龐之浩

雖然世界上唯一投入使用的美國航天飛機已于2011年7月全部退役，但許多人希望，隨著技術的發(fā)展，在研究出提高航天飛機可靠性和降低成本的方法后，它能夠復活。人們甚至還夢想能研制出能像普通飛機一樣完全重復使用且可以水平起降的空天飛機。因為航天飛機是垂直發(fā)射、水平降落的，所以升空時很麻煩，并且風險很大，美國挑戰(zhàn)者號和哥倫比亞號航天飛機都是因發(fā)射時出現(xiàn)故障而失事的。

近日，英國正在研制的航空航天飛機——空天飛機“云霄塔”實現(xiàn)了重大突破，成功測試了“云霄塔”空天飛機的發(fā)動機，此后還將進行更多試驗以確保其完美無瑕?！霸葡鏊痹诖髿鈱觾蕊w行時，其上的發(fā)動機能將氫與空氣混合燃燒；出了大氣層以后，可將氫與液氧混合燃燒。所以，“云霄塔”被認為是實現(xiàn)人類太空旅行夢想的航天器。那么，什么是空天飛機呢？研制空天飛機有哪些難關？

看起來很美

早在美國航天飛機投入使用不久的20世紀80年代，航天專家就開始構思空天飛機的方案了?？仗祜w機是航空飛機和航天飛機的“混血兒”，因為它同時裝有航空發(fā)動機和火箭發(fā)動機，所以在大氣層內飛行時可像普通飛機一樣在跑道上起飛，用航空發(fā)動機提供動力，按航空飛機方式飛行和操縱；在大氣層外飛行時則由火箭發(fā)動機提供動力，按航天器方式飛行和操縱。

這樣做的好處是，它在大氣層內飛行時可用空氣中的氧做氧化劑，因而能大大減少整個飛機的氧化劑裝載量，使飛機的質量和體積大大減少，由此降低成本。此外，由于它可像普通飛機一樣完全重復使用，且能水平起飛，這樣就省去垂直發(fā)射所需的復雜設備。

由于這一設想看起來很美，似乎可以像航空飛機那樣自由出入太空，想航空就航空，想航天就航天，所以曾在20世紀80年代紅極一時，有不少國家提出了多種空天飛機的方案，其中最有名的當屬英國的“霍托爾”、美國的“東方快車”和德國的“桑格爾”空天飛機方案了。

不過，因為空天飛機的技術十分復雜，以至于各種方案都沒有實質性成果，所以又都紛紛下馬了，只有“云霄塔”方案在悄然進行。

“云霄塔”是從“霍托爾”方案演變過來的，所以先了解一下“霍托爾”對認識“云霄塔”的前世今生是有益的。

溫故而知新

英國的空天飛機方案叫“霍托爾”，采用單級入軌，即外形和普通飛機基本一樣，可完全重復使用。它采用4臺吸氣式噴氣發(fā)動機和液氫-液氧火箭發(fā)動機的組合動力裝置。起飛時吸氣式噴氣發(fā)動機首先啟動，速度達到5倍音速、高度為26公里時停止工作，這時火箭發(fā)動機啟動，直至進入200公里高的近地軌道。

“霍托爾”空天飛機的概念是1982年10月英國宇航公司提出的，主要原因是國際上日益增長的衛(wèi)星市場和尋求降低發(fā)射成本、提高競爭力的途徑；同時，也是受美國航天飛機的感染；另外，在未來的地球旅行方面，還需要極大地提高速度。英法聯(lián)合研制的協(xié)和式超音速客機油耗大、噪聲大，但速度只有2倍音速。而“霍托爾”從倫敦飛到悉尼只需45分鐘，所以能為未來的高超音速民航機提供必要的技術儲備。

1984年8月，英國宇航公司又提出了“霍托爾”的方案；同年9月，在世界航展上正式展出“霍托爾”模型，在當時引起了國際宇航界的很大興趣。1987年，“霍托爾”的概念研究和論證工作大致結束。

“霍托爾”的起飛方式不同于美國航天飛機，也不同于普通飛機。它采用火箭發(fā)射車輔助，采用這種起飛方式可降低起飛重量達70噸。“霍托爾”的起飛重量為196噸，著陸重量為34噸，起飛速度為540公里/小時，有效載荷為7～11噸，起飛距離為2300米，載荷規(guī)格為7.5米×4.6米；著陸速度為315公里/小時，著陸距離為1800米，軌道飛行時間為50小時。

發(fā)動機是“霍托爾”最關鍵的技術，原定采用羅·羅公司設計的RB545吸氣式氫氧發(fā)動機，它是高度先進的單一機體式發(fā)動機，總重2.5噸，兼有噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機的功能和優(yōu)點，有兩種工作狀態(tài)：空氣噴氣發(fā)動機工作狀態(tài)和液氫液氧發(fā)動機工作狀態(tài)。在吸氣方式下，其推力為34.7噸，在純火箭方式下，其推力為75噸。

RB545發(fā)動機的獨特之處是它在大氣層飛行時，依靠吸入空氣中的氧工作，因此可以大大降低液氧的攜帶量，進而降低了空天飛機的起飛重量。但經(jīng)過幾年的詳細研究，英國宇航公司和羅·羅公司都感到無論從經(jīng)費上還是從技術上，都無力獨立承擔“霍托爾”的研制開發(fā)工作。加之國際形勢的變化和世界航天發(fā)展方向的改變，最終于1988年決定放棄“霍托爾”計劃。

不過在1991年10月的第42屆國際宇航聯(lián)合會會議上，英國宇航公司又報告了英國與蘇聯(lián)合作研究的新“霍托爾”空天飛機方案的設想。新“霍托爾”方案采用2級發(fā)射方式，即用蘇聯(lián)安-225大型運輸機作為第1級把“霍托爾”馱運到高空，然后分離，“霍托爾”靠自身安裝的俄羅斯氫氧火箭發(fā)動機進入太空。其結構形式簡單得多，也可行得多，技術風險少。但該方案后來也杳無音信。

美國也不行

美國空天飛機的方案與英國的類似，最大特點是以超音速燃燒沖壓發(fā)動機為主發(fā)動機，是航空、航天兩用運輸系統(tǒng)。20世紀60年代中期，美國馬夸特飛機公司和美國航空航天局蘭利研究中心曾同時開展了超音速燃燒沖壓發(fā)動機的試驗研制工作。

1981年起，美國國防部高級研究計劃局、空軍、星球大戰(zhàn)計劃組織、航空航天局和海軍先后投資研究超音速燃燒沖壓發(fā)動機。這樣，空天飛機計劃變成了由5家單位聯(lián)合的計劃，并很快得到了時任國防部長溫伯格的批準。

1986年2月4日，里根總統(tǒng)向美國國會發(fā)表國情咨文，此時正是挑戰(zhàn)者號航天飛機悲慘事故發(fā)生的一周之后。里根總統(tǒng)強調，他繼續(xù)支持美國的載人航天計劃，包括航天飛機計劃和已經(jīng)提出的永久性載人空間站計劃。同時，他還批準了國家空天飛機計劃（俗稱新的東方快車計劃）。里根說：“我們計劃研究新的‘東方快車，它能從杜勒斯機場起飛，加速到25倍音速后進入地球軌道，或在2小時內飛抵東京?！崩锔闹v話標志著美國官方的空天飛機計劃正式開始。

根據(jù)美國國防部和航空航天局提出的定義，東方快車計劃是一項發(fā)展重復使用的吸氣式高超音速跨大氣層飛行器技術的計劃，該計劃是要通過技術發(fā)展和技術演示，為研制高超音速飛行器提供基礎。

這種飛行器原定有3大用途：①高性能軍用飛機，②高速民航飛機，③空間運輸系統(tǒng)。東方快車計劃的第一期目標是研制兩架X-30試驗型飛機，它能夠在跑道上水平起飛，加速到入軌速度，然后返回大氣層并水平著陸。但主管東方快車計劃的人一再強調，X-30只是一架研制機，而不是未來空天飛機的原型機。

1986年4月，美國國防部和航空航天局分別與5家公司簽訂了X-30的預先設計合同，同時與2家公司簽訂了發(fā)動機和發(fā)動機一體化初步設計合同。1987年7～8月，東方快車計劃管理辦公室對發(fā)動機概念進行了評審。1987年8～10月，又對機體設計進行了評審，并選擇了3個公司進一步從事機體發(fā)展。

美國國會和政府原計劃在1990年底做出決定是否研制X-30全尺寸試驗機。但由于技術、經(jīng)費和政治等方面的原因，決策時間一推再推，直到1993年夏，美國決定放棄X-30試驗機計劃，并將東方快車計劃調整。后來，東方快車計劃也“流產(chǎn)”。

德國兩級式

德國空天飛機的方案叫桑格爾號，采用2級入軌方式。它的第1級是一架大型超音速航空飛機；第2級是軌道器，類似于美國航天飛機軌道器，但要自帶液氫-液氧。桑格爾號可在普通機場起飛，第1級飛機上面馱著第2級進入空中，當速度達到2200米/秒、高度為37公里時，第1級和第2級分離，第2級在火箭發(fā)動機推動下入軌。

從某種意義上說，德國是航天飛機的故鄉(xiāng)，早在1943年德國工程師歐根·桑格爾就提出過以火箭推進的環(huán)球轟炸機的設想。1967年，根據(jù)桑格爾的建議，德國（當時叫西德）MBB公司和容克斯飛機公司開始研究2級空間運輸系統(tǒng)。

1985年，德國為謀求在歐洲空間運載技術方面的領先地位，經(jīng)過近一年的研究論證，提出了一種比英國霍托爾號冒險性小的空天飛機方案，以作為歐洲當時研制的赫爾墨斯號航天飛機（后來中途下馬了）的后繼型。為了紀念航天飛機的先驅者歐根·桑格爾，德國把這一方案定名為桑格爾號空天飛機。1986年6月，德國向歐洲航天局提交了該方案，希望作為與英國霍托爾號方案競爭的另一個可供選擇的方案。

桑格爾號空天飛機是一種以渦輪沖壓發(fā)動機和火箭發(fā)動機為動力的水平起降的2級方案。第1級馱運飛機的動力裝置是吸氣式?jīng)_壓發(fā)動機；第2級小型有翼軌道器以火箭發(fā)動機為動力，起飛時，軌道器置于馱運飛機背部。馱運飛機的大小與波音747相當，裝有4～6臺渦輪沖壓發(fā)動機，每臺推力為40.8噸，可使用100次；第2級軌道器重約50噸，其中35噸為推進劑，呈三角翼布局，發(fā)動機采用液氫液氧發(fā)動機，置于軌道器尾部，推力約30.6～51噸。

德國之所以提出桑格爾號方案，是因為他們懷疑霍托爾號的可行性，認為它需要很長的研制周期，特別是霍托爾號方案所采用的發(fā)動機將成為最大障礙。

桑格爾號空天飛機的飛行過程是：馱運飛機把軌道器推進到30公里高，速度達到6倍音速后，兩者分離。馱運飛機返回地面著陸。軌道器在自身的液氫液氧發(fā)動機推進下，繼續(xù)爬升，直到進入402公里的近地軌道。在完成軌道飛行任務后，桑格爾號軌道器像美國航天飛機軌道器那樣再入大氣層并水平著陸。按設想，桑格爾號航天飛機返場休整時間只需幾天。

雖然桑格爾號的發(fā)射能力和空間適應能力都比較小，但它的技術風險不大，發(fā)展成本較低，地面適應能力高，而且更誘人的是它有改裝成高超音速客機的潛力。據(jù)稱，桑格爾號的馱運飛機很容易改裝成載客400名以上的高超音速洲際旅客機。德國方面還宣稱，桑格爾號每年可進行6次載人飛行，每次費用為1500～2000萬美元。

德國曾計劃在2006年進行桑格爾號全尺寸機首次飛行，但后來由于歐洲載人航天戰(zhàn)略和統(tǒng)一后的德國對宇航投資的態(tài)度發(fā)生了很大變化，桑格爾號也中止研制了。

總之，從目前來看，空天飛機技術太復雜，即使是相對簡單的2級空天飛機技術也很難在現(xiàn)階段攻克，所以又紛紛下馬。于是，這些方案都被束之高閣。但這些探索是很有意義的，為今后的發(fā)展奠定了基礎。

東山似再起

英國一直不甘心放棄“霍托爾”空天飛機的研制，曾參與“霍托爾”研制的三名工程師于1989年成立了英國反應發(fā)動機公司，低調實施名為“云霄塔”的空天飛機計劃?！霸葡鏊笔歉鶕?jù)“霍托爾”水平起降概念設計而成，繼承并應用了“霍托爾”項目已取得的成果，但是在整體結構、機體以及發(fā)動機等方面進行了大量的技術創(chuàng)新，并于1995年完成了初步方案設計工作。

“云霄塔”比美國航天飛機大許多。它長90米、翼展25.4米，理論起飛質量約345噸，是一種采用混合動力、可重復使用、水平起降的單級入軌運載器。

其氣動外殼采用被動輻射冷卻技術，機身蒙皮采用簡單的波紋板沖壓技術，隔熱系統(tǒng)由多箔片隔熱氈、空氣隙和貯箱泡沫隔熱材料組成，機身采用復合材料桁架結構和懸掛非承力式燃料箱，發(fā)動機采用“佩刀”噴氣/火箭混合發(fā)動機。在飛行最初階段，它像噴氣機一樣，從大氣中吸入氧氣與液氫混合燃燒；當飛到26公里高時，速度達5倍音速。此后，發(fā)動機以火箭模式工作，消耗自身攜帶的氫氣和氧氣，進入太空。在重返大氣層時，“云霄塔”通過一層層的反射箔將熱量釋放出去。

“云霄塔”是世界上首個采用混合動力發(fā)動機的天地運輸器，這種混合發(fā)動機在技術上已取得新的突破。其另一創(chuàng)新是采用半硬殼式結構，主要承力結構采用碳纖維增強塑料復合材料制成的桁架結構。它還采用了全新的冷卻技術，所以能夠在吸氣飛行階段提高發(fā)動機的效率?！霸葡鏊辈捎玫呐艢鈬娮欤稍龃蟀l(fā)動機功率，使運載能力增加10%。

“云霄塔”按照“先載貨后載人”的原則發(fā)展，最初用途是發(fā)射人造衛(wèi)星，但隨著技術的成熟，它經(jīng)過較小幅度的改進后可以搭載大約30名乘客，屆時一個乘客艙將被安裝于“云霄塔”的貨艙內，為“國際空間站”接送航天員和物資。目前預計“云霄塔”的成本超過60億英鎊。與空客A380客機的研發(fā)費用相比，“云霄塔”的費用并不高。據(jù)悉，由于“云霄塔”能重復使用，其每次飛行的費用約630萬英鎊（合945萬美元），而目前運載火箭每次發(fā)射費用為5000萬美元左右，航天飛機每次發(fā)射費用為4～5億美元。

“云霄塔”未來的目標是將近地軌道運載能力提高到16.5噸。它在降落后兩天內可以實現(xiàn)再次起飛，每架“云霄塔”可以完成大約200次飛行任務。其發(fā)射成本低的成本優(yōu)勢將使未來的太空旅行更經(jīng)濟、更便捷。它有望到2016年時開始亞軌道試飛，到2018年實現(xiàn)軌道試飛，到2020年能夠實現(xiàn)商業(yè)運營。

據(jù)稱，“云霄塔”不僅能取代航天飛機，而且有望將太空旅行提升到新高度?！霸葡鏊笨稍诘孛嬉陨?9公里高度飛行，速度是5倍音速，4個小時內可抵達世界任何角落。

重大新突破

據(jù)美國拋物線網(wǎng)站2012年11月28日報道，英國反應發(fā)動機公司11月28日公布了自發(fā)明噴氣發(fā)動機以來航空航天推進技術領域最大的突破，“佩刀”噴氣/火箭混合發(fā)動機完成了重要技術的關鍵試驗。該發(fā)動機將能使飛機在4小時內到達地球的另一端，或直接飛入軌道并單級返回，能在跑道上起飛和著陸。

“佩刀”噴氣/火箭混合發(fā)動機采用噴了氣式渦輪和火箭技術。其創(chuàng)新的預冷器技術能在百分之一秒（比眨眼速度還快6倍）內將氣流從1000攝氏度冷卻到零下150攝氏度，但不會造成霜凍堵塞。近期的試驗驗證了制冷技術在零下150攝氏度的關鍵性低溫下的免冷凍情況。

歐洲航天局評價了“佩刀”的預冷器熱交換機，并對試驗結果給出了官方確認：預冷器試驗目標已全部完成，歐洲航天局對此表示滿意，試驗驗證了“佩刀”發(fā)動機發(fā)展所需的技術。

反應發(fā)動機公司在完成100多次試驗后，已經(jīng)在其牛津郡的設施廠，將名為飛行重量（flight-weight）的開創(chuàng)性制冷技術和冷凍控制系統(tǒng)與噴氣發(fā)動機和創(chuàng)新的氦冷卻回路集成在一起，從而驗證了“佩刀”發(fā)動機的新技術，推動了高度創(chuàng)新和有效的熱動力循環(huán)。

除此之外，反應發(fā)動機公司還進行了其他“佩刀”技術演示驗證，包括對轉渦輪、燃燒室、火箭噴嘴、吸氣口等，這標志著向研制“云霄塔”空天飛機又邁近了一步。這些成功的試驗是推進技術領域的一次基礎性突破。該公司的輕質熱交換機將推動對航空發(fā)動機的基礎熱動力循環(huán)進行根本性的重新考慮。這種新的循環(huán)方式將形成完全不同的運行特征，如高速巡航、低成本、可重復使用的太空進入。

研制吸氣式火箭發(fā)動機最大的困難，在于輕質高性能的熱交換機。隨著反應發(fā)動機公司這項驗證試驗的成功，“佩刀”發(fā)動機項目可以順利進入下一階段研發(fā)工作。

從20世紀80年代以來，單級入軌重復使用運載器一直是運載器研制的發(fā)展方向和追求目標。當年，“霍托爾”項目是由英國政府投資的，后因英國政府拒絕投資而被迫下馬。“云霄塔”采用官方、民間投資者和研究機構三方合作的模式，這樣可以發(fā)揮官方的資源優(yōu)勢、民間投資者的資金優(yōu)勢和研究機構的技術優(yōu)勢，具有投資靈活性強、對項目進度要求嚴格等特點。

不過，由于空天飛機技術太復雜，因此在當代科技水平的條件下，“云霄塔”是否能研制出來還很難說。但這種探索是很有意義的，即使不成功也可為今后的發(fā)展奠定基礎。最后，還是希望空天飛機美夢成真。

（作者單位：中國空間技術研究所）