李瑞景

人類的飛天夢(mèng)想古已有之，只是古時(shí)缺少?gòu)?qiáng)有力的航天運(yùn)載工具而已。

1926年3月16日，美國(guó)著名物理學(xué)家戈達(dá)德在馬薩諸塞州發(fā)射了世界上第一枚現(xiàn)代火箭，從而邁出了人類追逐現(xiàn)代航天夢(mèng)的第一步。

1957年10月4日，蘇聯(lián)“衛(wèi)星號(hào)”運(yùn)載火箭將人類第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克”送入太空，拉開了美蘇兩大陣營(yíng)航天競(jìng)賽的序幕。

1982年，美軍退役中將格雷厄姆等學(xué)者撰寫的《高邊疆——新的國(guó)家戰(zhàn)略》一書問世，其精神內(nèi)核被時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)里根采納，成為著名的“星球大戰(zhàn)計(jì)劃”的藍(lán)本。

……

2018年6月18日，美國(guó)總統(tǒng)特朗普簽署“太空政策指令-3”，正式宣布組建美軍第六軍種——太空軍，“太空軍事化”已露端倪。

回顧第一枚現(xiàn)代火箭問世后的近百年航天史，我們不難發(fā)現(xiàn)，航天運(yùn)載器的發(fā)明為人類與太空之間搭建了橋梁，從而為開拓“高邊疆”提供了無限可能。人類在宇宙中也許只是渺小的存在，但不斷改進(jìn)的航天運(yùn)載器必能讓我們伸出雙手去擁抱更廣闊的未知世界。因此，了解航天運(yùn)載器這個(gè)幫助人類登天的“使者”十分必要。

運(yùn)載火箭技術(shù) 拉開人類航天序幕

“現(xiàn)代火箭技術(shù)之父”羅伯特·哈金斯·戈達(dá)德發(fā)明的液體火箭開創(chuàng)了歷史，但仍稍顯粗糙。第二次世界大戰(zhàn)中，德國(guó)利用戈達(dá)德的設(shè)計(jì)理念成功研發(fā)了V-2火箭，并將之運(yùn)用于實(shí)戰(zhàn)。戰(zhàn)后，德國(guó)科學(xué)家遭到美蘇兩國(guó)的“哄搶”，并直接助推了這兩個(gè)大國(guó)航天科技的迅猛發(fā)展。特別是那時(shí)的蘇聯(lián)，更是傾舉國(guó)之力投入到該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中。1957年8月21日，蘇聯(lián)突擊研制的洲際彈道導(dǎo)彈R-7（北約代號(hào)SS-6“警棍”）完成首次全程飛行試驗(yàn)。此后，由于要與美國(guó)爭(zhēng)奪太空主導(dǎo)權(quán)，蘇聯(lián)科學(xué)家在著名設(shè)計(jì)師科羅廖夫的帶領(lǐng)下對(duì)“警棍”進(jìn)行“簡(jiǎn)單粗暴”式的改裝，僅于6周之后的10月4日就誕生了世界上第一款運(yùn)載火箭——“衛(wèi)星號(hào)”，由此揭開了人類航天事業(yè)的新紀(jì)元。

將導(dǎo)彈改裝成運(yùn)載火箭，這種看似“簡(jiǎn)單粗暴”的操作，背后卻折射出蘇聯(lián)專家們極其大膽的開創(chuàng)設(shè)想，可謂獨(dú)具慧眼。這主要表現(xiàn)在：

首先，在當(dāng)時(shí)眾多的航天器中，僅有導(dǎo)彈升限才能滿足需要。飛機(jī)曾經(jīng)寄托了人類飛天的夢(mèng)想，可惜，其最大升限受到空氣密度等因素的制約——高度越高，空氣越稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量就越小。當(dāng)時(shí)飛機(jī)的飛行高度只能達(dá)到10千米左右，即便在今天，也不會(huì)超過30千米。而導(dǎo)彈則不然，即便是二戰(zhàn)時(shí)期德國(guó)的V-2火箭，也已經(jīng)可以輕易到達(dá)96千米的高度，而V-2還僅僅只是早期的單極火箭。

其次，以導(dǎo)彈技術(shù)為基礎(chǔ)研制運(yùn)載火箭具有巨大的開發(fā)潛力。不同于需要考慮氣動(dòng)布局的飛機(jī)，火箭作為一種飛出地球的運(yùn)載器，可以根據(jù)技術(shù)需要進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如通過多級(jí)火箭依次點(diǎn)火的方式，完成航天運(yùn)載任務(wù)。

再次，相似的結(jié)構(gòu)使得運(yùn)載火箭技術(shù)快速走向成熟。美蘇兩國(guó)一開始研制航天運(yùn)載器，確實(shí)是不計(jì)成本，只求載荷更大、升限更高。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，運(yùn)載火箭作為一種商品，它畢竟需要參與商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，因此必須具備良好的通用性，還要具備較好的經(jīng)濟(jì)性，降低發(fā)射耗費(fèi)，以免陷入拖垮自身的窘境。在這方面，導(dǎo)彈作為一種由軍事需要而研制的武器，本身就擁有技術(shù)性能和數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)，為運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展探索了最合理的結(jié)構(gòu)布局。從這個(gè)角度而言，從軍用洲際彈道導(dǎo)彈向運(yùn)載火箭的轉(zhuǎn)型，是軍民融合成功的典型案例。

此后，蘇聯(lián)在這條道路上越走越遠(yuǎn)，二者的通用性也越來越緊密。時(shí)至今日，蘇聯(lián)的繼承者——俄羅斯仍在延續(xù)這條路線。當(dāng)然，由于技術(shù)相對(duì)成熟，火箭也是各國(guó)進(jìn)行航天發(fā)射的主要工具。

航天飛機(jī)掀起飛天高潮

如果要問美蘇發(fā)展航天運(yùn)載器的“理念”有什么不同，那么“成本戰(zhàn)略”無疑是最根本的不同。美國(guó)人在初期的航天開拓中就發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)“嚴(yán)重?zé)X”的領(lǐng)域。僅從早期的水星計(jì)劃到雙子計(jì)劃，再到阿波羅登月計(jì)劃，美國(guó)就直接耗資達(dá)255億美元之巨，約占1972年美國(guó)當(dāng)年經(jīng)濟(jì)總量的0.57%，以及當(dāng)年科研預(yù)算的20%。再這么“燒”下去，會(huì)不會(huì)造成戰(zhàn)略透支，最終在兩極爭(zhēng)霸的格局中被自己打敗，這是擺在美國(guó)當(dāng)局面前不得不思考的問題。因此，就在“阿波羅計(jì)劃”取得輝煌成就之時(shí)，美國(guó)開啟了“可重復(fù)使用的航天運(yùn)載器”，也就是航天飛機(jī)的研制之路。當(dāng)然，“高大上”的航天飛機(jī)在研發(fā)階段也需要巨大的資金支撐。截至2011年，美國(guó)航天飛機(jī)計(jì)劃共花費(fèi)1960億美元，這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于14艘最新型的福特級(jí)航母的造價(jià)。

航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)上大致可分為前中后三個(gè)部分。

前端為頭錐及乘員艙兩個(gè)部分。頭錐作為航天飛機(jī)的最前端，承擔(dān)著排頭兵的作用，這就要求它必須能夠承受住大氣飛行中摩擦產(chǎn)生的高溫，還要具備讓飛機(jī)良好飛行的氣動(dòng)外形。乘員艙大致可分為三層，第一層為駕駛臺(tái)，有4個(gè)座位，承擔(dān)著航天飛機(jī)的駕駛功能。第二層為生活艙。不同于運(yùn)載火箭狹小的空間，航天飛機(jī)生活艙的內(nèi)置保障設(shè)備可謂“奢華”，太空旅客甚至可以在其中穿著普通的地面服裝。一般情況下艙內(nèi)可容納4～7人，緊急情況下也可容納10人。第三層為儀器設(shè)備艙，是航天飛機(jī)良好飛行的重要保障。

中段為航天飛機(jī)的有效載荷，是一個(gè)攜載量可達(dá)29噸以上的大型貨艙。艙內(nèi)一般會(huì)根據(jù)不同任務(wù)，裝載衛(wèi)星、空間實(shí)驗(yàn)室、大型天文望遠(yuǎn)鏡及深空探測(cè)設(shè)備等。同時(shí)，中段作為其頭尾相接的關(guān)鍵部位，也承擔(dān)著重要的支撐作用。

末端是航天飛機(jī)的動(dòng)力所在，安裝有三臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)、兩臺(tái)軌道發(fā)動(dòng)機(jī)，以及反作用控制系統(tǒng)。軌道發(fā)動(dòng)機(jī)主要是為其提供變軌等多種動(dòng)作所需的推力，反作用控制系統(tǒng)用來保持航天飛機(jī)的飛行穩(wěn)定和姿態(tài)變化。

2011年7月21日，隨著“亞特蘭蒂斯號(hào)”在美國(guó)佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心著陸，航天飛機(jī)完成了最后一次飛行。此時(shí)，美國(guó)人又將目光瞄準(zhǔn)了“未來運(yùn)載器”。

“未來運(yùn)載器”承繼人類太空夢(mèng)想

有人說，讓美國(guó)人放棄航天飛機(jī)的原因，主要是因?yàn)?003年“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)的失事事件。其實(shí)，在總計(jì)135次的飛行任務(wù)中，航天飛機(jī)的成功率還是相當(dāng)高的。更何況，“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)的失事原因并非是不可彌補(bǔ)的結(jié)構(gòu)性問題。其實(shí)，真正讓美國(guó)人放棄航天飛機(jī)的，很大程度上還是源于“成本戰(zhàn)略”。美國(guó)人發(fā)現(xiàn)，盡管航天飛機(jī)的軌道器部分可重復(fù)使用，但燃料箱還是只能使用一次，發(fā)射1千克載荷的成本仍然高達(dá)2.2萬美元。因此，早在尚未出事的1997年，美國(guó)宇航局就已頒布綱領(lǐng)性文件——《航空和航天技術(shù)——三項(xiàng)成果之柱》，稱必須把1千克載荷的成本控制在2200美元以下。此后，美國(guó)波音、洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼等航天巨擘紛紛提出各自的未來運(yùn)載器計(jì)劃。目前，美國(guó)的未來運(yùn)載器盡管尚未露出廬山真面目，但基本思路已經(jīng)初露端倪。

就在“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)失事的同一年，美國(guó)宇航局就完成了對(duì)新一代航天運(yùn)載器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的審核工作。該標(biāo)準(zhǔn)指出，未來運(yùn)載器需要具備以下四大性能：其一，可多次重復(fù)使用，并把這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)初步定在100次左右，此舉可大大節(jié)省航天成本。其二，高安全性能和低故障率，預(yù)計(jì)新一代航天運(yùn)載器故障率為萬分之一?？紤]到原來的“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)發(fā)射不到50次就出了問題，而“哥倫比亞號(hào)”更是以失事告終，這種“萬一”的故障率在理論和實(shí)踐上恐怕還有些距離。其三，既滿足民用，也滿足軍用，軍民共同研發(fā)使用可大大節(jié)約成本。在這點(diǎn)上，美國(guó)宇航局、空軍（未來的太空軍）已達(dá)成高度共識(shí)，雙方同意在技術(shù)、資金上通力合作。當(dāng)然，民用和軍用領(lǐng)域在許多方面是存在不同需求的，民用要求大載荷，每次能運(yùn)載30噸左右貨物，還要能讓宇航員自由往返，但對(duì)速度的要求不高。與之相反，軍用領(lǐng)域則對(duì)速度十分敏感，要求能以其為平臺(tái)，在2小時(shí)甚至是1小時(shí)內(nèi)攻擊到地球上任意一個(gè)角落。而對(duì)能否載人要求不高，載荷量也只需在10噸左右即可。其四，飛行救生系統(tǒng)，這主要是借鑒“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)失事，造成7名宇航員殞命的教訓(xùn)，要求未來航天器也能裝備有類似目前戰(zhàn)斗機(jī)那樣的逃生系統(tǒng)。

多年來，美國(guó)先后啟動(dòng)了“冒險(xiǎn)星”項(xiàng)目，X-33、X-34、X-37、X-43航天技術(shù)驗(yàn)證飛機(jī)，以及“獅身鷹頭獸像”雙級(jí)入軌航天運(yùn)載器設(shè)計(jì)方案等項(xiàng)目。與此同時(shí)，日本宇宙科學(xué)研究所的HSFD方案，以及意大利的PRODA航天飛行器計(jì)劃和FAST-2計(jì)劃都在緊鑼密鼓地進(jìn)行?？梢灶A(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，航天運(yùn)載器技術(shù)必將迎來新一輪的突破，并進(jìn)一步助推人類飛天的夢(mèng)想。