太空遨游的妙計之二

飛翔的翅膀

最為突出的發(fā)射器是X-33，它由位于加利福尼亞州帕姆代爾的洛克希德·馬丁公司的臭鼬工程隊(duì)研制，是NASA意圖把發(fā)射成本削減到1／10的聯(lián)合項(xiàng)目的一部分。X-33是一個大約有實(shí)驗(yàn)用航天器一半大小、用以測試一種直線噴管技術(shù)以及其他各種技術(shù)的發(fā)射器。在理論上，直線噴管能夠通過一個可以自動適應(yīng)不斷變化氣壓的發(fā)動機(jī)，來推動一個完全可以重復(fù)使用并且垂直起飛飛入軌道的航天器。但是X-33本身并不進(jìn)入軌道，它彌補(bǔ)了現(xiàn)有制造技術(shù)的缺陷。但還是有人提出懷疑，認(rèn)為它沒有辦法提供給NASA足夠的信息，以保證NASA盡快就是否繼續(xù)依賴現(xiàn)有的航天飛機(jī)直到2020年，還是在2012年淘汰這些昂貴的重負(fù)荷機(jī)器做出決斷。

制造發(fā)動機(jī)時遇到的困難使得X-33推遲了發(fā)射。NASA的首席工程師丹尼爾·R.馬爾維爾指出，對X-33的飛行測試會盡快完成，在做出建造完整的單節(jié)推進(jìn)軌道飛行器的決定前，仍需要一兩年的時間進(jìn)行研發(fā)。

其中存在一個問題，就是世界上沒有一個足夠大的蒸壓器來使全復(fù)合材料的液態(tài)氫氣罐密閉，此外，建造那些可以使航天器抵御熱量進(jìn)入的金屬瓦片也需要耗費(fèi)更大努力。來自國會研究服務(wù)中心的馬西婭·史密斯指出，“冒險星”被作為將來可能的國家發(fā)射系統(tǒng)，但是所需時間會很漫長，而且第一個“冒險星”航天器并不會攜帶人類。

現(xiàn)在，NASA在研究把人類和其他動物運(yùn)送到軌道上的可能性。一些可能用到的技術(shù)正在被稱為X-34的實(shí)驗(yàn)飛行器上研發(fā)，它會測試二節(jié)進(jìn)軌道技術(shù)以及一種新型的可重復(fù)使用的瓷磚。

展望X-33和X-34以后的技術(shù)，該機(jī)構(gòu)最近加大了對高超音速噴氣發(fā)動機(jī)的研究。自1994年11月國家太空飛船計劃被取消后，該項(xiàng)技術(shù)就一直落后。

這種被看成噴氣式飛機(jī)發(fā)動機(jī)變種的超音速燃燒沖壓式噴氣機(jī)，能像普通的噴氣式飛機(jī)那樣吸入空氣，而且可以以6馬赫的速度飛行，這就使得單節(jié)進(jìn)軌道的目標(biāo)指日可待。一些被稱為X-43的無人駕駛的超音速燃燒沖壓式噴氣機(jī)，其飛行的最高速度甚至可以達(dá)到10馬赫。

對于這些計劃所面臨的困難，NASA的加里·佩頓指出，關(guān)鍵是要使空氣進(jìn)入的速度足夠慢。從而使得燃料可以充分燃燒以產(chǎn)生推力，而又不能產(chǎn)生多余的熱量。從理論上講，這可以通過在空氣進(jìn)口制造沖擊波做到，但是這一過程卻會浪費(fèi)掉大量的能量。

一項(xiàng)可能的突破性發(fā)射技術(shù)是制造一種吸氣式發(fā)動機(jī)，它可以作為火箭來操縱，既能在較低速度時，也可以在空氣變得過于稀薄而無法吸入時使用。在那一高度，飛向太空的航天器速度極有可能達(dá)到10馬赫。

目前，這種以火箭為基礎(chǔ)的循環(huán)式發(fā)動機(jī)尚未通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，而且必須將它們設(shè)計為飛行器的一部分才能產(chǎn)生足夠的推力。

NASA最近為了實(shí)施其新的“未來X”計劃，與波音公司簽署了一份共同分擔(dān)費(fèi)用的合同，用以研發(fā)一種高科技飛行器來測試不同的超音速飛行技術(shù)。佩頓說，“如果一切順利”，使用聯(lián)合循環(huán)發(fā)動機(jī)的火箭的飛行測試可能會在4年后進(jìn)行。

一旦飛行器離開大氣層，并且飛行速度達(dá)到軌道速率(大約25馬赫)，那么太空工程所面臨的難題就完全不同了。這時候不再需要更大的推動力，因?yàn)轱w行器已經(jīng)脫離地球引力和空氣阻力。在這里，人們開發(fā)了許多種不同的方法，包括聲名赫赫的、在NASA“外太空1”號航天飛船上使用的離子發(fā)動機(jī)。其工作原理是通過帶高壓的電柵刺激推進(jìn)劑中的帶電原子(離子)，當(dāng)離子離開發(fā)動機(jī)時就會產(chǎn)生推動力。目前，氙燈是最受青睞的推進(jìn)劑。“外太空1”號的能量來自太陽能電池板，但是從理論上講，任何可以產(chǎn)生電能的方式都可以用來驅(qū)動一個離子發(fā)動機(jī)，它使得每千克推進(jìn)劑所產(chǎn)生的推動力，要比以往的化學(xué)型火箭大10倍。因此，即便離子發(fā)動機(jī)只能產(chǎn)生幾克的力量，但是理論上它們可以運(yùn)作多年而不間斷，從而使得航天飛船可以達(dá)到非常高的速度。NASA劉易斯研究中心的詹姆斯·索榮說，離子發(fā)動機(jī)可以使人們切實(shí)完成對天王星和海王星的探索任務(wù)，同時將會獲取比20世紀(jì)B0年代的“旅行者2”號更多的數(shù)據(jù)。

其他的推進(jìn)器

然而，離子發(fā)動機(jī)并不是唯一被考慮用于探索太陽系的空間驅(qū)動器?；魻栃?yīng)推進(jìn)器也可以給離子加速，但是沒有電柵。它們部分采用徑向磁場來指引離子，并且能產(chǎn)生更大的推進(jìn)力。NASA劉易斯中心的羅伯特·楊柯夫斯基測試了一個50千瓦的版本，發(fā)現(xiàn)研究模型與離子發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑同樣有效。目前這一技術(shù)主要應(yīng)用在近地空間，如果其功能得到改善，它們可以用于其他領(lǐng)域。

現(xiàn)在，美國政府已經(jīng)在一個典型的有效載荷上使用了此類發(fā)動機(jī)。而計劃提供管帶和全球電信服務(wù)的特里德西克公司，也會在其衛(wèi)星群上使用霍爾效應(yīng)推進(jìn)器。

光伏電池如今已經(jīng)被用于給所有的近地軌道衛(wèi)星提供能量，并且它們的功能還在進(jìn)一步完善：NASA已經(jīng)致力于開發(fā)一種新的包含無數(shù)可以把光線聚焦到光伏材料上的小鏡頭的設(shè)計，“外太空1”號正在測試這種類型。人們還希望，太陽能發(fā)電可以被用來提供更直接的推動力。美國空軍已經(jīng)斥資4800萬美元實(shí)施一個4年計劃，用以研發(fā)太陽能驅(qū)動的最后的火箭段，它可以只用化學(xué)火箭發(fā)射成本的一小部分就把衛(wèi)星從低軌道移送至靜止軌道上。

太陽軌道轉(zhuǎn)移飛行器用輕型的鏡子把太陽光轉(zhuǎn)移到石墨板塊上，可以使溫度達(dá)到2100℃，并使儲存的液氫蒸發(fā)，迅速擴(kuò)張的氣體便會提供推進(jìn)力。這一技術(shù)需要花費(fèi)3星期～8星期的時間才能把一個典型的有效載荷推進(jìn)到地球靜止軌道，但是它的質(zhì)量很輕，這意味著衛(wèi)星能夠用一個比較小型的火箭進(jìn)行發(fā)射。

波音公司的項(xiàng)目執(zhí)行經(jīng)理托馬斯·克斯勒指出，使用這一技術(shù)可以將發(fā)射費(fèi)用節(jié)約數(shù)千萬美元。但是，太陽的作用也只能發(fā)揮這么多，如果要探索比木星更遙遠(yuǎn)的行星，利用太陽能就變得很困難。

探索木星的“伽利略”計劃和探索土星的“卡西尼”計劃都采用的是放射性同位素?zé)岚l(fā)電機(jī)，利用钚238衰變產(chǎn)生的熱量來制造少量電力。但是，這種技術(shù)目前還不能大規(guī)模地用以產(chǎn)生更大的熱量。許多航天迷認(rèn)為，能夠在太空中運(yùn)作的核反應(yīng)堆可以解決這一問題。然而，由于核反應(yīng)堆的運(yùn)作會產(chǎn)生一些放射性廢物，主張利用空間核動力的支持者正在提出一種設(shè)計，這種設(shè)計可以在化學(xué)火箭上發(fā)射并且將一直處于休眠狀態(tài)，只有在到達(dá)遠(yuǎn)離地球的安全位置后它們才能被激活，因此它們并不會構(gòu)成威脅，從而避免核泄漏事故。有估計表明，核能驅(qū)動的火星旅程只需要花費(fèi)100天的時間，差不多是化學(xué)火箭預(yù)計要花費(fèi)時間的一半。

NASA的首席技術(shù)專家塞繆爾·文內(nèi)里指出，反應(yīng)堆可以提供電力以在火星上設(shè)立基地。反應(yīng)堆可以用多種方式產(chǎn)生推動力，詹姆斯·鮑威爾描述了一個可以直接產(chǎn)生推動力和進(jìn)行短期密集爆裂的反應(yīng)堆，并指出這種設(shè)計可以使人們把巖石樣品從冥王星帶回到地球。

把熱量轉(zhuǎn)化為電力從而給離子驅(qū)動器提供能量有多種不同的可應(yīng)用的計劃，比如霍爾效應(yīng)推進(jìn)器和一種新型的電力推進(jìn)劑。NASA先進(jìn)空間推進(jìn)系統(tǒng)項(xiàng)目前任經(jīng)理加里·班尼特指出：“你可以混合使用不同的反應(yīng)堆和推動理念。”

然而，任何與核能有關(guān)的東西意味著太空反應(yīng)堆將會面對巨大的政治障礙。令公眾感到費(fèi)解的是。NASA似乎并沒有在這個領(lǐng)域做過更多的努力。把我?guī)У斤w船上去

不管空間核動力最終是否被開發(fā)。具有創(chuàng)造性的工程師和科學(xué)家對于未來進(jìn)一步探索太陽系仍然充滿樂觀。

NASA前高層，現(xiàn)為一名咨詢師的伊凡·貝基認(rèn)為，只要付出持續(xù)不斷的努力，就可以在未來40年內(nèi)把發(fā)射成本從每千克2萬美元降低到每千克2美元。他甚至預(yù)言在10年內(nèi)，逐步完善的、可以完全重復(fù)使用的單節(jié)進(jìn)軌發(fā)射器就可以把成本降低1／10，而結(jié)合超音速發(fā)動機(jī)、火箭推進(jìn)技術(shù)以及新的高能推進(jìn)劑，便可以把速度再降低1／10。(貝基估計，可以1年飛行1000次可重復(fù)使用的單節(jié)進(jìn)軌飛行器，也可以把飛行成本降低到每千克200美元。)

貝基指出，采用磁懸浮彈射器的裝備，可以把火箭飛船像磁懸浮列車一樣停在軌道上。這種軌道一頭向上彎曲，可裝在山的一邊。由火箭驅(qū)動的飛行器可以先在軌道上加速，然后以聲速沿著著30°～40°的角度飛向天空。

在未來的20年里，貝基設(shè)想會研發(fā)出一種微波驅(qū)動的飛行器，這與倫斯勒理工學(xué)院的雷克·邁拉博所提出的設(shè)想異曲同工。這種飛行器的推動力來自所謂的磁流體動態(tài)作用力，當(dāng)導(dǎo)電性液體或氣體通過電磁場時就會產(chǎn)生這種作用力。這一工程面臨著巨大的障礙，但是許多研究過這種原理的人都認(rèn)為它在實(shí)踐中會行得通。因?yàn)樯涫芰恳馕吨梢圆挥脭y帶氧化劑或燃料，從而減少了地球引力的影響。貝基聲稱，激光或者微波驅(qū)動的航天器可以把發(fā)射成本降低到每千克20美元。

邁拉博和其他人認(rèn)為，可以通過太空太陽能發(fā)電站網(wǎng)絡(luò)來給射束能量驅(qū)動的飛行器提供支持。從理論上講，在太空中設(shè)立能量站有許多優(yōu)點(diǎn)：如果太陽照射到軌道上的它們所處的那部分位置時，它們就能接受到大量的光子。在一名叫做戴納·羅斯巴拉克的熱心人(他是加利福尼亞州代表和眾議院空間和航空小組委員會會長)的帶動下，NASA正在研究使太空能量站為地球上的用戶提供能量的提議。但是文內(nèi)里認(rèn)為，“過去的經(jīng)濟(jì)不足以支撐”這種技術(shù)的應(yīng)用，他還補(bǔ)充說，在低軌道中建造充氣式結(jié)構(gòu)的能量站也能在某種程度上降低成本。

軌道式的太陽能空間站，看上去像電影《獨(dú)立日》中的外星人飛碟，它們的能量如果能被航天器用以穿越大氣層的話，會具有更多的經(jīng)濟(jì)意義，這也是邁拉博的主張。

還有一些太空愛好者提出了使用繩子和長的連接電纜的可能性，它們在軌道上會有一些特殊的屬性。使得它們可以產(chǎn)生推動力。這種近乎怪異的想法并非毫無根據(jù)，因?yàn)檫h(yuǎn)離地球中心的物體如果要在軌道中運(yùn)行的話，就必須保持一種比靠近地球的物體運(yùn)行速度更慢的水平速度。因此，當(dāng)處于不同高度的物體用幾百米長的繩子連接起來的話，強(qiáng)大的力量可以使其處于一種壓力狀態(tài)。其他的物理原理，特別是角動量守恒定律，就可以應(yīng)用在被繩子拴住的物體上。結(jié)果就是，通過一些違反常理的力學(xué)現(xiàn)象，繩子可以像一個巨大的彈弓一樣在有效載荷間傳遞力，從而快速推動軌道之間的人造衛(wèi)星。

然而文內(nèi)里警告說，通了電的繩子雖然可以用來發(fā)電和產(chǎn)生提升力，但是預(yù)測和控制這種軌道中巨大的、多物體的系統(tǒng)仍然是個很大的挑戰(zhàn)。

太空繩理論甚至使得把整個地球沿著一條連接在赤道上某點(diǎn)的固定的線，與處于靜止軌道中的某一個衛(wèi)星相連成為可能，爬升設(shè)備可以沿著這條繩子爬到36000千米內(nèi)的任何高度，而只需要很少的能量。這樣的繩子現(xiàn)在還造不出來，因?yàn)樗惺艿牧α恳笏仨氂靡环N比凱夫拉爾材料更能負(fù)重的材料，而目前凱夫拉爾材料只能用以制造一些小規(guī)模的繩子。

但是貝基指出，巴基管可以用于制作這種繩子。巴基管是一種微觀纖維結(jié)構(gòu)，是將碳原子裝入直徑只有幾微米的管子中制作成的。他很有信心地預(yù)測說：“當(dāng)我們學(xué)會怎樣把它們做成繩子并將它們綁在一起時，我們就能夠做出負(fù)重量是現(xiàn)有材料600倍的繩子?！比绻@個設(shè)想能夠?qū)崿F(xiàn)，太空繩理論就可以變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。到那個時候，一個與地球相對位置保持不動的繩子系統(tǒng)，就可以把發(fā)射成本降低到每千克2美元。

如果這樣的計劃還不夠有雄心的話，一些科學(xué)家甚至在考慮能夠?qū)⒁凰逸d人太空飛船送到另一個星球的想法。在這方面最有影響力的想法是“光帆”。這樣的裝置也可能被用來在太陽系內(nèi)運(yùn)送貨物。也有人提出要挖掘核聚變的巨大的能量來推動太空探索事業(yè)的發(fā)展。盡管控制核聚變產(chǎn)生的有用的能量在地球上尚未實(shí)現(xiàn)，但是作為永恒的希望之泉，太空中的核聚變反應(yīng)堆能夠提供到達(dá)太陽系任何地點(diǎn)的足夠的能量。其他研發(fā)推進(jìn)技術(shù)的想法更為高瞻遠(yuǎn)矚，并且有人也提出進(jìn)行星際旅行：量子隱形傳態(tài)、蟲洞和動量消除法。

這些令人難以置信的想法似乎需要人們對物理學(xué)進(jìn)行全新的認(rèn)識，但以人類目前的知識還不能使這些理論實(shí)現(xiàn)。即便如此，認(rèn)真的科學(xué)家也在繼續(xù)尋找可以把這些理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的方法。如果他們成功的話，將會徹底顛覆我們對宇宙的看法。

誰又能說，這些理論永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn)呢?

鏈接

隨著維珍銀河航空公司所研發(fā)的“白騎士2”號雙機(jī)身太空母艦在美國的首次成功試飛，人類離個人商業(yè)太空游的夢想又更近了一步?？磥硖斟塾挝幢刂皇且粋€夢。

從2005年開始，維珍銀河就開始接受太空游的預(yù)訂。目前，已經(jīng)大約有250人與維珍銀河簽約，預(yù)約成為太空游乘客。目前。此種太空游團(tuán)費(fèi)為20萬美元起。分為3種預(yù)訂類型：第一種：確保為前100名進(jìn)入太空旅行的游客，需要交付全款20萬美元(此種方式已結(jié)束)；第二種：確保為維珍銀河太空游運(yùn)作第一年進(jìn)入太空旅游的游客，也就是約前1000名游客。需要交付10萬美元～17.5萬美元不等的訂金；第三種：在前一種游客出發(fā)后便能立即出發(fā)，需要交付2萬美元的訂金。每一艘太空母艦上將承載6名乘客、2名駕駛員。所有乘客需花費(fèi)3天的時間在NASTARCentre進(jìn)行所需的訓(xùn)練。必要的訓(xùn)練包括：重力離心機(jī)訓(xùn)練、無重力訓(xùn)練等。所有的乘客在參加訓(xùn)練之前都需要通過嚴(yán)格的體檢。