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  庞之浩

  新闻背景

  1992年9月,我国载人航天工程正式实施,到现在已整整20周年,并取得了令世人瞩目的成就。而从世界载人航天发展的前景来看,无论是重型火箭研制还是新型飞船开发,乃至空天飞机新概念的实施,都在酝酿着更大的突破。

  重型运载火箭

  瞄准月球火星

  现在,美国、俄罗斯等国,把载人航天的目标都瞄准了地球近地轨道以远的月球、小行星和火星。为此,首先要研制出发射深空载人飞船的重型运载火箭。

  为了能够在月球着陆和从月球返回地球,载人登月飞船一般重量在50吨以上,而且其奔月时的速度要求为10.9千米/秒,因此必须用近地轨道运载能力在60吨至120吨的重型运载火箭才能发射,发射载人小行星或火星飞船则需要运载能力更大的重型运载火箭。当年美苏竞争载人登月时前苏联之所以败给美国,最重要的原因就是前苏联研制的N1重型火箭连续4次发射都失败了。

  近年,在重型运载火箭的研制方面,美国私营公司——太空探索技术公司一马当先,于2011年4月5日率先宣布了研制“重型猎鹰”的计划,抢了美国航空航天局的风头。该火箭近地轨道运载能力达53吨,但运送成本只需大约8000万至1.25亿美元。它拟于2013年首次从加州范登堡空军基地发射,随后的发射任务将转往佛罗里达州卡纳维尔角进行。它虽然无法一次发射月球任务所需的所有设备,但可以分批发射各种不同设备到近地轨道,然后对接在一起飞往月球。

  太空探索技术公司还在考虑研制更为强大的火箭——“超级载重火箭”,其运载能力将达到170吨。借助于这种火箭,无论是重返月球,进军火星或者其他更远天体都没任何问题。该公司已与美国航空航天局签署一份合约,探索研制“超级载重火箭”的可能性。

  2011年9月14日,美国航空航天局也正式对外公布了美国新一代重型运载火箭——“航天发射系统”的方案。该火箭的研制采取了一种渐进式发展模式,采用了航天飞机技术。其初始方案的近地轨道运载能力为70吨,改进后将达到130吨,可用于向近地轨道及更远的空间发射多用途乘员飞行器和大型有效载荷,以满足载人登陆小行星、载人进入火星轨道等深空探测的任务需求。其首次试射计划在2017年。

  我国龙乐豪院士等火箭专家,在2011年出版的《国际太空》杂志上发表了有关我国发展重型运载火箭的初步总体方案:近地轨道运载能力130吨,具备一次发射将3人以上有效载荷送上月球,并从月球安全返回的能力。重型运载火箭还可用于无人火星探测、载人登陆火星和建造空间太阳能电站等。

  新型载人飞船各有妙处

  目前,美国、俄罗斯正在研制新型宇宙飞船,其中新型载人飞船具有以下共同特点:一是用途广,一船多用,可以飞往空间站或月球、小行星和火星;二是可以重复使用,目前的宇宙飞船都是一次性使用的,所以成本高,可重复使用10次的载人飞船可以大大降低成本;三是运载能力大大增加,每次可以运送4至7人。

  美国航空航天局已出资让美国洛马公司研制“猎户座”多用途乘员飞行器。它采用类似以前“阿波罗”飞船的舱段构型,尤其是其乘员舱和“阿波罗”飞船的指令舱异常相似,为圆锥形,只是舱内空间比“阿波罗”指令舱大1倍。“猎户座”拟于2018年以后投入使用,主要用于近地轨道以远的载人航天探索。

  洛马公司拟用2艘对接在一起的“猎户座”进行载人登小行星。这2艘“猎户座”同时发射,其中1艘是载人的主“猎户座”飞船,另1艘是携带绝大部分的消费品。在到达小行星上空时,1名航天员将穿舱外航天服出舱,并通过载人机动装置漂浮到小行星上采集样本,用科学仪器进行实验,另1名航天员留在舱内进行指挥。任务完成后,出舱航天员回到载人的主“猎户座”,然后主副“猎户座”飞船分离,载人的主“猎户座”飞船发动机点火返回地球,无人的副“猎户座”飞船继续进行小行星的科学观测。采用2艘“猎户座”飞船对接的方案可以节省下大量的时间和成本。“猎户座”载人飞船预计2025年飞往小行星,2035年后飞往火星。

  2012年5月25日,美国太空探索技术公司研制的载货型“龙”飞船首次与“国际空间站”进行对接,送去了一些货物。 “龙”飞船不仅可以客货两用,而且不像一般飞船只能使用1次,而是可以重复使用。载人型“龙”飞船将于2015年首次升空,最多可载6人。

  美国内华达山脉公司正在研制的“追梦者”是双翼航天飞机,类似于迷你航天飞机。它虽然也需要垂直发射升空,但同时又可以像普通客机一样水平降落在传统飞机跑道上,预计将在今年进行无人测试。

  2009年10月28日,俄罗斯宣布将研制核动力宇宙飞船,这种飞船配置的核反应堆功率将达兆瓦级,能降低飞船发射和运行时的能耗,满足载人火星探测、星际旅行和为空间站提供服务的需要。

  空天飞机新概念又见曙光

  近日,英国正在研制的航空航天飞机——空天飞机“云霄塔”实现了重大突破,成功测试了“云霄塔”空天飞机的发动机。“云霄塔”在大气层内飞行时,其上的发动机能将氢与空气混合燃烧;出了大气层以后,可将氢与液氧混合燃烧。所以,“云霄塔”被认为是实现人类太空旅行梦想的最佳航天器。

  空天飞机是航空飞机和航天飞机的“混血儿”,因为它同时装有航空发动机和火箭发动机,所以在大气层内飞行时可像普通飞机一样在跑道上水平起飞,用航空发动机提供动力,按航空飞机方式飞行和操纵;在大气层外飞行时则由火箭发动机提供动力,按航天器方式飞行和操纵。这样做的好处是,它在大气层内飞行时可用空气中的氧做氧化剂,因而能大大减少整个飞机的氧化剂装载量,使飞机的质量和体积大大减少。此外,由于它可像普通飞机一样完全重复使用,且能水平起飞,这样就省去垂直发射所需的复杂设备。

  需要指出的是,有很多媒体将美国发射的X-37B称为空天飞机,这是不准确的。因为X-37B的发射方式和航天飞机一样,依靠火箭发动机进行垂直发射,所以它是一种小型无人航天飞机,而不能算空天飞机。

  因为空天飞机的技术十分复杂,以致各种方案都没有实质性成果,所以提出后又都纷纷下马了,只有“云霄塔”方案仍在悄然进行。

  “云霄塔”比美国航天飞机大许多,长90米、翼展25.4米,理论起飞质量约345吨,是世界上首个采用混合动力发动机的天地运输器,这种混合发动机在技术上已取得新的突破。它可以搭载大约30名乘客。由于能重复使用,其每次飞行的费用约630万英镑(合945万美元),而目前运载火箭每次发射费用为5000万美元左右,航天飞机每次发射费用为4亿至5亿美元。

  “云霄塔”在降落后两天内可以实现再次起飞,每架可以完成大约200次飞行任务。其发射成本低的优势将使未来的太空旅行更经济、更便捷。它有望到2016年时开始亚轨道试飞,到2018年实现轨道试飞,到2020年能够实现商业运营。

  据称,“云霄塔”不仅能取代航天飞机,而且有望将太空旅行提升到新高度。“云霄塔”可在地面以上29千米飞行,速度是音速5倍,4个小时内可抵达世界任何角落。