未来航天飞机（一）_科技文苑_重整文章

袁永康

　　1986年，就在“挑战者”号航天飞机爆炸事故发生数周之后，美国总统里根宣布了开发新型航天器的计划。这种被称为“新东方快车”(Nnew Orient Express)的飞行器将在大气层边缘处飞行，它从美国华盛顿飞到日本东京将只需要2个小时。

　　这种航天飞行器的官方名称为“国家航天飞机”(National Aerospace Plane)，它的飞行速度将是声速的25倍，能够十分轻易地进入或离开飞行轨道。它不需要以前航天飞机所携带的庞大的外部燃料箱和助推器。但是，如同航天飞机出现20多年以来科学家们提出的许多概念型运载工具一样，它也同样遇到了非常巨大的技术障碍。在1994年，这项计划被取消了，由此撤销了约30亿美元的研究经费。

　　就在“哥伦比亚”号航天飞机失事前不久，NASA宣布了新的航天器发展计划。相比以前，这项计划收敛了不少的锋芒。今年9月，在NASA历时5年、预算耗资约50亿美元的新型空间运载技术开发计划过半之时，布什政府宣布了一项取代航天飞机的双头并进的计划。其一是在10年之内开发出一种“轨道太空飞机”(Orbital Space Plane)，与里根的“东方快车”计划不同的是，它将使用常规的运载技术。其二是一项对先进概念式设计的开放式研究，它没有对何时研制出一套新系统设定严格的期限。

　　在“哥伦比亚”号失事之后，这些计划可能再一次发生变化。但有一点可以肯定的是，在可以预见的未来，还不会出现任何形式类似“国家航天飞机”这样的飞行器。从理想角度讲，太空飞行器将更像是常规的飞机。它们使用单级助推器实现从起飞、入轨一直到着陆的全过程，只需在两次飞行之间补充燃料即可。燃料将全部装在内部燃料箱中，这样飞行器在大气层内外都能够很灵活地进行操纵，并且在重新进入大气层时能够耐受所产生的高温。但事实证明，到目前为止要想同时满足所有这些要求，还是超出当今世界顶尖级航空专家能力范围的。

　　由于有了“哥伦比亚”号的教训，飞行器在大气层中的可操纵性以及它重新进入大气层时能否耐受产生的高温就理所当然地成了关键性的问题。航天飞机的外形更像是一个长了翅膀的砖块。它生硬的外形会在重返大气层时产生强大的冲击波，这有助于飞行器免受周围高温电离气体的破坏。如果它们的外形和飞行方式类似于高性能喷气式飞机，那么其机翼前沿的温度将远远高于目前大约1600℃的水平。NASA埃姆斯研究中心的科学家们正在研究一种基于二硼化铪或二硼化锆与碳化硅复合的陶瓷材料，它将有助于机动性更好的飞行器耐受重返大气层时的高温。这些材料可以耐受将近2800℃的高温，但目前还比较脆，而且笨重，要想真正将它们用到外形圆滑的航天飞机上，还有很多的研发工作要做。

　　然而科学家们遇到的技术障碍远不止于此，如何让其先进入轨道才是首要的难题。为了克服地球引力的作用，飞行器必须加速到每小时4万公里以上的速度。目前将22吨有效载荷加速到这个速度需要接近1000吨重的火箭，其中大部分都是液态氢氧燃料以及盛放这些燃料的燃料箱。现在的火箭都是在升空之后将用完的空燃料箱抛弃，但许多航天专家认为这种“多级”火箭策略是一种非常浪费而且笨拙的方案。

　　数十年来，工程人员们绞尽脑汁，力图解决飞行器的重量问题，使之成为单级运载工具。由于燃料占到了火箭重量的绝大部分，最容易想到的方案就是使用一种重量轻、能量效率超高的推进剂，但到目前为止还没有找到。液氢和液氧仍然是飞行器燃料的首选。