孫文德

自萊特兄弟駕駛第一架飛機(jī)飛行以后的40年間，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有發(fā)生大的變化。我們都知道，沒(méi)有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，如今的航空運(yùn)輸是不可能實(shí)現(xiàn)的。有了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，才能造出比老式螺旋槳飛機(jī)大得多、速度快得多、效率高得多的飛機(jī)。航天專家史蒂文·沃斯特設(shè)想，要是設(shè)計(jì)制造出一種航天發(fā)動(dòng)機(jī)并完成試驗(yàn)的話，就可以像乘噴氣式飛機(jī)旅行一樣，去太空旅行了。也就是說(shuō)，只有造出新型發(fā)動(dòng)機(jī)，才有可能從地球到遙遠(yuǎn)的指定地點(diǎn)，天天直接運(yùn)送貨物甚至旅客。

美國(guó)航天通路公司正計(jì)劃研制一種可大幅度降低衛(wèi)星和其他載荷發(fā)射費(fèi)用的可重復(fù)使用的運(yùn)載工具。這是一種全新的空天飛機(jī)，與美國(guó)航空航天局正提供經(jīng)費(fèi)研制的“冒險(xiǎn)之星”空天飛機(jī)有著很大的區(qū)別，它將解決美國(guó)航空航天局再用十年都難以解決的難題。

今天所有的火箭除了燃料之外還要攜帶液氧以便為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，這就意味著在整個(gè)飛行中還要拖著沉重的液氧箱。然而，航天通路公司研制的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是從空氣中吸取氧氣，因此整個(gè)運(yùn)載工具的重量會(huì)更輕，發(fā)射費(fèi)用會(huì)更低。馬歇爾航天飛行中心的專家尤韋·休特爾指出，“吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)將可為普通老百姓打開(kāi)一個(gè)航天新天地。”

航天通路公司計(jì)劃在2005年之前制造一種與波音747飛機(jī)一樣大小，以沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的空天飛機(jī)。它從機(jī)場(chǎng)跑道上起飛，在超出大氣層以后，釋放一枚火箭，把衛(wèi)星推入軌道。如果要把衛(wèi)星送到更高的離地面36萬(wàn)千米遠(yuǎn)的地球同步軌道，那么，再由另一枚更小些的火箭提供額外的入軌動(dòng)力。巨大的空天飛機(jī)和兩枚較小的火箭均將返回地球并像飛機(jī)一樣著陸。

該系統(tǒng)可把5噸重的衛(wèi)星送入地球同步軌道，與今天最大的運(yùn)載火箭的載荷能力差不多。而且，這一系統(tǒng)將按跟飛機(jī)一樣的生產(chǎn)線和可靠性標(biāo)準(zhǔn)來(lái)生產(chǎn)，因此以后它每周都可以飛行一兩次。1998年，美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、日本和歐洲航天局共進(jìn)行了70次火箭和航天飛機(jī)發(fā)射，其實(shí)只要有一兩架可重復(fù)使用的空天飛機(jī)就可以把這些火箭和航天飛機(jī)全代替了。

目前發(fā)射1千克重的載荷到低軌道，大概得花2萬(wàn)美元，航天通路公司的目標(biāo)是要把它降低到2000美元。由于發(fā)射費(fèi)用降低了90％，航天通路公司就會(huì)像早餐一樣吃下有利可圖的衛(wèi)星發(fā)射業(yè)務(wù)，而承擔(dān)美國(guó)航空航天局的太空發(fā)射任務(wù)就成了午餐。由于擬建的空天飛機(jī)可以像普通飛機(jī)一樣地飛行，因此也可以像飛機(jī)一樣提供全球性的一攬子日常服務(wù)。

當(dāng)然，制造一種全新的航天運(yùn)載工具是很費(fèi)錢(qián)的，但是航天通路公司已經(jīng)同華爾街的一家商業(yè)銀行聯(lián)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)這一計(jì)劃。

航天通路公司的老板沃斯特，以前是美國(guó)空軍的飛機(jī)駕駛員和工程師。在20世紀(jì)80年代中期美國(guó)國(guó)家空天飛機(jī)計(jì)劃啟動(dòng)的時(shí)候，他來(lái)到洛克韋爾公司工作，后來(lái)便成為該公司高超音速先進(jìn)設(shè)計(jì)的負(fù)責(zé)人。洛克韋爾公司是美國(guó)國(guó)家空天飛機(jī)計(jì)劃的承包商，承擔(dān)了研制一種單級(jí)入軌空天飛機(jī)的任務(wù)。這種空天飛機(jī)以沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，可在不到1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)把旅客從紐約急送至洛杉磯。

該計(jì)劃在1994年被取消，原因之一是，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)只有在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)才能工作，所以當(dāng)時(shí)人們產(chǎn)生疑問(wèn)：飛機(jī)沒(méi)有達(dá)到高速度之前發(fā)動(dòng)機(jī)怎么進(jìn)行工作?該計(jì)劃取消后不久，沃斯特就在加利福尼亞州的帕姆代爾成立了自己的公司，他把洛克韋爾公司以前X－15火箭和航天飛機(jī)一類計(jì)劃中富有經(jīng)驗(yàn)的研究人員同精通計(jì)算機(jī)的新手組織起來(lái)成立了一個(gè)小組。他們認(rèn)識(shí)到，在航天發(fā)射經(jīng)濟(jì)學(xué)中有一條極其重要的原則就是提高發(fā)射率。不重復(fù)飛，飛行器的成本就永遠(yuǎn)降不下來(lái)。

于是該小組決定未來(lái)的空天飛機(jī)采用像飛機(jī)一樣的起飛和降落技術(shù)。只有這樣，空天飛機(jī)才可能像飛機(jī)一樣裝載貨物或人員，加注燃料和進(jìn)行維護(hù)。

如果空天飛機(jī)比波音747飛機(jī)重得太多的話，就根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)水平起飛，這就排除了像“冒險(xiǎn)之星”一類的單級(jí)入軌方案——因?yàn)檫@種方案在入軌和返回的整個(gè)過(guò)程中都拖著巨大的燃料箱，使得整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載過(guò)重。

即使是多級(jí)系統(tǒng)，采用現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，也是很重而且很費(fèi)錢(qián)的。在這關(guān)鍵的一點(diǎn)上，工程師喬·本多特取得了具有決定性意義的突破，他對(duì)久攻不下的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了重大的改革。

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)像噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，要把空氣吸進(jìn)來(lái)，并與燃料混合在一起。但沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)用的是巧妙成形的管道而不是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的葉片。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是一種簡(jiǎn)單而有效的高速發(fā)動(dòng)機(jī)，但如果不帶上普通的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭助推器，只裝有沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)是飛不起來(lái)的，因?yàn)橹挥邪扬w機(jī)加速到一定的速度后才能把空氣壓到?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)里去。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，有一家公司曾試圖用“裝有引射器的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)”來(lái)突破這個(gè)限制。在這種發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，燃燒器產(chǎn)生的熱氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)管道，通過(guò)進(jìn)氣管帶動(dòng)外面的空氣，從發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)看就像飛機(jī)快速運(yùn)動(dòng)起來(lái)了一樣。空天飛機(jī)不斷加速，通過(guò)進(jìn)氣道的氣流越來(lái)越大，直至最后關(guān)掉燃燒器。然而到目前為止，還沒(méi)有人對(duì)這種功率大、重最輕、效率高得足以使空天飛機(jī)起飛的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)演示驗(yàn)證。

而本多特為航天通路公司設(shè)計(jì)了一種新型的帶引射器的液氧液氫沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。經(jīng)試驗(yàn)，速度從靜止到8馬赫，平均每千克燃料所產(chǎn)生的推力比普通火箭提高了7倍。對(duì)航天通路公司來(lái)說(shuō)，這真是一把打開(kāi)成功之門(mén)的鑰匙。

航天通路公司的空天飛機(jī)有4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)可產(chǎn)生334千牛頓的推力。由于其燃料箱比普通火箭式飛機(jī)小，所以從外觀和飛行方式上看更像普通飛機(jī)。其基本系統(tǒng)是無(wú)人駕駛的，以便降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，并給載荷留出更多的空間。但是，根據(jù)美國(guó)航空航天局的合同，航天通路公司要研制的是可供宇航員乘坐的空天飛機(jī)。

空天飛機(jī)起飛后將加速到8馬赫，并爬升到46萬(wàn)米的高度。由于這時(shí)開(kāi)始超出大氣層，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不起作用了，便改由火箭繼續(xù)加速到9馬赫，將飛機(jī)推到91萬(wàn)米的高度。這樣第一級(jí)火箭只需要一點(diǎn)點(diǎn)推力和燃料，就可以把載荷送入軌道，而它的第二級(jí)和第三級(jí)(進(jìn)入同步軌道用的)質(zhì)量均不大，同衛(wèi)星裝在一起完全可以放進(jìn)空天飛機(jī)里。因此，航天通路公司避免了在超高速情況下兩個(gè)飛行體分離的棘手問(wèn)題，只要空天飛機(jī)頭錐像鱷魚(yú)嘴一樣一張開(kāi)，第一級(jí)火箭連同載荷就滑出去了。

當(dāng)空天飛機(jī)往下飛行準(zhǔn)備降落時(shí)，第二級(jí)火箭就像拖船一樣載荷進(jìn)入軌道。如果要出地球同步軌道的話，第三級(jí)火箭可把載荷送到最終的目的地去?？仗祜w機(jī)和兩級(jí)火箭均可重復(fù)使用，而且都有機(jī)翼和起落架。這樣看起來(lái)似乎很費(fèi)錢(qián)，其實(shí)不然，因?yàn)樗鼈兌急容^簡(jiǎn)單，而且在設(shè)計(jì)和制造上幾乎沒(méi)有什么區(qū)別。但是美國(guó)航空航天局所要的載人空天飛機(jī)將配用一種完全不同的第一級(jí)火箭，要包括乘員座艙和載荷艙。

設(shè)計(jì)出好的方案是一回事，然而一個(gè)不知名的小公司想要籌集數(shù)十億美元的資金來(lái)實(shí)現(xiàn)它，又是另一回事。航天通路公司及其華爾街的支持者正在制定一個(gè)分階段的發(fā)展計(jì)劃，以便把風(fēng)險(xiǎn)降到最低。該公司打算2000年進(jìn)行全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，并對(duì)空天飛機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行更多的風(fēng)洞試驗(yàn)，爭(zhēng)取在2002年進(jìn)行首飛，2003年完全投入使用。

據(jù)該公司估計(jì)，如果美國(guó)航空航天局使用他們的空天飛機(jī)代替航天飛機(jī)來(lái)建造國(guó)際太空站的話，在10年內(nèi)可節(jié)省100億美元。降低發(fā)射載荷的費(fèi)用不僅將改變空間探險(xiǎn)的經(jīng)濟(jì)性，而且將改變其他航天活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性。至于最終的價(jià)格目標(biāo)，美國(guó)航空航天局的一份研究報(bào)告把它定為，發(fā)射1千克重的載荷到低軌道為660美元左右。如果能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，航天運(yùn)載工具的市場(chǎng)將會(huì)爆炸性的擴(kuò)大開(kāi)來(lái)。