明天的航天飞机

由于目前的航天飞机存在发射价格昂贵、安全性不理想等种种先天不足，一些航天大国早就想研制新一代航天飞机了，其中一种名为“空天飞机”的天地往返运输器红极一时。

空天飞机不是梦

目前的航天飞机是垂直发射、水平降落，所以升空时很麻烦。那么，航天飞机能否能像民航客机一样水平起降呢?为此，科学家构思出了被称为“空天飞机”的理想方案。

“空天飞机”的全称叫航空航天飞机，是普通飞机和航天飞机的“混合物”、“混血儿”。它同时载有航空发动机和火箭发动机，在大气层内按普通飞机方式在跑道上起飞，用吸气式冲压发动机提供动力，按升力式飞行器方式飞行和操纵；在大气层外则由火箭发动机提供动力，按航天器方式飞行和操纵。

这样做的好处是，在大气飞行阶段，靠吸进空气中的氧气做氧化剂，可大大减少整个飞机的氧化剂装载量。例如在液氧—丙烷火箭发动机中，液氧重量占起飞总重量的一半左右。如果氧化剂取自空气，则有利于增大有效载荷的质量和体积以及降低飞行成本等。

此外，空天飞机可像普通飞机一样完全重复使用，且能水平起飞，这样就省去了垂直发射时所需的复杂设备，从理论上讲可大大降低费用。

由于这一设想看起来很完美，因而在20世纪80年代，有不少国家提出了多种空天飞机的方案，其中最有名的当属德国的双级空天飞机和英国、美国的单级空天飞机方案。

德国的方案叫“桑格尔”，采用两级入轨。它的第一级是一架使用涡轮喷气—冲压组合式发动机的大型超音速驮运航空飞机。第二级是轨道器，类似于美国航天飞机轨道器，但要自带液氢—液氧。

“桑格尔”可在普通机场起飞，第一级飞机上面驮着第二级进入空中。当速度达到2200米／秒、高度为37千米时，第一、二级分离，第二级在火箭发动机的推动下入轨。

英国的方案叫“霍托尔”，采用单级入轨，即外形和普通飞机基本一样，可完全重复使用，每次往返太空只需12小时。

“霍托尔”采用4台吸气式喷气发动机和液氢—液氧火箭发动机的组合动力装置。起飞时吸气式喷气发动机首先启动，速度达到5马赫、高度为26千米时停止工作，这时火箭发动机启动，直至进入200千米高的近地轨道。

号称“东方快车”的美国国家空天飞机方案与英国的类似，是一项发展重复使用的吸气式高超音速跨大气层飞行器技术的计划，最大特点是以超音速燃烧冲压发动机为主发动机，是航空、航天两用运输系统。原定有三大用途：一是高性能军用飞机，二是高速民航飞机，三是空间运输系统。1986年2月4日，美国总统里根说：“我们计划研究新的‘东方快车’，它能从杜勒斯机场起飞，加速到25倍音速后进入地球轨道，或在2小时内飞抵东京。”里根的讲话标志着美国官方的空天飞机计划正式开始。

经过一段时间的深入研究，德、英、美都发现，空天飞机的技术太复杂，即使是相对简单的双级空天飞机技术也很难在现阶段攻克，所以又纷纷下马。于是，这些方案都被束之高阁。

从目前航空航天技术的发展速度来看，21世纪人类一定能突破空天飞机所需的新型发动机这一难关，研制出令人向往的空天飞机，届时人类会闲庭信步，更加自由地出入太空。

名副其实的“冒险星”

在空天飞机计划下马后，有关新一代航天飞机的方案又出现了多种，但至今只有一种被列入正式研制项目，它就是从1997年开始由美国洛马公司研制的“冒险星”。

“冒险星”是一种垂直起飞、水平降落的可重复使用单级火箭运输器，其缩小型的试验用运输器被命名为X-33，原计划进行15次飞行试验，如获成功则继续研制工作型运输器“冒险星”。

“冒险星”是三角型、无翼的升力体式飞行器，拟采用线性气塞式发动机、全复合材料和防热金属瓦等新技术，以便能单级入轨，降低发射费用和成本。其发射费用有望达到目前航天飞机的1／10。

采用线性气塞式发动机的优点是可自动适应飞行过程中不断变化的大气压力，所以效率极高。再加上采用了新型轻质坚固材料，“冒险星”仅用一级火箭就能被送上天。目前的航天飞机是用一级半火箭发射，其中的固体火箭助推器只能算作半级。

由于机翼只在着陆时才能发挥作用，升空时是负担，因此“冒险星”采用无机翼设计方案。这样做虽然升力小了，但返航时因燃料已经用完，重量减少了许多，故其可在2500米的普通跑道上着陆。

2001年3月2日，美国航空航天局宣布取消X-33计划，原因有技术和财政两个方面。当时这项计划已经进行了6年，耗资13亿美元。从技术角度来说，“冒险星”，顾名思义，研制风险很大，技术十分复杂。当时X-33采用三种主要技术：使用比传统的钟型喷嘴更有效的线性气塞式发动机，使用由石墨复合材料制造的重量很轻的燃料箱，使用金属防热板。线性气塞式发动机和防热板系统的研制进展顺利，但燃料箱的研制却不断出现问题，最终导致该计划夭折。

新方案又坐冷板凳

取消了X-33计划后，美国航空航天局又开始构思新的航天飞机方案，其主要目标是：大幅度降低航天发射成本，仅为现役航天飞机的1／10，单位有效载荷运送到近地轨道的费用降低到2200美元／千克；安全性较航天飞机提高100倍。现役航天飞机的可靠性为发射500次失败1次。

波音公司、洛马公司和诺格轨道科学公司相继进行了15种概念研究，均采用双级入轨。就这一点而言，美国等于承认这些年政策的失败。实际上，美国1995年青睐于洛马公司的单级X—33时，波音就一直极力推荐双级入轨。

另外，发动机不再采用每一级均为液氢—液氧双冷却的技术。洛马公司在其五种方案中第一级均建议采用液氧—煤油推进技术，甚至其中一种方案连第二级也建议用液氧—煤油技术。而波音在五种方案中有三种建议在第一级采用煤油作推进剂。洛马和波音方案的新颖之处在于，其既有可回收的两级又有有效载荷。洛马的方案类似于X-33，但不是升力机身，因为它有小型机翼。波音的方案就是航天飞机。

在诺格轨道科学公司的五套方案中，两套采用大型运载飞机。飞机由6个涡轮喷气发动机推进，并配有翼尖端板，机背上有一个像现役航天飞机的大型航天飞机。在货运型方案中，一种是带液氧侧储箱的飞机，另一种是靠两个低温技术助推器垂直起飞。在载人型方案中，诺格轨道科学公司的“空间出租飞机”独树一帜，由“德尔塔”4H重型火箭或可重复使用运载火箭发射。

在上述方案中，航天飞机的每一级都可重复使用并能在机场跑道上降落，且空间运输系统更加接近于航空。由于研究经费大大超出预算，美国在2002年10月的《2003年财政预算修正案》中将

它们无限期搁置，转而将重点放在了“轨道空间飞机”等上面。

“航天轿车”再遭厄运

2002年11月，美国航空航天局又提出“轨道空间飞机”方案，以便为“国际空间站”提供更加安全、便宜的运输器。这种多用途航天器以现有的技术为基础，成本低、风险小。它与现有的“改进型一次性运载器”和未来的可重复使用运载器兼容，可乘坐4-6人，主要用于承担“国际空间站”航天员救生和运送任务，以替换俄罗斯的“联盟”号飞船，并将航天飞机从人员运送中解放出来。

2003年2月19日，美国航空航天局公布了“轨道空间飞机”基本标准，其中之一就是在紧急情况下至少可以搭载4名“国际空间站”人员逃生，航天员的伤亡率要低于“联盟”号。它用火箭发射，具备有限的货运能力。既可由人操纵，也能无人驾驶，通过自动导航系统与“国际空间站”自行对接，为空间站运送物资。返回地面时可向飞机一样着陆。

与航天飞机相比，“轨道空间飞机”准备就绪的时间较短，一旦进入轨道，机动能力也将有所增加。不过，它的体积比航天飞机小，因此尽管在紧急的情况下也可以运送货物，但有效载荷能力有限。

由于“轨道空间飞机”比航天飞机简单灵活、耐用可靠和相对廉价，既能运送航天员也可当救生船，所以有人把它比喻为“航天轿车”。

“轨道空间飞机”标准公布后不久，波音、洛马及诺格公司分别提出了自己的“轨道空间飞机”方案。

波音公司的设计方案充分利用了X-37项目的研究成果，是一种放大了的载人型X-37，可以容纳4-6人，既可由现有的“改进型一次性运载火箭”发射，又能由未来的可重复使用运载器发射。

诺格公司提出的方案类似于20世纪90年代初美国研究的HL-20升力体方案，机身长14．3米。翼展10．52米，由“改进型一次性运载火箭”或者可重复使用运载器发射。该方案可容纳5名航天员进行4天的在轨飞行，同时还可携带约16个中等储物箱，运送小型有效载荷、实验标本或者飞行驾驶设备。在执行紧急返回任务时，该方案最多可携带7名“国际空间站”的航天员返回地球。

洛马公司的方案也属于升力体结构，由“改进型一次性运载火箭”发射，采用降落伞回收。洛马公司称其“轨道空间飞机”是安全的载人空间飞行系统，采用简单的模块设计方式，可在2008年前具有乘员救援能力，且各分系统部件都具有较强的适应性，至少可以服役到2020年。

总之，“轨道空间飞机”有多种外形方案。有的带“翅膀”，能像航天飞机一样降落在跑道上。有的与飞船相似，依靠降落伞降落。如果采用后一种设计，那么叫“轨道空间飞船”更合适。

美国原计划在2010年用“改进型一次性运载器”(“德尔塔”4或“宇宙神”5)发射“轨道空间飞机”，用它作为乘员救生飞行器使用，2012年再用它作为航天飞机的补充往返于“国际空间站”，运输人员和少量物资。但2004年初，布什总统又忽发奇想，要搞一种既能飞向空间站，又可抵达月球和火星的“乘员探索飞行器”，在2010年以后取代航天飞机成为全能的天地往返运输器。这实际上是一种多用途飞船，如果真能实现，那么美国新型航天飞机的问世将遥遥无期，新一代飞船将在相当一段时间内成为载人航天的主要交通工具。

真可谓“三十年河东，三十年河西”，风水永远轮流转，不知道美国何时再从飞船转到航天飞机上来。

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