,以25马赫的速度进入地球轨道。2019年10月,原有纪录被打破,模拟的飞行速度达到了5马赫。预冷器在不到1/20秒的时间内成功冷却了流入机器的超过1000摄氏度的空气。

 

  这次测试的成功为团队负责人海伦·韦伯赢得了英国皇家航空学会享有盛名的拉尔夫·罗宾斯爵士工程领导奖章,其团队也获得了一系列奖项。“我们达成了一些以前从未做过的成就,”韦伯说,“这是航天技术突破发展中的一个重大时刻。这一成功使我们离SABRE的实现又近了一步,并为高超音速飞行铺平了道路。”

 

  目前,韦伯正在研究SABER引擎本身的核心技术。尽管可能需要等待10年才能开始这款发动机的飞行试验,但其中创新性的热控制技术似乎已被应用到其他领域。例如,在电动汽车中,新型高效轻型热交换器将使锂电池充电更快,使用时间更长。

 

  美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校的克里斯多夫·库姆斯说:“Reaction Engines公司做得很好的一点是,他们是说先开发一种技术,然后再开发另一种技术。向投资者推销可以在5年内用于喷气式战斗机的热交换器,要比推销需要30年时间建造的云霄塔容易得多。”

 

  奇怪的是,在Reaction Engines网站上很难找到有关云霄塔的信息。“云霄塔是一款概念飞行器,用来展示SABRE发动机将如何使用,”该公司的业务开发经理奥利弗•纳拉德说,“我们并不是在开发飞行器。近期我们将重点放在发动机上,但与此同时,我们必须确保太空飞行器技术的同步开发。”

 

  为此,Reaction Engines与可能建造太空飞机的“不同利益相关者”展开合作。2020年,该公司与欧洲空间局(ESA)合作,制定了一个更为保守的计划,即在未来十年从法属圭亚那发射一架两级飞行器。

 

  太空飞机的概念很简单,尽管有时会与一系列令人困惑的飞行器联系起来。在一个非常宽泛的定义下,用于发射维珍轨道(Virgin Orbit)公司“发射机一号”(LauncherOne)的波音747也可以归类为太空飞机,因为它相当于宇宙飞船的第一级。

 

  让•德维尔表示,真正的太空飞机有两种,“一种很简单,就是通过传统的垂直起飞火箭将太空飞机送入太空,比如航天飞机。更困难的一种是飞行器水平起飞,通过一个渐进的轨道到达太空,或者两级都是太空飞机。”

 

  太空飞机的优点很容易列举出来。一个令人信服的概念就是“飞”到空间站,然后再飞回来,就像我们乘飞机从纽约飞到旧金山一样。太空飞机可以使用机场跑道,而不需要昂贵的发射台,这也意味着它们可以更频繁地发射和着陆。如果想回收精密而脆弱的卫星,唯一的解决办法是搭乘太空飞机,而不是使用载人太空舱,利用降落伞减速返回地球。

 

  太空飞机也可以用来测试军事装备,甚至拦截敌方卫星。在技术上,太空飞机与高超音速武器和飞机的技术有重叠之处。因此,Reaction Engines也参与了英国国防部资助的一个研究项目,旨在为飞机开发高超音速推进系统。

 

  然而,航天工业并没有按照太空飞机倡导者所希望的方式发展。美国罗得岛海军战争学院的大卫•伯巴赫表示:“我们在计算机方面取得的进步远远超过了火箭。自动化意味着我们真的不需要把很多人送上太空。这可能看起来很原始,或者看起来不够体面,但实际上,火箭才是我们目前所需要的。”

 

  一些分析人士认为,目前将卫星带回地球的需求也很少,因为它们的建造成本越来越低,寿命也越来越长——坦率地说,卫星正变成某种一次性用品。在Space X公司的星链卫星群中,就使用了数千颗批量生产的小型卫星,用来扩大互联网接入,这些卫星想必也不会大费周章地进行回收。

 

  另一方面,太空飞机涉及成本昂贵的技术挑战。这其中,不仅需要足够坚固和轻便的材料来承受频繁的太空往返,还必须考虑如何将飞行不同阶段所需的两到三种不同类型的推进系统整合在一起。“在我看来,这是最主要的困难之一,”让·德维尔说。

 

  “最后,太空飞机项目的主要障碍在于开发过程需要非常雄厚的资金,”让·德维尔补充道,“这就是为什么欧洲、苏联和俄罗斯都放弃了这一概念。”

 

  然后就是竞争。“Space X以不断突破极限而闻名,但它正在扼杀太空飞机,”克里斯多夫·库姆斯说,“他们在降低太空访问成本方面做得非常好,但这也让他们失去了投资昂贵太空飞机研究的兴趣。”

 

image.png

NASA的太空飞机时代随着航天飞机在2011年的退役而宣告结束

 

  可能只有亿万富翁才能承受开发太空飞机失败的代价。

 

  尽管波音的X-37B近年来在军事领域取得了成功,但太空飞机爱好者们已经习惯了失望。苏联航天先驱弗里德里希·灿德尔在1911年设计了一架星际航天飞机,机翼设计为可在上升过程中烧毁。20世纪30年代,奥地利工程师尤金·桑格提出了用火箭驱动的亚轨道轰炸机轰炸纽约的想法。幸运的是,纳粹没有将此变成现实。

 

  20世纪50年代,火箭设计师沃纳·冯·布劳恩在《科利尔杂志》(Collier‘s magazine)上阐述了他对“带翅膀的火箭”的设想,而美国空军采纳了桑格的想法。波音X-20 Dyna-Soar(“动力倍增器”的英文缩写)从1957年一直持续到1963年,在花费了6.6亿美元后终止,取而代之的是“双子座计划”(Gemini programme)。最初的双子座飞船本应由火箭发射进入太空,在返回时像滑翔伞一样降落在跑道上,但这一计划最终也被取消。曾经秘密的苏联项目也失败了,比如“米格-105”(MiG-105)太空战机。这是苏联断断续续的建造太空飞机计划中开发的载人测试飞行器,在1976年首次飞行。这个项目被称为“实验性载人轨道飞行器”(Epos),最终在两年后被取消。

 

image.png

苏联的“暴风雪”号是另一种很有前景的太空飞机设计,但在苏联解体之前,它还从未进行过载人飞行任务

 

  似乎每个国家都想拥有自己的太空飞机。受NASA航天飞机的启发,苏联的“暴风雪”(Buran)号航天飞机在1988年进行了一次无人飞行,后来该计划被取消。欧洲和日本的航天飞机也停留在计划阶段。因为火箭是进入太空竞赛更快的方式。

 

  尽管航天飞机的表现不佳,但美国并没有停止开发可重复使用太空飞机的梦想。由于技术问题,洛克希德·马丁公司充满未来感的X-33,或称“冒险之星”(Venture Star),在后期阶段被取消。据传美国还有其他项目在秘密进行,在这些项目中诞生了无人的波音X-37B试验机,但波音公司提议的更大型载人飞行器被否决了。

 

  那么,太空飞机还有未来吗?

 

  高超音速飞机和武器的研发竞赛可能有助于解决太空飞机项目面临的技术问题,波音公司的太空飞行器或许也能在其中扮演适当的角色。“外太空充满了破灭的梦想和破碎的承诺,”《太空战争:战略、太空力量和地缘政治》(War in Space: Strategy, Spacepower, Geopolitics)一书作者、英国莱斯特大学的布莱登·鲍恩说,“太空飞机可能只是为新技术提供一个有用的轨道试验平台。”

 

  Reaction Engines公司的奥利弗•纳拉德说:“归根结底,人们希望太空飞行能超越现在的水平。他们正试图达到一种按需发射的能力,如果我们想最终释放太空的潜力,就需要努力实现这样的飞行器模式。”


关注【深圳科普】微信公众号,在对话框:
回复【最新活动】,了解近期科普活动
回复【科普行】,了解最新深圳科普行活动
回复【研学营】,了解最新科普研学营
回复【科普课堂】,了解最新科普课堂
回复【科普书籍】,了解最新科普书籍
回复【团体定制】,了解最新团体定制活动
回复【科普基地】,了解深圳科普基地详情
回复【观鸟知识】,学习观鸟相关科普知识
回复【博物学院】,了解更多博物学院活动详情

听说,打赏我的人最后都找到了真爱。