互动科普

进入太空的一种更简易飞行器

F K Mattingly *

技术的进步应使下个世纪的火箭很象今天的飞机一样运行。这种变化能够使到达轨道的成本降至十分之一。

在人造地球卫星(Sputnik)作为环绕地球的第一个人造卫星而闻名之后40年，空间活动已成为十分普遍的了。今天的通讯卫星不断地在全球传播信息；沿轨道飞行的传感器把地球表面详测的信息发回来；此外机器人飞行器已开始探索太阳系。

然而人们仍远没有意识到太空飞行的全部可能性。例如，有些幻想家很久以来就预见到绕轨道运行的巨型实验室和对太阳系遥远星体表面进行考察。其他有商业兴趣的人指望将向旅行者提供服务以及为地面顾客提供货物的有利可图的太空业务。此外以太空为基地的廉价通讯和追踪网络能进一步改善我们在地球上的生活质量。

当前的现实落后于更加丰富多彩的一系列可能性的主要原因是，用现在的有效手段——一次性使用的火箭或航天飞机——进入太空是一项复杂而耗资巨大的任务。按照现行的价格，把这本杂志送人轨道要花费1千至5千美元，而空运传送到世界上任何一个国家都不会超出数十美元。

几年前国家航空航天局研究了减少进入太空经济障碍的各种方法并得出结论，最有希望的途径之一是开发一种相对简单的，完全可重复使用的运载火箭．然后国家航空航天局挑选了洛克希德·马丁的。ShunkWorks(该部门设计了SR一71间谍飞机和F一117隐形战斗机等)领导的工业联合体以建造一个小规模的、叫作X一33的亚轨道火箭，这种火箭能测试建造这种可重新使用的运载火箭所需的许多概念。这种飞行器能垂直起飞、以一组火箭发动机到达轨道并飞回到地球，以水平着陆。

如果建造X一33和使它飞行不会遇到不可克服的技术或经济障碍，该联合体的许多工程师和技师将建造商用太空火箭——叫做冒险之星(VentureStar卜它使用同样的原理把很大的有效负载(可能包括宇航员)运送到轨道上。那时，在21世纪初的某个时候，把人和货物送人轨道或许应只需要今天这种飞行成本的十分之一。

为什么如此昂贵?

为了弄清X一33将怎样为进入太空铺平一条不太昂贵的路，人们首先必须知道目前的发射成本为什么是如此之高。有些困难是由于不可改变的物理定律引起的。要把一个卫星送人轨道，火箭必须升高到几乎整个大气层之上，并要使它的有效负荷产生足够的水平速度，以致当它朝地球下落返回时，地球的弯曲表面以相同的速度。下落背离。例如，100海里高的标准轨道所需的水平速度约为每小时17000海里(近于每秒8公里)。把达到这种高度和速度所需的势能和动能与不可估量的损失(在一般的发射轨迹中发生的)加在一起，总计为很大数量的原始力量。例如，在盼钟多一点的时间内为把航天飞机送人轨道所消耗的能量可作为一般的汽车行驶数百万英里的动力。

然而带有所有这些能量的火箭燃料(一般为液态氢或煤油和液态氧的形式)的成本是相对次要的问题。今天建造复杂的、高性能运载火箭(只用一次)的普通措施所造成的开支要大得多。这种看来是极度浪费的策略出自火箭技术的一些基本原理。

能被运载火箭携带的有效负荷很大程度上取决于它的发动机的性能和火箭燃料与结构重量之比例．因此一个火箭设计者有两项关键的任务：使推进效率为最大和使被加速的质量最小。然而即使以最大的努力改善效率和减少质量，历史上也未做到在实践中以一组火箭发动机达到轨道速度的程度。这种工艺要求大约9O的火箭重量被分配给火箭燃料。只有采用两个或多个分开的级，每级有它自己的发动机和火箭燃料，设计人员才有可能建造实用的运载火箭。

这种分级法是有效的，因为它允许运载火箭的各部分按常规投弃。这种能力提供了很大的优点。快速地把运载火箭从地面发射出并脱离大气的最稠密部分(因此在没有过量大气阻力下可达到水平速度)需要高推动力的发动机和为发动机加燃料的大罐。然而这种大的发动机和大罐比它们在较高位置的情况下所需的体积更为笨重，在较高位置下，以可容许的速度加速飞行器所必需的推力是小得多。丢下这些重的部件而且在第二和第三级火箭使用更为适合尺寸，必须被加速送上轨道的质量可减到最低。

采用分级法还有其它的优点。已经知道，当火箭发动机的废气以匹配的大气压排出喷嘴时，它们最有效。在大气压力很高的较低地方，短喷嘴的这种效应较佳。然而在上部大气的近于真空的地方，较长的喷嘴更有效。因此分级使喷嘴的应用在飞行器通过越来越稀薄的大气爬升时能更加合理地运行。

多级的引入(继续被包括航天飞机在内的所有运载火箭所使用)使实际的火箭以那时用来建造飞机的同一材料所制造。实际上，分级使空间运输成为切实可行的。然而这种方法往往迫使在每次飞行中都抛弃相当值钱的硬件。而且，对于这种钟形喷嘴内废气的不完全膨胀是低效的．空气进口整流锥燃烧室在较低高度时的一次性使用的运载火箭，每飞行一次必定是劳动密集过程的最高潮，在这个过程中工程师检查、再检飞行所需的每一件东西。

这些火箭要求有万无一失的性能，因为要减少不必要的重量，所以它们在设计上除最轻的部件之外全都缺乏替补系统。也是为了减轻重量，许多零件必须在十分接近于设计极限的应力下运行。一次性使用的运载火箭的成本约有一半能够究于所需的多种细心的检验和试验，以确保它仅有的一次飞行完全按计划进行。

建造具有许多可再次使用的苛件的航天飞机就是要消除许多由一次性使用运载火箭带来的费用。然而可重复使用的本身产生了另一组问题：被加速到轨道速度的每一佴东西都必须小心地带回地球。对于航天飞机来说，严格的返回仅在丝65英里的高度时才开始，在那里当轨道飞行器滑向它的着陆地点时，大气的阻力逐渐减慢飞行器的速度。在此过程中，大量的热能必须祛消除而又不熔化或炭化飞行器外面的材料。此外，为了飞行和着陆，舫天轨道飞行器带有机翼、操纵面和起落架。

此外，尽管航天飞机是工程技术上的奇迹，但在每次飞行后必须对它进行详细的检查和重新调节。向主发动机供给燃料和液态氧的泵在发射时承受了严重应力，需要不断地加以注意，而且使飞孬器与重返大气层的热量隔离的瓷瓦需要心地检查，经常修理和防水。每次飞行也要求制造新的外燃料罐并从固体火箭助推器降落在海洋中的地力回收这些装置。然后这些助推器需要重新装上固体火箭燃料，小心组装并彻底检查。所有这些工作需要成千上万熟练的专业人员。

考虑到所涉及的技术之复杂性，航天飞机和现在正在飞行的各种一次性使用的运载火箭可以被看作牢固而有效的系统。然而当与服务于商业航空的班机群相比，这些太空飞行器似乎是易损坏的、刚性的和成本异常地高。飞机在数小时内就可着陆、交换货物、补充燃料和再次飞行，而航天飞机需要数月才能完成这些作业，而且新订购的一次性使用火箭需要一年左右的时间进行制造。如果飞机以同一方式来制造和飞行，那么航空运输几乎对任何人都将是过于昂贵了。直到发射火箭进入轨道的过程开始模仿常规的飞机作业之前，太空运输除对少数用途外，对其它所有任务仍将是过高的花费。

解决的办法：一级进入轨道

为了降低可靠的太空运输的成本有哪些工作可作呢?按照我们的观点，解决的办法是开发能更象一架飞机一样飞行的完全可重新使用的一级进入轨道(single—stag．e—to—orbit，~PSSTO)运载火箭——简言之，是冒险之星。今天航空航天工程师们能策划这样一个雄心勃勃的工程，因为推进效率和轻质复合材料的改进现在正在促进实现完全可重新使用的一级航天飞行器。

为了达到最大的推进效率，洛克希德‘马丁公司的设计师们已选择一种非常规的叫作线性空气进口整流锥的发动机结构，这种空气进口整流锥是六十年代由Rocketdy．ne公司的工程师们首创的。与现存的运载火箭中使用的火箭(使用钟形喷嘴以控制废气的膨胀)不同，线性空气进口整流锥把它的废气射过中心斜面。因为它们未被喷嘴封闭，所以废气在对斜面产生反作用力的同时能膨胀到外界的大气压。这种装配使发动机在所有高度时都在接近最大效率下运转[见框内说明]。

线性空气进口整流锥发动机对冒险之星也应是有益的，因为它们是沿火箭的背面广泛排列的。这种几何图形将使一定量的控制由调节各个发动机的油门完成，以获得不同数量的推进。在现有的运载火箭中，这种方向的控制需要在中心安装的发动机被固定到万向接头——能物理调节发动机方向的重型、高成本和复杂的机械装置上。省下万向接头将减少集中在小部分飞行器骨架上的推力而且也会减少重量。

复合材料在冒险之星中的广泛采用也应削减重量。例如，用石墨纤维合成物代替铝制造主要结构部件和火箭燃料罐原则上能降低火箭约15的空重。虽然这样减轻的重量，可能似乎不大，但送人轨道的负荷重量每减少1磅都会自动减少火箭必须携带的火箭燃料近8磅．火箭燃料减少意味着也能把燃料罐作得越小，这又会导致进一步减轻结构重量等。结果，最初的重量减少1磅可使重新设计的火箭在发射台上的重量约减轻40磅。

冒险之星也能被制造得比某些其它设计更轻，因为它的形状——叫航天航空两用机——产生显著的空气动力学升力。当较轻的飞行器在重返大气层开始减速时能在相对较高的高度滞留。这种高度的空气稀薄，使飞行器的加热相对较慢。因此，从轨道上返回所产生的突然加热效应比如象航天飞机这些更小型的飞行器所产生的同一效应小。重返大气层时在航天航空两用机周围形成的冲击波的形状也对遭受过高温度的表面积达到最小起作用。因此，用保护性隔热材料覆盖飞行器骨架的要求被降低，这使工程师们可利用更耐用、重量更轻的耐热材料。

在不降低强度和耐久性的前题下要使重量显著减轻对一级运载火箭的任何设计者来说都是一个令人生畏的技术难题。然而成功除只是带来降低成本和减少复杂性之外还有其它报偿：一级航天飞机在起飞前将启动它的全部发动机并进行运转，在此飞行器开始升高以前对机上的每一部动力装置都进行全面的功能测试。因此一级航天飞机在本质上应比多级火箭更加可靠．

而且，这种运载火箭将必需在发射后不久使它的发动机减速(否则对飞机骨架和有效负荷的加速力会变得过大而难以操纵)．大部分时间，发动机有效功率应是大大过剩．例如，在进入轨道的一瞬间，发动机应非常缓慢地运转，仅需最大推进力的30．因此可望冒险之星容许它的多个发动机之一关闭而不会发生意外事故：其它的发动机将直接加大油门而弥补这种损失．

虽然冒险之星后面总的哲理对未来明显地隐藏着很大的希望，但有许多设计的细节需要得到解决之后这种飞行器才能被建成．工程师们通过用计算机模拟新设计的装置或结构的性能可改进许多细节．但是没有比通过建造样机——X一33、——并试飞这种实际经验来检验这种设想和软件模拟更好的方法．

彩排

X一33将只有67英尺长，大致为计划的冒险之星尺寸的一半，而且它将不载人或负荷．它的任务仅仅是测试以空气人口整流锥发动机驱动的航天航空两用机性能将多么好．这个世纪之交的某个时候，X一3锵从加利福尼亚的爱德华空军基地起飞，并在关闭它的两个发动机之前几分钟加速上升．然后它将滑翔到约40海里(73公里)的最大高度，并返向地球，在重返最厚的大气层部分后滑行数百英里而着陆在适合地点．虽然它将从不到达轨道(它仅将获得所需速度的一半)，但它缩短的重返大气层过程实际上将承受十分大的应力，因为这种飞行器以很陡的角度穿过大气层．

为了防止重返大气层的加热作用，X一33将展示耐热金属瓦而不是现在排列在航天飞机下面的陶瓷瓦．这些金属瓦(已经在航天飞机的某些部位上被测试过)应比陶瓷需要的维修少得多．X一33将测试许多钛耐热结构”——这些部件不会经受瓷瓦的灼烧温度然而必须抵抗巨大的加热．X～33还将起由重量很轻的石墨复合物作成并用许多叶片修饰的火箭燃料罐的测试库的作用，这是一种以前从未在火箭上飞行过的结构．将在X一33上进行测试的另一个革新是高压电致动器对飞行控制表面的应用(它的维修应比一般使用的液压装置更简单)．

X～33是很大系列开拓性试验飞行器之适合的一种，以后会引人多种可供使用的航空飞行器和航天飞行器中．X～33成果——冒险之星和它的21世纪的姊妹飞行器一将很可能遵循相似的演变．这些航天飞行器和它们的后继者最终将与火车、汽车和飞机并列占有一席之地——今天的日常运输方式最初都被看作是奇异的、高成本的和只有有限的用途，但是当它们变得普通时，最终就改变了无数的生活方式．

外流式火箭

传统的火箭发动机采用钟形喷嘴以压住膨胀的废气并引导它们直接向后移动．为了达到最大的推力，这些气体只有在它们已膨胀到足够大以至它们的压力已降至与周围大气相匹敌的程度时才排出喷嘴．如果它们过快离开喷嘴(a)，那么能量因使气体(黄色)膨胀到火箭之后很远的地方而浪费掉。

因为运载火箭大部分时间在地球之上的高空运行，那里的空气压力相当低，为了获得高效要求对大量膨胀进行控制——即火箭需要大喷嘴．然而在海平面(b)这种大的钟形结构将扩散如此多的废气，以至它们的压力会完全降至周围大气压力之下(箭头)．之后此废气流往往与喷嘴壁分离，引起有危险的应力(红色)的扩大．因此，多级运载火箭的每一级都具有适合其运行高度所需尺寸的发动机钟形口．

为了设计从海平面封太空真空的整个行程都能安全和有效地运行的单发动机，Rocketdy．ne公司的工程师们于六十年代设计了一种新型的结构．实际上，他们把普通火箭喷嘴除掉一半并使它们向内倾斜，形成一个中心斜面(Centralramp)，即进口整流锥(spike)．因为废气暴露于大气中，所以在高度低的情况下，当它们冲落斜面(被定形为把废气直接往后引)时，它们仅膨胀到环境大气压力(c)．

在太空真空中，囤绕中心进口整流锥排列的燃烧室的废气膨胀到它们的自然极限，并在中心汇合，在它们之问形成捕集气体的空气动力学。气泡(d)。倾斜的几何形状确保了外面的气体仍直接向后流．此外这种空气动力学气泡(填充有少量从发动机泵入的气体)起着长的固体进口的整流锥相同的功能，这就是为什么推进器与斜面的结合被叫作“空气进口整流锥．

图1 冒险之星(-V~entureStar)在下一个世纪将是执行常规空间飞行任务、完全可重新使用的运载火箭．它将垂直起飞，把大量有效负荷货物或乘客送往轨道，再重返大气层韭滑翔至水平着陆．与现在所用的航天飞机或各种昂贵的运载火箭不同，冒险之星用一级火箭发动机就将到达轨道．

图2 六十年代建成的试验性飞机‘无翼X-24A'(WinglcssX一24A)被设计;均宇宙-高空飞行两用机(1油田gbody).设计只进行28次试验飞行.X-24A有助于开辟将有助于冒险之屋及其前身X-33的基础空气动力学设计.

图3 七十年代初在加利福尼亚州'1Rockctdync公司的圣苏|萨娜野外实验室线性空气进口整流锥发动机的试验点火.

图4 冒险之星航天航空两用机重返大气层特性曲线将与现在的航天飞机所遵循的特性曲线相当不同．冒险之星的空气动力学力与重量的较大比率允许它较长时问保持在很高高度的稀薄空气中．因此重返大气层的加热作用被更加延长，但远不如航天飞机那样猛烈．

图5 X-33样机将测试对冒险之星的成功起决定性作用的几个部件，其中包括线性空气人口整流锥发动机、火箭复合燃料罐、电气飞行控制装置和金属热保护瓦.