何麟書

“阿波羅”登月成功，國際間站在軌組裝計(jì)劃得以逐步實(shí)現(xiàn)，使得航天迷們信心百倍，以為送人去火星探險(xiǎn)，作太空長途旅行，建立空間工廠等等設(shè)想，都是很快就能實(shí)現(xiàn)的計(jì)劃。航天的瓶頸是高昂的太空往返費(fèi)用，對(duì)未來充滿憧憬的企業(yè)家們急于要解決這一難題。他們提出的解決措施確實(shí)誘人，這就是研制可重復(fù)使用的各種運(yùn)載器，使太空旅行如同乘坐民航班機(jī)一樣的方便和省錢。

熱潮興起

基于這一想法，美國航空航天局（NASA）于1996年7月與洛馬公司（LockheedMartinCorp.）簽署一項(xiàng)合作協(xié)議，設(shè)計(jì)、制造X－33技術(shù)驗(yàn)證機(jī)并進(jìn)行試飛。

X－33是未來“冒險(xiǎn)星”（一種單級(jí)入軌可重復(fù)使用的運(yùn)載器）的縮比試驗(yàn)運(yùn)載器，尺寸只有“冒險(xiǎn)星”的一半，用自身攜帶的火箭動(dòng)力入軌，完成運(yùn)送任務(wù)后用滑翔的辦法返回地面，用航天飛機(jī)方式常規(guī)著陸（見題圖）。它涉及的技術(shù)領(lǐng)域很廣，包括材料、推進(jìn)劑、氣塞式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、防熱措施等等問題，可以帶動(dòng)相當(dāng)一批企業(yè)的技術(shù)發(fā)展和由此獲得豐厚的利益回報(bào)。

光輝的前景，使許多公司怦然心動(dòng)，如旋轉(zhuǎn)火箭公司（RotaryRocketCo.），提出單級(jí)火箭入軌，返回時(shí)采用直升機(jī)旋翼逐漸下降的方案。還有航空宇航（AeroAstro）公司、開利空間技術(shù)公司（KellySpace＆TechnologyInc.）提出的從波音747上發(fā)射可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的方案等。

冷靜審視

但是，無情的現(xiàn)實(shí)使太空廉價(jià)旅行的夢逐漸清醒，人們正在更為冷靜地審視這一問題。

航空宇航公司總裁瑞克·弗利特（RickFleeter）已經(jīng)停止他們制造低成本火箭的計(jì)劃，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)常規(guī)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。弗利特嘆惜：“夢想降低成本，結(jié)果一無所獲，我不再打算用我的余生去等待出現(xiàn)奇跡”。無獨(dú)有偶，加利福利亞州的旋轉(zhuǎn)火箭公司也將其研制人員由75人減為不到12人，目前正處于求生存的地步。該公司研制的可重復(fù)使用航天器在降落時(shí)如同一架直升機(jī)。洛馬公司著名的X－33工程正處于推進(jìn)劑貯箱斷裂、制造工藝出問題的境地，而且開銷已超過7500萬美元。

許多專家認(rèn)為，就算火箭能安全地在天地之間往返，其成本也只會(huì)提高而不會(huì)下降。隨著“銥星”和其他潛在衛(wèi)星用戶們的煙消云散，克斯勒和先驅(qū)者火箭計(jì)劃（KistlerandPioneerRocketplane）已無人愿出經(jīng)費(fèi)，支持研制曾經(jīng)憧憬過的新運(yùn)載器。加利福尼亞州的開利空間技術(shù)公司總裁兼總師麥克·斯·開利（MichaclS.Kelly）哀嘆道：“近來，要想使‘便宜的天地往返工具的夢想存活下來，就像自己給自己動(dòng)心臟手術(shù)以求生存，而不用‘麻醉一樣的困難”。這里，“麻醉”是指技術(shù)上的突破。

理想的天地往返系統(tǒng)

單級(jí)入軌重復(fù)使用火箭是目前最理想、最有發(fā)展前途的天地往返系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的征途上，其困難還不僅僅在于經(jīng)費(fèi)，更令人沮喪的還是工程技術(shù)上躲不開的令人頭痛的難題。

最根本的難題仍然是地球的引力。它實(shí)在是太強(qiáng)大了，火箭必須達(dá)到大約28500公里的時(shí)速（相當(dāng)7.9公里／秒）才能入軌。這也就是“阿波羅”登月任務(wù)采用“土星”(Saturn)多級(jí)火箭的原因，必須逐級(jí)扔掉已耗盡推進(jìn)劑的下面級(jí)，才能進(jìn)一步減輕全火箭的質(zhì)量，以達(dá)到所需的入軌速度；同時(shí)，還必須考慮從月球返回時(shí)的質(zhì)量。為了做到單級(jí)入軌，做到重復(fù)使用，必須有非常輕的新型材料和創(chuàng)新型的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，才能帶來突破。只有重復(fù)使用，才能使目前每發(fā)射一次就損失一枚多級(jí)火箭的高昂費(fèi)用降下來。這就是為什么NASA和一些公司在1996年提出諸如X－33這樣一些計(jì)劃的根本原因。NASA曾經(jīng)宣稱，單級(jí)入軌重復(fù)使用航天運(yùn)載器，將會(huì)使目前1磅有效載荷的入軌費(fèi)用由1萬美元降到1千美元，為目前的十分之一。前景的確誘人。

X－33陷入困境

不過，目前的現(xiàn)狀很令人失望。X－33的關(guān)鍵部件，也是這個(gè)航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)主體部分——液氫燃料貯箱。它由輕質(zhì)量、高強(qiáng)度的復(fù)合材料制成，在工藝上極難制作，而且在去年試驗(yàn)中發(fā)生冷脆斷裂（液氫沸點(diǎn)為－253℃）。這就使X－33計(jì)劃陷于停頓狀態(tài)，擺在NASA和洛馬公司面前的問題有兩個(gè)：工程上的難題如何解決？由誰來付錢支持下一步的研制工作？原訂今年7月的試飛已不可能。

大多數(shù)專家認(rèn)為，X－33計(jì)劃已經(jīng)失敗，原因之一是缺乏市場，而根本原因還在于工程技術(shù)上不過關(guān)。通俗地講，由于完成單級(jí)入軌重復(fù)使用所需要的推進(jìn)劑實(shí)在太多，迫使重復(fù)使用的運(yùn)載器結(jié)構(gòu)必須“輕如羽毛”。否則，這種運(yùn)載器就無法為用戶服務(wù)。因?yàn)檫\(yùn)載器沒有裕量留給有效載荷，也就是說它無法帶一點(diǎn)像樣的儀器和設(shè)備進(jìn)入軌道，更無法攜帶返回大氣層時(shí)所必須的防熱設(shè)施和制動(dòng)系統(tǒng)。如果要帶一點(diǎn)有用的質(zhì)量上天的話，它又會(huì)陷入完全無法入軌的尷尬局面。至于用它載人航天，目前實(shí)難想像。

投資困難

為了使單級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器研制工作能繼續(xù)下去，當(dāng)前最重要的工作是工程技術(shù)上要有大的令人震驚的突破。當(dāng)初各家航空航天公司以為，令NASA難以解決的技術(shù)難題，他們都會(huì)有辦法克服。例如，旋轉(zhuǎn)火箭公司計(jì)劃用液氧煤油取代液氫液氧，作為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，以解決液氫貯箱過大，以及貯箱材料的冷脆斷裂等問題。又例如，開利空間技術(shù)公司企圖用波音747將火箭帶到12.2公里高度上再點(diǎn)火發(fā)射，這就不必建造耗資巨大的發(fā)射場，也可以減少火箭入軌所帶的推進(jìn)劑質(zhì)量。但是，這些大膽的設(shè)想都未能爭取到投資者。太空設(shè)備公司（SpaceDevInc.）的總裁章姆士·威·本生說：“所有這些設(shè)想都需要一項(xiàng)或多項(xiàng)技術(shù)上的突破，而涉及技術(shù)上的方案是如此地令人懷疑，以至公司自己也未敢先集資去試驗(yàn)一下”。

仍在努力

NASA和這些公司并沒有完全打算放棄。NASA有幾項(xiàng)計(jì)劃還在繼續(xù)努力進(jìn)行，例如，吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，它能在穿過大氣層時(shí)利用空氣中的氧氣而省去攜帶過重的液氧。陷于困境的旋轉(zhuǎn)火箭和克斯勒（RotaryandKistler）公司仍在試圖集巨資去建造一個(gè)全尺寸的樣機(jī)。克斯勒公司一直積極為NASA的新航天計(jì)劃出謀劃策，公司總裁克斯勒本人說：“我們一直在構(gòu)思新的運(yùn)載工具，因?yàn)槲覀冎澜裉斓倪\(yùn)載火箭已經(jīng)過時(shí)了”。拉斯維加斯的比格羅航天公司（BigelowAero－SpaceCo.inLasVegas）已經(jīng)宣告要建造一艘登月巡回飛船，實(shí)現(xiàn)旅客往返于地球軌道和月球之間。弗吉尼亞州阿林頓的奔月公司總裁戴維堤·皮·古姆普（DavidP.Gump,presidentofLunacorp.inArlington,Va.）希望通過無線電視和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送銀河系奇景和月球背面的圖像到地球上來。今年6月15日，奔月公司宣布，射電屋公司(RadioshackCo.)將負(fù)責(zé)出資建造一艘活動(dòng)電影攝像船到月球上去。

圣·路易斯基金十字獎(jiǎng)主席彼得·哈·戴蒙德斯（PeterH.Diamandis,PresidentofSt.Louis－basedX－Prize）仍然認(rèn)為克服這些技術(shù)困難只不過是時(shí)間問題。他的基金組織提供1000萬美元獎(jiǎng)勵(lì)給任何一家公司，只要這家公司能在兩星期之內(nèi)送三個(gè)成年人完成亞軌道飛行（比真實(shí)軌道低，但發(fā)射、返回過程都有，主要用于試驗(yàn)）兩次。但是，太空設(shè)備公司的本生說：“目前已有的技術(shù)還做不到這一點(diǎn)”。看來，這一獎(jiǎng)金不會(huì)很快有人來認(rèn)領(lǐng)。

航天運(yùn)載器單級(jí)入軌的必備條件

目前制造單級(jí)入軌重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，從理論上說明并不困難。目前采用最好的液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，其真空有效比沖為500秒（很先進(jìn)的估計(jì)，一般達(dá)不到）；采用最好的結(jié)構(gòu)材料，最先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，其質(zhì)量比最好也只能做到0.15。按照齊奧爾科夫斯基火箭理想速度公式，可算出在真空中、無重力情況下的火箭熄火點(diǎn)的速度為9.296公里／秒。由于重力和阻力造成的損失，其量級(jí)范圍是20％～25％。我們可取20％（也是最好的估計(jì)），計(jì)算出火箭的真實(shí)熄火點(diǎn)速度為7.436公里／秒。

可見還達(dá)不到7.9公里／秒的第一宇宙速度。這里已經(jīng)給出了一個(gè)大膽的假設(shè)，也就是火箭質(zhì)量比為15％。這就是說，如果火箭起飛質(zhì)量為100噸，在推進(jìn)劑消耗完之后剩下的“干質(zhì)量”只有15噸。這其中包括有效載荷、箭體結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)及附屬系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等等。這樣說可能不夠形象，拿長征3號(hào)甲（CZ－3A）舉例。CZ－3A的第三級(jí)火箭采用液氫、液氧推進(jìn)劑的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，且采用共底式貯箱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)想盡了辦法，起飛質(zhì)量為23噸，推進(jìn)劑質(zhì)量為18噸，有效載荷為2.3噸，火箭質(zhì)量比為0.22。如果再想降低火箭質(zhì)量比，則需要減少有效載荷。現(xiàn)假設(shè)完全不帶有效載荷，此時(shí)火箭質(zhì)量比為2.7／23=0.117，理想速度可達(dá)10.497公里／秒，扣除重力和阻力損失之后，熄火點(diǎn)的速度可達(dá)8.4公里／秒，可以克服地球引力入軌。但是，火箭不帶有效載荷，就完全失去了實(shí)用意義。這里還未考慮返回時(shí)的動(dòng)力要求和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，也就是說，2.7噸的結(jié)構(gòu)質(zhì)量僅為入軌服務(wù)，返回時(shí)還需要制動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，相應(yīng)的質(zhì)量必須包括進(jìn)去，否則無法返回，也就不屬重復(fù)使用的范疇了。

綜上所述，單級(jí)入軌重復(fù)使用運(yùn)載器并非完全不可能實(shí)現(xiàn)，但必須突破目前技術(shù)上的困難。具體說有兩個(gè)方面：第一，必須繼續(xù)提高比沖；第二，必須進(jìn)一步降低運(yùn)載器的質(zhì)量比（“冒險(xiǎn)星”要求為10％，即起飛質(zhì)量為922噸，其中90％是推進(jìn)劑，留給有效載荷和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量只有92.2噸）。任務(wù)雖然艱巨，相信通過人類的不斷努力，在21世紀(jì)不遠(yuǎn)的將來，一定能解決這些難題。