□ 龐之浩

“云霄塔”空天飛機(jī)可在普通飛機(jī)跑道起飛，比航天飛機(jī)發(fā)射費(fèi)用低

2012年6月16日～29日，中國(guó)圓滿完成了首次載人航天交會(huì)對(duì)接任務(wù)。按照中國(guó)載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，今后中國(guó)還將發(fā)射貨運(yùn)飛船、天宮二號(hào)和三號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室，在太空建造60噸級(jí)大型空間站，并正在論證載人登月。

從世界載人航天發(fā)展的前景來看，除了充分利用已建成的國(guó)際空間站開展各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)外，一些航天大國(guó)和強(qiáng)國(guó)正在積極著手研制重型運(yùn)載火箭和新型宇宙飛船，目的是近地軌道以遠(yuǎn)的深空載人探索，如載人探測(cè)、登陸小行星和火星。另外，近地軌道載人航天正朝著商業(yè)化方向開展，太空旅游業(yè)也日益繁榮。能水平起降的空天飛機(jī)研制工作又東山再起，取得了重要的階段成果。

各國(guó)紛紛打造重型運(yùn)載火箭

現(xiàn)在，美國(guó)、俄羅斯等國(guó)，把載人航天的目標(biāo)都瞄準(zhǔn)了月球、小行星和火星。為此，首先要研制出發(fā)射深空載人飛船的重型運(yùn)載火箭。載人登月飛船一般在50噸左右，而且其奔月時(shí)的速度要求為10.9千米/秒，因此必須用近地軌道運(yùn)載能力在60噸～120噸的重型運(yùn)載火箭才能發(fā)射，發(fā)射載人小行星或火星飛船則需要運(yùn)載能力更大的重型運(yùn)載火箭。當(dāng)年美蘇競(jìng)爭(zhēng)載人登月時(shí)蘇聯(lián)之所以敗給美國(guó)，最重要的原因就是蘇聯(lián)研制的N1重型火箭4次發(fā)射均以失敗告終。

在重型運(yùn)載火箭的研制方面，美國(guó)私營(yíng)公司——太空探索技術(shù)公司一馬當(dāng)先，于2011年4月5日率先宣布了研制“重型獵鷹”的計(jì)劃。“重型獵鷹”由標(biāo)準(zhǔn)的“獵鷹”9火箭捆綁兩個(gè)液體燃料的“獵鷹”9第1級(jí)作為推進(jìn)級(jí)組成，起飛推力為1700噸。該火箭近地軌道運(yùn)載能力達(dá)53噸，每次發(fā)射成本預(yù)計(jì)為8000萬～1.25億美元。它雖然無法一次發(fā)射月球任務(wù)所需的所有設(shè)備，但可以分批發(fā)射各種不同設(shè)備。“重型獵鷹”擬于2013年首次從加州范登堡空軍基地發(fā)射，隨后的發(fā)射任務(wù)將轉(zhuǎn)往佛羅里達(dá)州卡納維爾角進(jìn)行。

太空探索技術(shù)公司還在考慮研制更為強(qiáng)大的火箭——“超級(jí)載重火箭”，其運(yùn)載能力將達(dá)到170噸。借助于這種火箭，無論是重返月球，進(jìn)軍火星或者其他更遠(yuǎn)天體都沒任何問題。該公司已與美國(guó)航宇局簽署一份合約，探索研制“超級(jí)載重火箭”的可能性。

2011年9月14日，美國(guó)航宇局也正式對(duì)外公布了美國(guó)新一代重型運(yùn)載火箭——“太空發(fā)射系統(tǒng)”的方案。該火箭的研制采取了一種漸進(jìn)式發(fā)展模式，其初始方案的近地軌道運(yùn)載能力為70噸，改進(jìn)后將達(dá)到130噸，可用于向近地軌道及更遠(yuǎn)的空間發(fā)射多用途乘員飛行器和大型有效載荷，以滿足載人登陸小行星、載人進(jìn)入火星軌道等深空探測(cè)的任務(wù)需求，和國(guó)際空間站商業(yè)乘員運(yùn)輸系統(tǒng)的備份運(yùn)輸工具。

“太空發(fā)射系統(tǒng)”芯級(jí)直徑8.38米、采用航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)RS-25D/E，初始運(yùn)載能力70噸的重型火箭使用3臺(tái)，改進(jìn)后運(yùn)載能力130噸的重型火箭使用5臺(tái)。其上面級(jí)由1臺(tái)J-2X氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。初始運(yùn)載能力的火箭采用5段式航天飛機(jī)固體火箭助推器，改進(jìn)后運(yùn)載能力的火箭采用固體或液體助推器，目前多種助推器方案還在論證過程中。其首次試射計(jì)劃在2017年。

一個(gè)國(guó)家進(jìn)入太空的能力在很大程度上決定了其空間活動(dòng)能力以及空間應(yīng)用水平。我國(guó)發(fā)展重型運(yùn)載火箭的初步總體方案，近地軌道運(yùn)載能力130噸，具備一次發(fā)射將3人以上有效載荷送上月球，并從月球安全返回的能力。

新型飛船性能優(yōu)異

目前，美國(guó)、俄羅斯正在研制新型宇宙飛船，其中新型載人飛船的共同特點(diǎn)是：一是用途廣，一船多用，可以飛往空間站、月球、小行星和火星；二是可以重復(fù)使用，目前的宇宙飛船都是一次性使用的，所以成本高，可重復(fù)使用10次的載人飛船可以大大降低成本；三是運(yùn)載能力大大增加，每次可以運(yùn)送4人～7人。

美國(guó)洛馬公司正在研制的“獵戶座”多用途乘員飛行器采用類似“阿波羅”飛船的艙段構(gòu)型，尤其是其乘員艙和“阿波羅”飛船的指令艙異常相似，為圓錐形，只是艙內(nèi)空間比“阿波羅”指令艙大1倍?！矮C戶座”采用太陽能電池翼供電，所以功率大，時(shí)間長(zhǎng)?！矮C戶座”由服務(wù)艙、乘員艙、發(fā)射異常中斷系統(tǒng)以及飛船適配器組成，擬于2018年以后投入使用。

洛馬公司擬用2艘對(duì)接在一起的“獵戶座”進(jìn)行載人登小行星。這2艘“獵戶座”同時(shí)發(fā)射，其中1艘是載人的主“獵戶座”飛船，另1艘是攜帶絕大部分的消費(fèi)品。在到達(dá)小行星上空時(shí)，1名航天員將穿艙外航天服出艙，并通過載人機(jī)動(dòng)裝置漂浮到小行星上采集樣本，用科學(xué)儀器進(jìn)實(shí)驗(yàn)，另1名航天員留在艙內(nèi)進(jìn)行指揮。任務(wù)完成后，出艙航天員回到載人的主“獵戶座”，然后主副“獵戶座”飛船分離，載人的主“獵戶座”飛船發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火返回地球，無人的副“獵戶座”飛船繼續(xù)進(jìn)行小行星的科學(xué)觀測(cè)。采用2艘“獵戶座”飛船對(duì)接的方案可以節(jié)省下大量的時(shí)間和成本。

其他的美國(guó)新型宇宙飛船由私營(yíng)公司研制，采用商業(yè)運(yùn)輸模式運(yùn)營(yíng)，具有效率高、成本低、功能強(qiáng)、周期短等特點(diǎn)，用于滿足近地軌道天地往返的需求。

乘員航天運(yùn)輸—100飛船透視圖

對(duì)接在一起的2艘“獵戶座”飛船用于載人登陸小行星活動(dòng)示意圖

俄羅斯“新一代載人航天運(yùn)輸系統(tǒng)”飛向“國(guó)際空間站”示意圖

2012年5月25日，世界首艘商業(yè)飛船——“龍”船正由國(guó)際空間站的加拿大機(jī)械臂2號(hào)移向與空間站對(duì)接的和諧號(hào)節(jié)點(diǎn)艙2對(duì)接口

俄羅斯首個(gè)太空旅館壽命能達(dá)到5年

2012年5月25日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司研制的“龍”飛船首次與“國(guó)際空間站”對(duì)接，送去了一些貨物?！褒垺憋w船分載貨型和載人型兩種，所以既可運(yùn)貨物，也能運(yùn)乘員。載貨型“龍”飛船能向空間站運(yùn)送6000 千克有效載荷，運(yùn)回3000千克有效載荷；載人型“龍”飛船最多可將7名乘員送至近地軌道。 “龍”飛船頭錐部裝有標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際空間站通用停泊裝置，能被空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)捕獲。這種方式減少了飛船上對(duì)接系統(tǒng)的重量、成本和復(fù)雜性。載貨型“龍”飛船已于2012年開始使用，載人型“龍”飛船將于2015年首次升空。

美國(guó)波音公司正在乘員航天運(yùn)輸-100飛船。該飛船外形類似于錐形的“阿波羅”或“獵戶座”飛船，但體積比“獵戶座”稍小，比“阿波羅”稍大，能夠乘坐7人，但空間狹小，不如“獵戶座”那么寬敞。首艘乘員航天運(yùn)輸-100載人飛船有望在2014年從佛羅里達(dá)州發(fā)射。不過，美國(guó)航宇局不是乘員航天運(yùn)輸-100飛船唯一的用戶，該飛船還將為比格羅航天公司正在開發(fā)的私營(yíng)充氣式太空旅館提供天地往返運(yùn)。

俄羅斯正在研制“新一代載人航天運(yùn)輸系統(tǒng)”，首次載人任務(wù)計(jì)劃在2018年進(jìn)行。它能運(yùn)載6人和500千克貨物到近地軌道。它易于改裝進(jìn)行不同組合，有“繞地型”和“月球型”兩種。其乘員艙擬采用可重復(fù)使用的防熱瓦，而美國(guó)的“獵戶座”防熱材料采用阿波羅時(shí)期的燒蝕性絕熱系統(tǒng)。2009年10月28日，俄羅斯還宣布將研制核動(dòng)力宇宙飛船，這種飛船配置的核反應(yīng)堆功率將達(dá)兆瓦級(jí)，能降低飛船發(fā)射和運(yùn)行時(shí)的能耗，滿足載人火星探測(cè)、星際旅行和為空間站提供服務(wù)的需要。

太空旅游方興未艾

說起到太空去旅游，不少人以為這是夢(mèng)想，其實(shí)它已經(jīng)開始變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。從2001年世界第1名太空游客蒂托乘俄羅斯飛船上天并進(jìn)入國(guó)際空間站開始，已有8人次到太空旅游。但是這種到地球軌道旅游的價(jià)格可不菲，1次太空游需花幾千萬美元。不過別著急，太空旅游的門檻即將大大降低，因?yàn)槿蚴准宜饺颂章糜喂尽?guó)維珍銀河航天公司擬于2013年推出亞軌道旅游業(yè)務(wù)，屆時(shí)太空游客乘“太空船”2號(hào)體驗(yàn)太空飛行只需要花20萬美元就可以了。

亞軌道飛行旅游就是用旅游飛船把游客送到100千米高的太空邊緣后馬上返回地面，即游客乘坐飛船做近似于直上直下的拋物線飛行。采用這種飛行方式，可使游客既能感受幾分鐘的失重，也可目視長(zhǎng)達(dá)數(shù)千千米的地球弧線表面，欣賞美麗的地球，而且費(fèi)用比軌道飛行便宜的多，1次飛行約20萬美元，并隨著大規(guī)模開展，還有可能降到10萬美元，現(xiàn)已有幾百人報(bào)名，包括幾名中國(guó)人。

俄羅斯還擬開展太空行走旅游和月球旅游。太空行走旅游是在軌道飛行旅游費(fèi)用的基礎(chǔ)上要再交1600萬美元，就可在1名職業(yè)航天員的陪護(hù)下在太空行走90分鐘。月球旅游的時(shí)間為2周，游客搭乘聯(lián)盟號(hào)系列飛船升空后先前往國(guó)際空間站；在站內(nèi)停留1周之后再乘坐“聯(lián)盟”號(hào)系列飛船前往月球，大約1周后返回。不過，搭乘“聯(lián)盟”號(hào)系列飛船的月球觀光客不在月球表面著陸,只對(duì)月球進(jìn)行近距離參觀，費(fèi)用為1.5億美元,《阿凡達(dá)》導(dǎo)演卡梅隆已報(bào)名。

“太空船二號(hào)”的母機(jī)“白騎士二號(hào)”

另外，美國(guó)和俄羅斯都在計(jì)劃建造太空旅館，2020年前運(yùn)營(yíng)，住24小時(shí)的費(fèi)用為400萬美元。太空旅館的可靠與舒適性遠(yuǎn)高于目前的空間站，每個(gè)客房不但為旅客們提供了大型觀景舷窗，在旅館的監(jiān)控室中還配有雙筒望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)，旅客們可以借此盡情享受美麗的地球景色和星系并拍照留念。另外，太空游客可以選擇垂直床或者水平床，并有全密閉式的淋浴間，它能夠有效防止水珠四處亂飛，以防止水流進(jìn)不該去的地方。太空旅館上的食物更加精細(xì)，旅客們可以便捷地吃上小牛肉燉野蘑菇、豌豆泥、土豆湯和果盤等豐盛的食物。太空旅館內(nèi)裝有冰箱，旅客們可輕松喝到冰茶、礦泉水和果汁等多種冰鎮(zhèn)飲料。旅館內(nèi)的空氣總是新鮮的，因?yàn)榭諝膺^濾系統(tǒng)會(huì)除掉艙內(nèi)的異味和細(xì)菌。

空天飛機(jī)又見曙光

近日，英國(guó)正在研制的航空航天飛機(jī)——空天飛機(jī)“云霄塔”實(shí)現(xiàn)了重大突破，成功測(cè)試了“云霄塔”空天飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)?！霸葡鏊痹诖髿鈱觾?nèi)飛行時(shí)，其上的發(fā)動(dòng)機(jī)能將氫與空氣混合燃燒；出了大氣層以后，可將氫與液氧混合燃燒。所以，“云霄塔”被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)人類太空旅行夢(mèng)想的航天器

美國(guó)新一代重型運(yùn)載火箭——“太空發(fā)射系統(tǒng)”

空天飛機(jī)是航空飛機(jī)和航天飛機(jī)的“混血兒”，因?yàn)樗瑫r(shí)裝有航空發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，所以在大氣層內(nèi)飛行時(shí)可象普通飛機(jī)一樣在跑道上起飛，用航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，按航空飛機(jī)方式飛行和操縱；在大氣層外飛行時(shí)則由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，按航天器方式飛行和操縱。

這樣做的好處是，它在大氣層內(nèi)飛行時(shí)可用空氣中的氧做氧化劑，因而能大大減少整個(gè)飛機(jī)的氧化劑裝載量，使飛機(jī)的質(zhì)量和體積大大減少，由此降低成本。此外，由于它可像普通飛機(jī)一樣完全重復(fù)使用，且能水平起飛，這樣就省去垂直發(fā)射所需的復(fù)雜設(shè)備。

美國(guó)“比格羅”號(hào)太空旅館在軌飛行示意圖

鏈接：有很多媒體將美國(guó)發(fā)射的X-37B稱為空天飛機(jī)，這是不準(zhǔn)確的。因?yàn)閄-37B的發(fā)射方式和航天飛機(jī)一樣，依靠火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行垂直發(fā)射，所以它是一種小型航天飛機(jī)，而不能算空天飛機(jī)。

“重型獵鷹”發(fā)射示意圖

不過，因?yàn)榭仗祜w機(jī)的技術(shù)十分復(fù)雜，以致于各種方案都沒有實(shí)質(zhì)性成果，所以又都紛紛下馬了，只有“云霄塔”方案在悄然進(jìn)行。

“云霄塔”比美國(guó)航天飛機(jī)大許多，長(zhǎng)90米、翼展25.4米，理論起飛質(zhì)量約345噸，是世界上首個(gè)采用混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的天地運(yùn)輸器，這種混合發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上已取得新的突破。 它可以搭載大約30名乘客。由于能重復(fù)使用，其每次飛行的費(fèi)用約945萬美元，航天飛機(jī)每次發(fā)射費(fèi)用為4億～5億美元。

“云霄塔”在降落后兩天內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)再次起飛，每架可以完成大約200次飛行任務(wù)。其發(fā)射成本低的成本優(yōu)勢(shì)將使未來的太空旅行更經(jīng)濟(jì)、更便捷。它有望到2016年時(shí)開始亞軌道試飛，到2018年實(shí)現(xiàn)軌道試飛，到2020年能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

據(jù)稱，“云霄塔”不僅能取代航天飛機(jī)，而且有望將太空旅行提升到新高度。“云霄塔”可在29千米高空飛行，速度是音速5倍，4個(gè)小時(shí)內(nèi)可抵達(dá)世界任何角落。

此外，具有科幻色彩的太空電梯將逐漸向現(xiàn)實(shí)過度，有望在本世紀(jì)問世。今后還可能建造太空城、月球基地，甚至把火星改造成人類第2個(gè)家園，等等……