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美国防部推未来空天飞机方案 计划2018年首飞

http://www.kexue.com 2013-12-25 10:58:30 中国青年网  发表评论


艺术想象图:未来空天飞机方案“XS-1”

  空天飞机是一种拥有机翼的航天器,它代表着航天时代永恒的梦想。空天飞机进入太空,还可以像飞机那样滑翔降落返回地球,这一点即便是在阿波罗载人登月的年代听上去也像是天方夜谭。

  而尽管经历了一度辉煌的美国航天飞机时代,2011年美国宇航局的航天飞机机队终于黯然退役,这种带有机翼的航天器的前景似乎已经变得暗淡无光。然而,在近日曝光的美国政府乃至私营航天企业的规划中,人们却再次看到了带有机翼的空天飞机的身影。

  美国国防部高级研究计划局(DARPA)是美国国防部下属一个专门专注于未来先进武器技术研发的部门。就在本月初,该机构提出一项价值1400万美元的计划,名为“XS-1”项目。这种新型飞行器将可以在轨道上释放重达4000磅(1800公斤)的卫星,而其每次发射的费用将不超过500万美元,这一数字比现役的传统火箭或是美国私营轨道科学公司的米诺陶-4型火箭的单次发射成本要低10倍。根据计划,美国政府的这款新型空天飞行器将于2018年执行首次发射。

  从科幻电影到航天飞机

  华盛顿史密松国家航空航天博物馆科学史专家罗杰-莱纳斯(Roger Launius)表示,空天飞机的一直存在于人们的梦想之中,从最早期的巴克-罗杰斯(编译者注:Buck Rogers,是第一部太空探险题材的流行文化作品,当年在美国家喻户晓)到美国的航天飞机。

  DARPA在一份声明中指出,该局正寻求一种“完全可重复使用,且可以像飞机那样进入太空的无人飞行器”方案,并且其应当可以在10天之内连续执行10次飞行任务。

  然而也有一些航天专家指出,设计带有机翼的航天器可能只是满足了工程师们对于希望与梦想的追求。

  罗杰-莱纳斯问道:“为什么航天飞机必须要求机翼,它们其实并不需要这样。这一点体现了我们的技术是如何受到观念和文化的影响的。”

  火箭与机翼之间的联系最早可以追溯到1920年代的早期科幻作品之中,当时飞机才刚刚问世不久。莱纳斯在其作品中写道:“于是带有机翼的火箭便成了航天飞行的一种象征。”这一点明显的体现在了1928年首次上演的科幻英雄人物巴克-罗杰斯的身上。此后这股浪潮还接连引申出了一系列的漫画,广播剧以及电影作品。

  奥地利航天设计师艾根-桑格尔(Eugen S?nger)在1938年设计推出了“银鸟”(Silbervogel)空天飞机方案,这一设计也对后来的工程师们产生了重要影响。事实上,正是当时在美国加州理工学院做的有关这一设计的一次报告,引发了美国在随后于加州组建后来闻名于世的喷气推进实验室(JPL)。

  莱纳斯表示,实际上直到1957年苏联人使用火箭将第一颗人造地球卫星送入太空,在此之前,对于航天迷们而言,进入太空的首选方案仍然是某种“带有机翼的空天飞机”。

  现实的困境

  然而截止1961年,美国政府意识到,只有依靠发展高性能的火箭技术才有可能最终赢得与苏联的月球竞赛。于是美国开始全力发展火箭技术,并从水星计划开始进行以飞船形式的载人航天飞行。

  1963年,一项设想以火箭发射的空天飞机设计方案——X-20“动力滑翔飞行器,Dyna-Soar”被国防部取消。莱纳斯表示:“毫无疑问,这项承载着无数梦想的飞行器从未能真正实现起飞。”

  然而在阿波罗时代过去之后,美国宇航局很快便决定抛弃笨重的土星5号火箭,并转而研制航天飞机。作为一种较保守版本的空天飞机,美国宇航局设计了一种虽然以火箭形式发射,但可以像飞机那样滑翔着陆的飞行器,希望其可以实现可重复的快速发射。

  航天飞机的失望

  起先美国宇航局的预算部门向美国国会许诺的方案是,航天飞机将可以更低廉且更可靠的方式将载荷送入轨道。当时给出的具体数字是:以1972年价值计算,每次发射费用约1004万美元。

  但这一点从未能做到过。实际上,航天飞机的每次发射都超过了这一数字,平均值大约是15亿美元。而快速发射的期望也没有达到预期,即便在发射最频繁的1985年,航天飞机也只从肯尼迪航天中心发射了9次。然而就在第二年,美国挑战者号航天飞机的失事给了美国宇航局沉重的打击,它证明了,即便是在这样不算高的发射频次下,航天飞机仍然不经济,并且不安全。

  于是到了2011年,在完成了133次飞行并经历两次重大灾难性事故之后,美国宇航局终于下定决心让其航天飞机机队退役。在那两次航天飞机事故中,共有14名宇航员遇难。

  这项让航天飞机全部退役的决定充满争议,其很大程度上来源于事后对2003年哥伦比亚航天飞机事故的调查报告。但不管如何,这项决定看起来再次让空天飞机的梦想折戟。美国宇航局在规划美国未来的载人航天时已经再次回归到了火箭+飞船的组合上来。

  莱纳斯表示:“但带有机翼的空天飞机的梦想不会这样轻易死去。这可能并不是一件坏事。如果你回顾历史就会发现,那些疯狂的想法中99%最后都不会实现,但只要那1%的部分最终得以实现,那就已经足够了。”

  另一方面,莱纳斯也注意到一个非常有趣的现象,那就是最迷恋带有“翅膀”的空天飞机方案的主要是工程师们,他们喜欢空天飞机,仅仅是因为它是“进入太空更加优雅的方式”。

  在一项研究是,莱纳斯详细论述了空天飞机的想法如何反复出现在工程师们的脑海之中。他们设想着这样的情景:一名军官驾驶着一架空天飞机在跑道上降落,然后轻轻松松地去了军官俱乐部,就像刚刚经历了一次非常普通的飞行。而相比下之下,乘坐像罐子那样封闭的飞船从天上直愣愣的掉下来,溅落在海面上,还得等待海军把你从飞船里弄出来,那样显然不是一种体面的返回方式。莱纳斯说:“这一点显示了人们的观念在工程设计实际中的影响力。”

  经济上的不确定性

  但不管你有多么中意某个方案,经济才是决定一切的。而很多批评人士也正是出于这一目的,认为应当发展航天飞机或空天飞机。

  乔治华盛顿大学空间政策研究院经济学家亨利-赫兹菲尔德(Henry Hertzfeld)表示:“在这一切的背后的关键点就在于如何能以更低的成本进入太空。”他说:“我不认为我们现在已经拥有了这样的方案,并且我也不认为我已经看到这样的方案即将出现。”

  从理论上来说,可重复使用的空天飞机将会比一次性使用的火箭要更加经济。因为它只需要重新加注燃料即可,并且它还不需要海军来进行海上搜救行动。

  这样的想法的确非常具有吸引力。于是美国一家私营航天公司便推出了一款名为“山猫”(Lynx)的空天飞行器方案,而美国宇航局也正在资助研发一款名为“追梦者”(Dream Chaser)的空天飞行器,其主体将是可重复使用的,非常类似微缩版本的航天飞机。而美国空军在今年来也已经连续进行了3次保密性质的空天飞机发射。他们的这款空天飞机代号为“X-37B”,似乎也是一种类似微型航天飞机的设计。

  不过最终,正如赫兹菲尔德表示,现在的空天飞机方案中仍然需要依靠火箭的推力来将其送入太空。因此赫兹菲尔德指出,至少在目前空天飞机还并不是进入太空最便宜的方式。他表示,只要火箭借助的化学推进力仍然是进入太空的唯一手段,那么火箭将仍然是我们进入太空的最经济手段。

  而至于空天飞机的前景,赫兹菲尔德则表示:“我想,作为一个社会,我希望我们能继续开展这方面的研究并最终建造一架样机,无论如何这样做至少可以说服我们自己,我们至少的确拥有一架空天飞机——尽管从本质上来说这仍然只是‘化了妆’的火箭。”

  DARPA的想法或许与之类似。这个国防技术开发主管部门尽管全力支持飞船技术的发展而不是空天飞机技术,但仍然提出了像XS-1这样的空天飞机方案。DARPA的杰斯-斯旁那波(Jess Sponable)表示:“至于这款飞行器将如何设计,它如何起飞,又如何降落,一切都可以讨论。我们需要的是最具创新性但又具有实用性的方案。”

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