航天运载器助人类竞逐“高边疆”

李瑞景

人类的飞天梦想古已有之，只是古时缺少强有力的航天运载工具而已。

1926年3月16日，美国著名物理学家戈达德在马萨诸塞州发射了世界上第一枚现代火箭，从而迈出了人类追逐现代航天梦的第一步。

1957年10月4日，苏联“卫星号”运载火箭将人类第一颗人造卫星“斯普特尼克”送入太空，拉开了美苏两大阵营航天竞赛的序幕。

1982年，美军退役中将格雷厄姆等学者撰写的《高边疆——新的国家战略》一书问世，其精神内核被时任美国总统里根采纳，成为著名的“星球大战计划”的蓝本。

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2018年6月18日，美国总统特朗普签署“太空政策指令-3”，正式宣布组建美军第六军种——太空军，“太空军事化”已露端倪。

回顾第一枚现代火箭问世后的近百年航天史，我们不难发现，航天运载器的发明为人类与太空之间搭建了桥梁，从而为开拓“高边疆”提供了无限可能。人类在宇宙中也许只是渺小的存在，但不断改进的航天运载器必能让我们伸出双手去拥抱更广阔的未知世界。因此，了解航天运载器这个帮助人类登天的“使者”十分必要。

运载火箭技术 拉开人类航天序幕

“现代火箭技术之父”罗伯特·哈金斯·戈达德发明的液体火箭开创了历史，但仍稍显粗糙。第二次世界大战中，德国利用戈达德的设计理念成功研发了V-2火箭，并将之运用于实战。战后，德国科学家遭到美苏两国的“哄抢”，并直接助推了这两个大国航天科技的迅猛发展。特别是那时的苏联，更是倾举国之力投入到该领域的竞争中。1957年8月21日，苏联突击研制的洲际弹道导弹R-7（北约代号SS-6“警棍”）完成首次全程飞行试验。此后，由于要与美国争夺太空主导权，苏联科学家在著名设计师科罗廖夫的带领下对“警棍”进行“简单粗暴”式的改装，仅于6周之后的10月4日就诞生了世界上第一款运载火箭——“卫星号”，由此揭开了人类航天事业的新纪元。

将导弹改装成运载火箭，这种看似“简单粗暴”的操作，背后却折射出苏联专家们极其大胆的开创设想，可谓独具慧眼。这主要表现在：

首先，在当时众多的航天器中，仅有导弹升限才能满足需要。飞机曾经寄托了人类飞天的梦想，可惜，其最大升限受到空气密度等因素的制约——高度越高，空气越稀薄，发动机进气量就越小。当时飞机的飞行高度只能达到10千米左右，即便在今天，也不会超过30千米。而导弹则不然，即便是二战时期德国的V-2火箭，也已经可以轻易到达96千米的高度，而V-2还仅仅只是早期的单极火箭。

其次，以导弹技术为基础研制运载火箭具有巨大的开發潜力。不同于需要考虑气动布局的飞机，火箭作为一种飞出地球的运载器，可以根据技术需要进行各种结构设计。如通过多级火箭依次点火的方式，完成航天运载任务。

再次，相似的结构使得运载火箭技术快速走向成熟。美苏两国一开始研制航天运载器，确实是不计成本，只求载荷更大、升限更高。但从长远看，运载火箭作为一种商品，它毕竟需要参与商业竞争，因此必须具备良好的通用性，还要具备较好的经济性，降低发射耗费，以免陷入拖垮自身的窘境。在这方面，导弹作为一种由军事需要而研制的武器，本身就拥有技术性能和数量上的优势，为运载火箭技术的发展探索了最合理的结构布局。从这个角度而言，从军用洲际弹道导弹向运载火箭的转型，是军民融合成功的典型案例。

此后，苏联在这条道路上越走越远，二者的通用性也越来越紧密。时至今日，苏联的继承者——俄罗斯仍在延续这条路线。当然，由于技术相对成熟，火箭也是各国进行航天发射的主要工具。

航天飞机掀起飞天高潮

如果要问美苏发展航天运载器的“理念”有什么不同，那么“成本战略”无疑是最根本的不同。美国人在初期的航天开拓中就发现，这是一个“严重烧钱”的领域。仅从早期的水星计划到双子计划，再到阿波罗登月计划，美国就直接耗资达255亿美元之巨，约占1972年美国当年经济总量的0.57%，以及当年科研预算的20%。再这么“烧”下去，会不会造成战略透支，最终在两极争霸的格局中被自己打败，这是摆在美国当局面前不得不思考的问题。因此，就在“阿波罗计划”取得辉煌成就之时，美国开启了“可重复使用的航天运载器”，也就是航天飞机的研制之路。当然，“高大上”的航天飞机在研发阶段也需要巨大的资金支撑。截至2011年，美国航天飞机计划共花费1960亿美元，这个数字相当于14艘最新型的福特级航母的造价。

航天飞机结构上大致可分为前中后三个部分。

前端为头锥及乘员舱两个部分。头锥作为航天飞机的最前端，承担着排头兵的作用，这就要求它必须能够承受住大气飞行中摩擦产生的高温，还要具备让飞机良好飞行的气动外形。乘员舱大致可分为三层，第一层为驾驶台，有4个座位，承担着航天飞机的驾驶功能。第二层为生活舱。不同于运载火箭狭小的空间，航天飞机生活舱的内置保障设备可谓“奢华”，太空旅客甚至可以在其中穿着普通的地面服装。一般情况下舱内可容纳4～7人，紧急情况下也可容纳10人。第三层为仪器设备舱，是航天飞机良好飞行的重要保障。

中段为航天飞机的有效载荷，是一个携载量可达29吨以上的大型货舱。舱内一般会根据不同任务，装载卫星、空间实验室、大型天文望远镜及深空探测设备等。同时，中段作为其头尾相接的关键部位，也承担着重要的支撑作用。

末端是航天飞机的动力所在，安装有三台主发动机、两台轨道发动机，以及反作用控制系统。轨道发动机主要是为其提供变轨等多种动作所需的推力，反作用控制系统用来保持航天飞机的飞行稳定和姿态变化。

2011年7月21日，随着“亚特兰蒂斯号”在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心着陆，航天飞机完成了最后一次飞行。此时，美国人又将目光瞄准了“未来运载器”。

“未来运载器”承继人类太空梦想

有人说，让美国人放弃航天飞机的原因，主要是因为2003年“哥伦比亚号”航天飞机的失事事件。其实，在总计135次的飞行任务中，航天飞机的成功率还是相当高的。更何况，“哥伦比亚号”航天飞机的失事原因并非是不可弥补的结构性问题。其实，真正让美国人放弃航天飞机的，很大程度上还是源于“成本战略”。美国人发现，尽管航天飞机的轨道器部分可重复使用，但燃料箱还是只能使用一次，发射1千克载荷的成本仍然高达2.2万美元。因此，早在尚未出事的1997年，美国宇航局就已颁布纲领性文件——《航空和航天技术——三项成果之柱》，称必须把1千克载荷的成本控制在2200美元以下。此后，美国波音、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼等航天巨擘纷纷提出各自的未来运载器计划。目前，美国的未来运载器尽管尚未露出庐山真面目，但基本思路已经初露端倪。

就在“哥伦比亚号”航天飞机失事的同一年，美国宇航局就完成了对新一代航天运载器技术标准的审核工作。該标准指出，未来运载器需要具备以下四大性能：其一，可多次重复使用，并把这个标准初步定在100次左右，此举可大大节省航天成本。其二，高安全性能和低故障率，预计新一代航天运载器故障率为万分之一。考虑到原来的“挑战者号”航天飞机发射不到50次就出了问题，而“哥伦比亚号”更是以失事告终，这种“万一”的故障率在理论和实践上恐怕还有些距离。其三，既满足民用，也满足军用，军民共同研发使用可大大节约成本。在这点上，美国宇航局、空军（未来的太空军）已达成高度共识，双方同意在技术、资金上通力合作。当然，民用和军用领域在许多方面是存在不同需求的，民用要求大载荷，每次能运载30吨左右货物，还要能让宇航员自由往返，但对速度的要求不高。与之相反，军用领域则对速度十分敏感，要求能以其为平台，在2小时甚至是1小时内攻击到地球上任意一个角落。而对能否载人要求不高，载荷量也只需在10吨左右即可。其四，飞行救生系统，这主要是借鉴“哥伦比亚号”航天飞机失事，造成7名宇航员殒命的教训，要求未来航天器也能装备有类似目前战斗机那样的逃生系统。

多年来，美国先后启动了“冒险星”项目，X-33、X-34、X-37、X-43航天技术验证飞机，以及“狮身鹰头兽像”双级入轨航天运载器设计方案等项目。与此同时，日本宇宙科学研究所的HSFD方案，以及意大利的PRODA航天飞行器计划和FAST-2计划都在紧锣密鼓地进行。可以预见，在不远的将来，航天运载器技术必将迎来新一轮的突破，并进一步助推人类飞天的梦想。