空天飛行前奏

　　空天飛機最初設(shè)想
　　1943年，二戰(zhàn)期間的德國，轟炸機工程師尤金·桑格爾提出亞軌道飛機的概念，并以桑格爾的名字命名。1905年9月22日，桑格爾出生于奧地利的波希米亞，曾在維也納技術(shù)大學(xué)土木工程系就讀。學(xué)生期間，他聽了火箭理論家赫爾曼·奧伯特的一堂課——“通過火箭進入太空和行星”，毅然改變專業(yè)方向，從土木工程轉(zhuǎn)向航空，夢想通過火箭進入太空和行星。他加入了德國的業(yè)余火箭社團和奧伯特火箭研究中心的宇航協(xié)會。
　　桑格爾的一篇論文《火箭動力飛行》，由于教授們認為太不切合實際、幻想而太奇異，遭到大學(xué)拒絕。他將畢業(yè)時，提交的是一篇世俗的關(guān)于土木工程學(xué)翼桁架的論文，才允許畢業(yè)。1933年，桑格爾的標題為《火箭飛行工程》的論文，又被拒絕發(fā)表。1936年，在奧地利雜志《弗盧格飛行》發(fā)表了《火箭飛行工程》。
　　這篇論文引起了德國的帝國航空部、德國空軍部、德國航空管理局的注意。桑格爾收到了一封電報：如果您正在尋找和實現(xiàn)理想，請到帝國空軍部報到。桑格爾有一個潛在的方法，完成建設(shè)遠程轟炸機，攻擊美利堅合眾國。桑格爾的驚人設(shè)想是遠程轟炸機從德國起飛，進入亞軌道，越過大西洋，到達美洲大陸，直到地球東部的太平洋降落。
　　1936年，桑格爾在呂訥堡灌木林地區(qū)領(lǐng)導(dǎo)火箭飛機開發(fā)團隊。他逐漸構(gòu)思一個火箭動力滑車，將自身具有火箭發(fā)動機的轟炸機推出，上升到空間的邊緣。
　　桑格爾與協(xié)助設(shè)計的女數(shù)學(xué)家艾琳·布雷特結(jié)婚。桑格爾與布雷特一起給希特勒秘密研究“銀烏”轟炸機。桑格爾設(shè)計了火箭發(fā)動機。在空間，飛機使用火箭發(fā)動機，將產(chǎn)生的100萬千牛的推力。他第一個建議和設(shè)計火箭發(fā)動機的冷卻方式、火箭的燃料循環(huán)、火箭發(fā)動機噴嘴冷卻。
　　1942年，德國空軍部為了有利于集中設(shè)計，取消了這個項目與其他更大膽的理論和經(jīng)過驗證的技術(shù)。桑格爾被送往柏林的德國滑翔機研究所。在那里，他的重要工作是研究沖壓發(fā)動機技術(shù)，一直到二戰(zhàn)結(jié)束。戰(zhàn)后，他為法國于1949年成立的宇宙航行聯(lián)合會工作。
　　桑格爾在法國期間，蘇聯(lián)情報人員試圖爭取他為蘇聯(lián)服務(wù)。斯大林對”銀烏”的設(shè)計報告十分感興趣和好奇，派他的兒子瓦西里和科學(xué)家格里高利說服他投奔蘇聯(lián)，但沒有成功。
　　1954年，桑格爾返回德國。3年后，他組建了著名的斯圖加特噴氣推進研究所。1961年～1963年，他埋頭設(shè)計空天飛機的沖壓火箭發(fā)動機，并擔(dān)任顧問，從未離開過繪圖板。桑格爾在此期間提出了創(chuàng)新理論：光子動力、星際與星際航天器推進等理論，包括太陽帆。
　　1964年2月10日，桑格爾死于柏林。他關(guān)于“銀烏”亞軌道飛機和空天飛機的理論、技術(shù)對“X-15”高超聲速飛機、“X-20”載人航天轟炸機等產(chǎn)生巨大影響，并最終影響到美國、蘇聯(lián)的航天飛機計劃，促進了人類航天的歷史進程。
　　“銀烏”是一架可以短距離起飛、長距離奔襲的亞軌道轟炸機，主要目標是轟炸美國、蘇聯(lián)，摧毀軍事基地、交通樞紐和軍工廠。當重磅炸彈鋪天蓋地襲擊美國時，美國人還不知道炸彈來自于何方。如果給“銀烏”裝上原子彈，華盛頓立刻夷為一片廢墟。桑格爾與布雷特為希特勒描繪了一個理想的轟炸路線圖。
　　“銀烏”亞軌道轟炸機開始沿著3千米長的鐵軌起飛。一個龐大的火箭動力“滑橇”，將“銀烏”以1930千米/小時的極限速度推入空中。一旦升空，“銀烏”就啟動火箭發(fā)動機，并繼續(xù)攀升沖出卡門線（卡門線：國際航空聯(lián)合會定義的大氣層和太空的界線，其高度為100千米，卡門線外即為太空），到達145千米的太空，以22100千米/小時（約6.1千米/秒）高速巡航?！般y烏”應(yīng)用“乘波”技術(shù)，當其逐漸滑翔下降到平流層時，隨著空氣密度的增加對飛機底部產(chǎn)生升力，最終導(dǎo)致它的“反彈”升高，并再次獲得高度。這種“乘波”飛行模式會一次一次地重演，波浪形前進。由于空氣阻力和地球引力，每次反彈將較前一次低一些。
　　科學(xué)家不得不佩服德國人的想象力和創(chuàng)造力。戰(zhàn)后，科學(xué)家通過數(shù)學(xué)分析、控制設(shè)計、計算分析，發(fā)現(xiàn)了“銀烏”設(shè)計上的一個錯誤。
　　“銀烏”飛機表面的溫度，遠遠高于桑格爾和布雷特的計算。如果根據(jù)兩位德國科學(xué)家的計算方法建造了“銀烏”，飛機的結(jié)構(gòu)、工藝就會存在嚴重的缺陷，出入大氣層時就會被摧毀。這個問題可以用隔熱層得到解決，但會減少飛機的有效載荷，裝載能力已經(jīng)很小了。
　　亞軌道飛行是指航天器到達太空中，軌跡相交在大氣層，因速度、高度和地球表面的引力，不能形成一圈完整的軌道。例如，一個物體從地球發(fā)射，達到海拔100千米以上軌跡，然后落回地球，被認為是一個亞軌道飛行。亞軌道飛行的特征如下：
　　1 高度：亞軌道飛行的一般定義為：到達高于海拔100千米以上，即卡門線以上的太空。美國軍方和美國國家宇航局認為飛行高度超過50英里，即80.47千米，也認為是太空飛行。
　　2 速度：美國的“太空船”號飛行器進入亞軌道的最高時速是1.1千米/秒，相比于軌道飛行，亞軌道飛行的速度較低，因此不能進行環(huán)繞地球的軌道飛行。
　　3 軌跡：由于亞軌道飛行不能環(huán)繞地球軌道飛行一圈以上，因此亞軌道飛行軌跡是一條曲線軌跡而不是整條的圓或橢圓軌跡。
　　4 飛行時間：亞軌道飛行的垂直高度不太高，如速度1千米/秒，飛行3分20秒。飛行階段之前和之后的時間能自由變化。例如洲際飛行助推階段需要3～5分鐘，自由落體的中程階段約25分鐘。以洲際彈道導(dǎo)彈例，它再入大氣層階段大約需要2分鐘，亞軌道飛行的飛機著陸時間需更長一些時間。
　　一些航天器和運載火箭是先進行了亞軌道飛行測試，后來才用于真正的太空飛行：有的航天器則是專門為亞軌道飛行設(shè)計的；如美國“水星-1”號載人飛船、X-15火箭動力驗證機、“太空船”號太空飛機和一些探空火箭等。由于亞軌道太空飛行速度較低，再入大氣層時不會產(chǎn)生很高的熱量。亞軌道飛行很適合洲際飛行，航天器通過自身的動力到達軌道高度，在運行不到一個完整的軌道周期而離軌。
　　亞軌道飛行主要用于洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射、科學(xué)實驗、航天器發(fā)射、軌道交通、太空旅游等等。由于目前亞軌道飛行相對成本高，可能最初僅限于價值很高的緊迫性的飛行任務(wù)，如郵件專遞航班、非常重要的商務(wù)飛行等，還有軍事上的快速反應(yīng)打擊任務(wù)等。
　　1944年初，德國一枚V-2火箭測試發(fā)射，達到了189千米的高度，第一次完成了亞軌道太空飛行。1944年9月8日，世界上第一枚V-2彈道導(dǎo)彈由德國成功發(fā)射，擊中英國倫敦。1944年9月，V-2彈道導(dǎo)彈下降階段達到4馬赫。
　　1949年2月24日，美國“保險杠-5”火箭從白沙試驗場發(fā)射，達到海拔399千米高度，速度約為2300米/秒，速度近7馬赫。
　　1987年5月15日，蘇聯(lián)第一枚也是唯一一枚“極地”號飛行器升空?！皹O地”號為黑色圓柱形，長37米，直徑4，1米，重量80噸。“極地”號因慣導(dǎo)故障未能進入軌道，僅到達亞軌道飛行的條件，后來墜毀于太平洋。這是有史以來最重的太空武器，也是發(fā)射進入亞軌道飛行的最巨大的物體。
　　2010年4月22日，美國第一架空天飛機X-37B升空試飛。這是空天飛機的首次軌道飛行任務(wù)，它于2010年12月3日返航。
　　1961年5月5日，美國宇航員搭乘“水星-3”號宇宙飛船完成首次載人亞軌道飛行，1963年7月19日，美國宇航局飛行員約瑟·沃克爾乘坐X-15飛機升空，成為第一位駕駛飛機進入近地空間的飛行員。
　　2004年6月21日，美國飛行員麥克·麥爾維爾駕駛“太空船-1”號飛機進入亞軌道，這也是全球第一次商業(yè)太空飛行。
　　過去由普通飛機創(chuàng)造的各種飛行速度、高度等世界紀錄，亞軌道飛行器可以輕松做到，也許一場創(chuàng)造新航空紀錄和新航天紀錄的競賽即將拉