即将上天的空天飞机

孙文德

自莱特兄弟驾驶第一架飞机飞行以后的40年间，飞机发动机没有发生大的变化。我们都知道，没有喷气发动机，如今的航空运输是不可能实现的。有了喷气发动机，才能造出比老式螺旋桨飞机大得多、速度快得多、效率高得多的飞机。航天专家史蒂文·沃斯特设想，要是设计制造出一种航天发动机并完成试验的话，就可以像乘喷气式飞机旅行一样，去太空旅行了。也就是说，只有造出新型发动机，才有可能从地球到遥远的指定地点，天天直接运送货物甚至旅客。

美国航天通路公司正计划研制一种可大幅度降低卫星和其他载荷发射费用的可重复使用的运载工具。这是一种全新的空天飞机，与美国航空航天局正提供经费研制的“冒险之星”空天飞机有着很大的区别，它将解决美国航空航天局再用十年都难以解决的难题。

今天所有的火箭除了燃料之外还要携带液氧以便为发动机提供动力，这就意味着在整个飞行中还要拖着沉重的液氧箱。然而，航天通路公司研制的冲压发动机是从空气中吸取氧气，因此整个运载工具的重量会更轻，发射费用会更低。马歇尔航天飞行中心的专家尤韦·休特尔指出，“吸气式发动机技术将可为普通老百姓打开一个航天新天地。”

航天通路公司计划在2005年之前制造一种与波音747飞机一样大小，以冲压发动机为动力的空天飞机。它从机场跑道上起飞，在超出大气层以后，释放一枚火箭，把卫星推入轨道。如果要把卫星送到更高的离地面36万千米远的地球同步轨道，那么，再由另一枚更小些的火箭提供额外的入轨动力。巨大的空天飞机和两枚较小的火箭均将返回地球并像飞机一样着陆。

该系统可把5吨重的卫星送入地球同步轨道，与今天最大的运载火箭的载荷能力差不多。而且，这一系统将按跟飞机一样的生产线和可靠性标准来生产，因此以后它每周都可以飞行一两次。1998年，美国、俄罗斯、中国、日本和欧洲航天局共进行了70次火箭和航天飞机发射，其实只要有一两架可重复使用的空天飞机就可以把这些火箭和航天飞机全代替了。

目前发射1千克重的载荷到低轨道，大概得花2万美元，航天通路公司的目标是要把它降低到2000美元。由于发射费用降低了90％，航天通路公司就会像早餐一样吃下有利可图的卫星发射业务，而承担美国航空航天局的太空发射任务就成了午餐。由于拟建的空天飞机可以像普通飞机一样地飞行，因此也可以像飞机一样提供全球性的一揽子日常服务。

当然，制造一种全新的航天运载工具是很费钱的，但是航天通路公司已经同华尔街的一家商业银行联合起来实现这一计划。

航天通路公司的老板沃斯特，以前是美国空军的飞机驾驶员和工程师。在20世纪80年代中期美国国家空天飞机计划启动的时候，他来到洛克韦尔公司工作，后来便成为该公司高超音速先进设计的负责人。洛克韦尔公司是美国国家空天飞机计划的承包商，承担了研制一种单级入轨空天飞机的任务。这种空天飞机以冲压发动机为动力，可在不到1小时的时间内把旅客从纽约急送至洛杉矶。

该计划在1994年被取消，原因之一是，冲压发动机只有在高速运动时才能工作，所以当时人们产生疑问：飞机没有达到高速度之前发动机怎么进行工作?该计划取消后不久，沃斯特就在加利福尼亚州的帕姆代尔成立了自己的公司，他把洛克韦尔公司以前X－15火箭和航天飞机一类计划中富有经验的研究人员同精通计算机的新手组织起来成立了一个小组。他们认识到，在航天发射经济学中有一条极其重要的原则就是提高发射率。不重复飞，飞行器的成本就永远降不下来。

于是该小组决定未来的空天飞机采用像飞机一样的起飞和降落技术。只有这样，空天飞机才可能像飞机一样装载货物或人员，加注燃料和进行维护。

如果空天飞机比波音747飞机重得太多的话，就根本无法实现水平起飞，这就排除了像“冒险之星”一类的单级入轨方案——因为这种方案在入轨和返回的整个过程中都拖着巨大的燃料箱，使得整个系统负载过重。

即使是多级系统，采用现有的发动机技术，也是很重而且很费钱的。在这关键的一点上，工程师乔·本多特取得了具有决定性意义的突破，他对久攻不下的冲压发动机进行了重大的改革。

冲压发动机像喷气发动机一样，要把空气吸进来，并与燃料混合在一起。但冲压发动机用的是巧妙成形的管道而不是旋转运动的叶片。冲压发动机是一种简单而有效的高速发动机，但如果不带上普通的喷气发动机或火箭助推器，只装有冲压发动机的飞机是飞不起来的，因为只有把飞机加速到一定的速度后才能把空气压到冲压发动机里去。

20世纪60年代以来，有一家公司曾试图用“装有引射器的冲压发动机”来突破这个限制。在这种发动机内，燃烧器产生的热气进入发动机管道，通过进气管带动外面的空气，从发动机来看就像飞机快速运动起来了一样。空天飞机不断加速，通过进气道的气流越来越大，直至最后关掉燃烧器。然而到目前为止，还没有人对这种功率大、重最轻、效率高得足以使空天飞机起飞的发动机进行过演示验证。

而本多特为航天通路公司设计了一种新型的带引射器的液氧液氢冲压发动机。经试验，速度从静止到8马赫，平均每千克燃料所产生的推力比普通火箭提高了7倍。对航天通路公司来说，这真是一把打开成功之门的钥匙。

航天通路公司的空天飞机有4台发动机，每台可产生334千牛顿的推力。由于其燃料箱比普通火箭式飞机小，所以从外观和飞行方式上看更像普通飞机。其基本系统是无人驾驶的，以便降低运营费用，并给载荷留出更多的空间。但是，根据美国航空航天局的合同，航天通路公司要研制的是可供宇航员乘坐的空天飞机。

空天飞机起飞后将加速到8马赫，并爬升到46万米的高度。由于这时开始超出大气层，冲压发动机不起作用了，便改由火箭继续加速到9马赫，将飞机推到91万米的高度。这样第一级火箭只需要一点点推力和燃料，就可以把载荷送入轨道，而它的第二级和第三级(进入同步轨道用的)质量均不大，同卫星装在一起完全可以放进空天飞机里。因此，航天通路公司避免了在超高速情况下两个飞行体分离的棘手问题，只要空天飞机头锥像鳄鱼嘴一样一张开，第一级火箭连同载荷就滑出去了。

当空天飞机往下飞行准备降落时，第二级火箭就像拖船一样载荷进入轨道。如果要出地球同步轨道的话，第三级火箭可把载荷送到最终的目的地去。空天飞机和两级火箭均可重复使用，而且都有机翼和起落架。这样看起来似乎很费钱，其实不然，因为它们都比较简单，而且在设计和制造上几乎没有什么区别。但是美国航空航天局所要的载人空天飞机将配用一种完全不同的第一级火箭，要包括乘员座舱和载荷舱。

设计出好的方案是一回事，然而一个不知名的小公司想要筹集数十亿美元的资金来实现它，又是另一回事。航天通路公司及其华尔街的支持者正在制定一个分阶段的发展计划，以便把风险降到最低。该公司打算2000年进行全尺寸发动机试验，并对空天飞机的设计进行更多的风洞试验，争取在2002年进行首飞，2003年完全投入使用。

据该公司估计，如果美国航空航天局使用他们的空天飞机代替航天飞机来建造国际太空站的话，在10年内可节省100亿美元。降低发射载荷的费用不仅将改变空间探险的经济性，而且将改变其他航天活动的经济性。至于最终的价格目标，美国航空航天局的一份研究报告把它定为，发射1千克重的载荷到低轨道为660美元左右。如果能实现这个目标，航天运载工具的市场将会爆炸性的扩大开来。