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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 温所造成的。对于大型的超音速燃烧冲压引擎来说,影响其稳定性的因素有许多。其中最主要的是如何保持空气在引擎中高速运动以便燃烧,以及如何防止引擎熔毁。即使存在这些问题,NASA也受到最近所取得的进展的鼓舞在2009年初建立了数个国家科学实验室。他们将研究并且最终开发超音速燃烧冲压引擎技术。
跑道的胜利
X-51A计划的结果也许会帮助DARPA正在设计的另一种引擎。被称为“火神”的这一引擎将使得航天器可以像普通的飞机一样从跑道起飞,然后再加速到高超音速。为了做到这一点,“火神”将使用一种改进的涡轮引擎来加速到大约2马赫,然后由超音速引擎——可能会基于首次被用于二战中德国V-1飞弹的脉冲爆震发动机设计——再把它加速到超过4马赫。这两者会被整合进和X-51A类似的机身中。DARPA希望到2012年能制造出一架测试样机。虽然它最初的目标是军事用途,但是DARPA也希望它的未来版本可以使得从跑道起飞进人太空成为可能。
那么这些超音速燃烧冲压引擎飞行器最终能靠自己的力量进入地球轨道吗?超音速燃烧冲压引擎的最高速度据估计大约在12～20马赫,距离能把它们送入轨道的25马赫仍然还有差距。为了解决这个问题,在加速的初期或者末期还是需要火箭来助一臂之力。但这应该不会严重地影响它们的可重复使用性,因为这些太空飞机的绝大部分动力来自超音速燃烧冲压引擎,这使得它们比起航天飞机来要可重复使用得多。此外,由于是被设计成能从非常稀薄的空气中抽取氧化剂的,因此它们会比传统的弹道飞行器轻得多。而对于航天飞机来说。光氧化剂就占据了其外挂燃料箱容量的大约85%。
不过关于高超音速航天器的争论就像有翼和弹道航天器之间的争论一样激烈。对高超音速航天器的批评认为,即使相关的技术变得切实可行,它仍然可能由于其高昂的成本而停留在军事领域。很显然,在把一小队作战人员快速送往关键地区上它有重要的军事应用前景,而和民航客机类似的高超音速客机则还可以在4个小时内载着超级富豪环绕地球。
一些工程师相信还有第三条前进的道路:一种相对廉价、可重复使用且不依赖于诸如超音速燃烧冲压引擎这样的实验性技术以及一次性弹道系统的有翼航天器。英国的喷气引擎公司正致力于这个领域,它提出了使用“军刀”高新喷气引擎进入地球轨道的航天器Skylon。
在高速飞行时,进入引擎的空气会被快速压缩进而迅速升温,这也正是超音速燃烧冲压引擎为什么必须使用特殊绝热材料的原因。为了克服这个问题,Skylon的喷气引擎将使用一个热交换器来把流入的空气从1,000℃冷却到-100℃。随后这些冷却的空气会和液氢混合并且燃绕。于是,和超音速燃烧冲压引擎不同,“军刀”引擎会更轻并且可以升空加速至5.5马赫。在抵达26千米的高度之后,引擎会切换成普通的火箭引擎,使用装载的氧和氢来把飞机送入太空中。
Skylon是对经典太空飞机梦想的回归。使用自己的动力起飞,无人驾驶的Skylon飞入地球轨道,运送载荷,然后在跑道上着陆。让载具像民用飞机一样飞行是清除前进障碍的重要一步。
Skylon及其“军刀”引擎是英国宇航公司和劳斯莱斯公司在20世纪80年代工作的延续,因此它将继续先前已研发的系统,而非从头开始。更重要的是,喷气引擎公司并不打算自己建造Skylon或者“军刀”引擎,而是将其转包给经验丰富、实力雄厚的航天企业。
正如喷气引擎公司的战略所预示的,小公司正在意识到它们需要大的玩家才能来取得真正的突破。同样地,NASA现在也视企业为合作伙伴,而非竞争对手。NASA计划在商业公司建造的亚轨道飞行器上进行科学实验,并像其他商业客户一样为此支付费用,为这些公司的服务提供一个市场。此外,NASA也资助了一些相关的企业。
今天所出现的商业空间需求正是一个迈向成功的绝佳机会,因为它们正在触及真正核心的问题。高新技术将在其中扮演重要的角色,其结果就像是汽车和飞机对运输形式所产生的影响一样具有革命性。由此,太空船一号的成功带来了一个无可辩驳的事实。它抹去了太空飞行中虚幻的一面。这是迈向一个与众不同、更激动人心未来的巨大一步。
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 温所造成的。对于大型的超音速燃烧冲压引擎来说,影响其稳定性的因素有许多。其中最主要的是如何保持空气在引擎中高速运动以便燃烧,以及如何防止引擎熔毁。即使存在这些问题,NASA也受到最近所取得的进展的鼓舞在2009年初建立了数个国家科学实验室。他们将研究并且最终开发超音速燃烧冲压引擎技术。
跑道的胜利
X-51A计划的结果也许会帮助DARPA正在设计的另一种引擎。被称为“火神”的这一引擎将使得航天器可以像普通的飞机一样从跑道起飞,然后再加速到高超音速。为了做到这一点,“火神”将使用一种改进的涡轮引擎来加速到大约2马赫,然后由超音速引擎——可能会基于首次被用于二战中德国V-1飞弹的脉冲爆震发动机设计——再把它加速到超过4马赫。这两者会被整合进和X-51A类似的机身中。DARPA希望到2012年能制造出一架测试样机。虽然它最初的目标是军事用途,但是DARPA也希望它的未来版本可以使得从跑道起飞进人太空成为可能。
那么这些超音速燃烧冲压引擎飞行器最终能靠自己的力量进入地球轨道吗?超音速燃烧冲压引擎的最高速度据估计大约在12～20马赫,距离能把它们送入轨道的25马赫仍然还有差距。为了解决这个问题,在加速的初期或者末期还是需要火箭来助一臂之力。但这应该不会严重地影响它们的可重复使用性,因为这些太空飞机的绝大部分动力来自超音速燃烧冲压引擎,这使得它们比起航天飞机来要可重复使用得多。此外,由于是被设计成能从非常稀薄的空气中抽取氧化剂的,因此它们会比传统的弹道飞行器轻得多。而对于航天飞机来说。光氧化剂就占据了其外挂燃料箱容量的大约85%。
不过关于高超音速航天器的争论就像有翼和弹道航天器之间的争论一样激烈。对高超音速航天器的批评认为,即使相关的技术变得切实可行,它仍然可能由于其高昂的成本而停留在军事领域。很显然,在把一小队作战人员快速送往关键地区上它有重要的军事应用前景,而和民航客机类似的高超音速客机则还可以在4个小时内载着超级富豪环绕地球。
一些工程师相信还有第三条前进的道路:一种相对廉价、可重复使用且不依赖于诸如超音速燃烧冲压引擎这样的实验性技术以及一次性弹道系统的有翼航天器。英国的喷气引擎公司正致力于这个领域,它提出了使用“军刀”高新喷气引擎进入地球轨道的航天器Skylon。
在高速飞行时,进入引擎的空气会被快速压缩进而迅速升温,这也正是超音速燃烧冲压引擎为什么必须使用特殊绝热材料的原因。为了克服这个问题,Skylon的喷气引擎将使用一个热交换器来把流入的空气从1,000℃冷却到-100℃。随后这些冷却的空气会和液氢混合并且燃绕。于是,和超音速燃烧冲压引擎不同,“军刀”引擎会更轻并且可以升空加速至5.5马赫。在抵达26千米的高度之后,引擎会切换成普通的火箭引擎,使用装载的氧和氢来把飞机送入太空中。
Skylon是对经典太空飞机梦想的回归。使用自己的动力起飞,无人驾驶的Skylon飞入地球轨道,运送载荷,然后在跑道上着陆。让载具像民用飞机一样飞行是清除前进障碍的重要一步。
Skylon及其“军刀”引擎是英国宇航公司和劳斯莱斯公司在20世纪80年代工作的延续,因此它将继续先前已研发的系统,而非从头开始。更重要的是,喷气引擎公司并不打算自己建造Skylon或者“军刀”引擎,而是将其转包给经验丰富、实力雄厚的航天企业。
正如喷气引擎公司的战略所预示的,小公司正在意识到它们需要大的玩家才能来取得真正的突破。同样地,NASA现在也视企业为合作伙伴,而非竞争对手。NASA计划在商业公司建造的亚轨道飞行器上进行科学实验,并像其他商业客户一样为此支付费用,为这些公司的服务提供一个市场。此外,NASA也资助了一些相关的企业。
今天所出现的商业空间需求正是一个迈向成功的绝佳机会,因为它们正在触及真正核心的问题。高新技术将在其中扮演重要的角色,其结果就像是汽车和飞机对运输形式所产生的影响一样具有革命性。由此,太空船一号的成功带来了一个无可辩驳的事实。它抹去了太空飞行中虚幻的一面。这是迈向一个与众不同、更激动人心未来的巨大一步。