前景廣闊的載人航天

□ 龐之浩

“云霄塔”空天飛機可在普通飛機跑道起飛，比航天飛機發(fā)射費用低

2012年6月16日～29日，中國圓滿完成了首次載人航天交會對接任務。按照中國載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，今后中國還將發(fā)射貨運飛船、天宮二號和三號空間實驗室，在太空建造60噸級大型空間站，并正在論證載人登月。

從世界載人航天發(fā)展的前景來看，除了充分利用已建成的國際空間站開展各種科學實驗和技術試驗外，一些航天大國和強國正在積極著手研制重型運載火箭和新型宇宙飛船，目的是近地軌道以遠的深空載人探索，如載人探測、登陸小行星和火星。另外，近地軌道載人航天正朝著商業(yè)化方向開展，太空旅游業(yè)也日益繁榮。能水平起降的空天飛機研制工作又東山再起，取得了重要的階段成果。

各國紛紛打造重型運載火箭

現在，美國、俄羅斯等國，把載人航天的目標都瞄準了月球、小行星和火星。為此，首先要研制出發(fā)射深空載人飛船的重型運載火箭。載人登月飛船一般在50噸左右，而且其奔月時的速度要求為10.9千米/秒，因此必須用近地軌道運載能力在60噸～120噸的重型運載火箭才能發(fā)射，發(fā)射載人小行星或火星飛船則需要運載能力更大的重型運載火箭。當年美蘇競爭載人登月時蘇聯之所以敗給美國，最重要的原因就是蘇聯研制的N1重型火箭4次發(fā)射均以失敗告終。

在重型運載火箭的研制方面，美國私營公司——太空探索技術公司一馬當先，于2011年4月5日率先宣布了研制“重型獵鷹”的計劃。“重型獵鷹”由標準的“獵鷹”9火箭捆綁兩個液體燃料的“獵鷹”9第1級作為推進級組成，起飛推力為1700噸。該火箭近地軌道運載能力達53噸，每次發(fā)射成本預計為8000萬～1.25億美元。它雖然無法一次發(fā)射月球任務所需的所有設備，但可以分批發(fā)射各種不同設備?！爸匦瞳C鷹”擬于2013年首次從加州范登堡空軍基地發(fā)射，隨后的發(fā)射任務將轉往佛羅里達州卡納維爾角進行。

太空探索技術公司還在考慮研制更為強大的火箭——“超級載重火箭”，其運載能力將達到170噸。借助于這種火箭，無論是重返月球，進軍火星或者其他更遠天體都沒任何問題。該公司已與美國航宇局簽署一份合約，探索研制“超級載重火箭”的可能性。

2011年9月14日，美國航宇局也正式對外公布了美國新一代重型運載火箭——“太空發(fā)射系統(tǒng)”的方案。該火箭的研制采取了一種漸進式發(fā)展模式，其初始方案的近地軌道運載能力為70噸，改進后將達到130噸，可用于向近地軌道及更遠的空間發(fā)射多用途乘員飛行器和大型有效載荷，以滿足載人登陸小行星、載人進入火星軌道等深空探測的任務需求，和國際空間站商業(yè)乘員運輸系統(tǒng)的備份運輸工具。

“太空發(fā)射系統(tǒng)”芯級直徑8.38米、采用航天飛機主發(fā)動機RS-25D/E，初始運載能力70噸的重型火箭使用3臺，改進后運載能力130噸的重型火箭使用5臺。其上面級由1臺J-2X氫氧發(fā)動機提供動力。初始運載能力的火箭采用5段式航天飛機固體火箭助推器，改進后運載能力的火箭采用固體或液體助推器，目前多種助推器方案還在論證過程中。其首次試射計劃在2017年。

一個國家進入太空的能力在很大程度上決定了其空間活動能力以及空間應用水平。我國發(fā)展重型運載火箭的初步總體方案，近地軌道運載能力130噸，具備一次發(fā)射將3人以上有效載荷送上月球，并從月球安全返回的能力。

新型飛船性能優(yōu)異

目前，美國、俄羅斯正在研制新型宇宙飛船，其中新型載人飛船的共同特點是：一是用途廣，一船多用，可以飛往空間站、月球、小行星和火星；二是可以重復使用，目前的宇宙飛船都是一次性使用的，所以成本高，可重復使用10次的載人飛船可以大大降低成本；三是運載能力大大增加，每次可以運送4人～7人。

美國洛馬公司正在研制的“獵戶座”多用途乘員飛行器采用類似“阿波羅”飛船的艙段構型，尤其是其乘員艙和“阿波羅”飛船的指令艙異常相似，為圓錐形，只是艙內空間比“阿波羅”指令艙大1倍。“獵戶座”采用太陽能電池翼供電，所以功率大，時間長?！矮C戶座”由服務艙、乘員艙、發(fā)射異常中斷系統(tǒng)以及飛船適配器組成，擬于2018年以后投入使用。

洛馬公司擬用2艘對接在一起的“獵戶座”進行載人登小行星。這2艘“獵戶座”同時發(fā)射，其中1艘是載人的主“獵戶座”飛船，另1艘是攜帶絕大部分的消費品。在到達小行星上空時，1名航天員將穿艙外航天服出艙，并通過載人機動裝置漂浮到小行星上采集樣本，用科學儀器進實驗，另1名航天員留在艙內進行指揮。任務完成后，出艙航天員回到載人的主“獵戶座”，然后主副“獵戶座”飛船分離，載人的主“獵戶座”飛船發(fā)動機點火返回地球，無人的副“獵戶座”飛船繼續(xù)進行小行星的科學觀測。采用2艘“獵戶座”飛船對接的方案可以節(jié)省下大量的時間和成本。

其他的美國新型宇宙飛船由私營公司研制，采用商業(yè)運輸模式運營，具有效率高、成本低、功能強、周期短等特點，用于滿足近地軌道天地往返的需求。

乘員航天運輸—100飛船透視圖

對接在一起的2艘“獵戶座”飛船用于載人登陸小行星活動示意圖

俄羅斯“新一代載人航天運輸系統(tǒng)”飛向“國際空間站”示意圖

2012年5月25日，世界首艘商業(yè)飛船——“龍”船正由國際空間站的加拿大機械臂2號移向與空間站對接的和諧號節(jié)點艙2對接口

俄羅斯首個太空旅館壽命能達到5年

2012年5月25日，美國太空探索技術公司研制的“龍”飛船首次與“國際空間站”對接，送去了一些貨物?！褒垺憋w船分載貨型和載人型兩種，所以既可運貨物，也能運乘員。載貨型“龍”飛船能向空間站運送6000 千克有效載荷，運回3000千克有效載荷；載人型“龍”飛船最多可將7名乘員送至近地軌道。 “龍”飛船頭錐部裝有標準的國際空間站通用停泊裝置，能被空間站遙控機械臂系統(tǒng)捕獲。這種方式減少了飛船上對接系統(tǒng)的重量、成本和復雜性。載貨型“龍”飛船已于2012年開始使用，載人型“龍”飛船將于2015年首次升空。

美國波音公司正在乘員航天運輸-100飛船。該飛船外形類似于錐形的“阿波羅”或“獵戶座”飛船，但體積比“獵戶座”稍小，比“阿波羅”稍大，能夠乘坐7人，但空間狹小，不如“獵戶座”那么寬敞。首艘乘員航天運輸-100載人飛船有望在2014年從佛羅里達州發(fā)射。不過，美國航宇局不是乘員航天運輸-100飛船唯一的用戶，該飛船還將為比格羅航天公司正在開發(fā)的私營充氣式太空旅館提供天地往返運。

俄羅斯正在研制“新一代載人航天運輸系統(tǒng)”，首次載人任務計劃在2018年進行。它能運載6人和500千克貨物到近地軌道。它易于改裝進行不同組合，有“繞地型”和“月球型”兩種。其乘員艙擬采用可重復使用的防熱瓦，而美國的“獵戶座”防熱材料采用阿波羅時期的燒蝕性絕熱系統(tǒng)。2009年10月28日，俄羅斯還宣布將研制核動力宇宙飛船，這種飛船配置的核反應堆功率將達兆瓦級，能降低飛船發(fā)射和運行時的能耗，滿足載人火星探測、星際旅行和為空間站提供服務的需要。

太空旅游方興未艾

說起到太空去旅游，不少人以為這是夢想，其實它已經開始變?yōu)楝F實。從2001年世界第1名太空游客蒂托乘俄羅斯飛船上天并進入國際空間站開始，已有8人次到太空旅游。但是這種到地球軌道旅游的價格可不菲，1次太空游需花幾千萬美元。不過別著急，太空旅游的門檻即將大大降低，因為全球首家私人太空旅游公司——英國維珍銀河航天公司擬于2013年推出亞軌道旅游業(yè)務，屆時太空游客乘“太空船”2號體驗太空飛行只需要花20萬美元就可以了。

亞軌道飛行旅游就是用旅游飛船把游客送到100千米高的太空邊緣后馬上返回地面，即游客乘坐飛船做近似于直上直下的拋物線飛行。采用這種飛行方式，可使游客既能感受幾分鐘的失重，也可目視長達數千千米的地球弧線表面，欣賞美麗的地球，而且費用比軌道飛行便宜的多，1次飛行約20萬美元，并隨著大規(guī)模開展，還有可能降到10萬美元，現已有幾百人報名，包括幾名中國人。

俄羅斯還擬開展太空行走旅游和月球旅游。太空行走旅游是在軌道飛行旅游費用的基礎上要再交1600萬美元，就可在1名職業(yè)航天員的陪護下在太空行走90分鐘。月球旅游的時間為2周，游客搭乘聯盟號系列飛船升空后先前往國際空間站；在站內停留1周之后再乘坐“聯盟”號系列飛船前往月球，大約1周后返回。不過，搭乘“聯盟”號系列飛船的月球觀光客不在月球表面著陸,只對月球進行近距離參觀，費用為1.5億美元,《阿凡達》導演卡梅隆已報名。

“太空船二號”的母機“白騎士二號”

另外，美國和俄羅斯都在計劃建造太空旅館，2020年前運營，住24小時的費用為400萬美元。太空旅館的可靠與舒適性遠高于目前的空間站，每個客房不但為旅客們提供了大型觀景舷窗，在旅館的監(jiān)控室中還配有雙筒望遠鏡和相機，旅客們可以借此盡情享受美麗的地球景色和星系并拍照留念。另外，太空游客可以選擇垂直床或者水平床，并有全密閉式的淋浴間，它能夠有效防止水珠四處亂飛，以防止水流進不該去的地方。太空旅館上的食物更加精細，旅客們可以便捷地吃上小牛肉燉野蘑菇、豌豆泥、土豆湯和果盤等豐盛的食物。太空旅館內裝有冰箱，旅客們可輕松喝到冰茶、礦泉水和果汁等多種冰鎮(zhèn)飲料。旅館內的空氣總是新鮮的，因為空氣過濾系統(tǒng)會除掉艙內的異味和細菌。

空天飛機又見曙光

近日，英國正在研制的航空航天飛機——空天飛機“云霄塔”實現了重大突破，成功測試了“云霄塔”空天飛機的發(fā)動機?！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”被認為是實現人類太空旅行夢想的航天器

美國新一代重型運載火箭——“太空發(fā)射系統(tǒng)”

空天飛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象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。

美國“比格羅”號太空旅館在軌飛行示意圖

鏈接：有很多媒體將美國發(fā)射的X-37B稱為空天飛機，這是不準確的。因為X-37B的發(fā)射方式和航天飛機一樣，依靠火箭發(fā)動機進行垂直發(fā)射，所以它是一種小型航天飛機，而不能算空天飛機。

“重型獵鷹”發(fā)射示意圖

不過，因為空天飛機的技術十分復雜，以致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”比美國航天飛機大許多，長90米、翼展25.4米，理論起飛質量約345噸，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。 它可以搭載大約30名乘客。由于能重復使用，其每次飛行的費用約945萬美元，航天飛機每次發(fā)射費用為4億～5億美元。

“云霄塔”在降落后兩天內可以實現再次起飛，每架可以完成大約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濟、更便捷。它有望到2016年時開始亞軌道試飛，到2018年實現軌道試飛，到2020年能夠實現商業(yè)運營。

據稱，“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?9千米高空飛行，速度是音速5倍，4個小時內可抵達世界任何角落。

此外，具有科幻色彩的太空電梯將逐漸向現實過度，有望在本世紀問世。今后還可能建造太空城、月球基地，甚至把火星改造成人類第2個家園，等等……