航天飛機(jī)要“重出江湖”？

文/ 蘭順正

近日，有俄羅斯火箭航天業(yè)消息人士對(duì)衛(wèi)星通訊社稱，俄羅斯“閃電”科研生產(chǎn)聯(lián)合體將為商用市場(chǎng)研發(fā)微型航天飛機(jī)。因此，有關(guān)專家預(yù)測(cè)，航天飛機(jī)有可能再次成為航天領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一。

三十年輝煌終成過(guò)去

航天飛機(jī)是以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，可重復(fù)使用的航天器，一般由軌道器、外貯箱和固體助推火箭助推器等部分組成，既能像火箭一樣垂直起飛，像太空飛船一樣在軌道上運(yùn)行，又能像飛機(jī)一樣水平著陸。

在航天飛機(jī)研發(fā)方面，美國(guó)無(wú)疑是其中的翹楚。美國(guó)國(guó)會(huì)于1972年年初批準(zhǔn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)采用Space Shuttle方案。歷時(shí)9 年，花費(fèi)約100億美元，1981 年4月美國(guó)第一架航天飛機(jī)哥倫比亞號(hào)飛上了太空。直至2011年，美國(guó)在30年內(nèi)研制生產(chǎn)了5架航天飛機(jī)，分別是“哥倫比亞號(hào)”“挑戰(zhàn)者號(hào)”“發(fā)現(xiàn)號(hào)”“阿特蘭蒂斯號(hào)”和“奮進(jìn)號(hào)”。

美方一開始鐘情于航天飛機(jī)的主要原因之一，是希望航天飛機(jī)可重復(fù)利用的特性能使得發(fā)射成本控制在單次5400萬(wàn)美元左右，但隨后的事實(shí)卻大相徑庭。截止2011年的統(tǒng)計(jì)顯示，美國(guó)航天飛機(jī)計(jì)劃共花費(fèi)1960億美元，其中每架航天飛機(jī)的造價(jià)約為120億美元，單次發(fā)射的費(fèi)用約為4億5千萬(wàn)美元，超預(yù)算近10倍。而且航天飛機(jī)返回后還要進(jìn)行大量費(fèi)時(shí)費(fèi)力的檢修，老化程度也比預(yù)期的要快，這些都讓美國(guó)宇航局的財(cái)政不堪重負(fù)。再加上航天飛機(jī)的安全性很成問(wèn)題，“挑戰(zhàn)者號(hào)”和“哥倫比亞號(hào)”先后機(jī)毀人亡，造成14名航天員遇難，因此2011年7月21日美國(guó)阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)完成了“謝幕之旅”后，航天飛機(jī)不得不退出了歷史舞臺(tái)。

▲ 美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)

▲ 美國(guó)航天飛機(jī)發(fā)射升空

不過(guò)，航天飛機(jī)雖然沒能把發(fā)射費(fèi)用大幅降低，但是它的一些特性還是為人所稱道的。相比其他航天器，航天飛機(jī)具有容積廣、可載人員多，以及有效載荷量大等特點(diǎn)。

以美國(guó)航天飛機(jī)為例，其軌道器全長(zhǎng)37.24米，起落架放下時(shí)高17.27米；三角形后掠機(jī)翼的最大翼展23.97米；不帶有效載荷時(shí)質(zhì)量68噸，飛行結(jié)束后攜帶有效載荷著陸的軌道器質(zhì)量可達(dá)87噸 。一般情況下可容納4~7人,緊急情況下也可容納10人。航天飛機(jī)中部的有效載荷艙長(zhǎng)18米，直徑4.5米，容積300立方米，一次可攜帶質(zhì)量達(dá)29噸多的有效載荷，艙內(nèi)可以裝載各種衛(wèi)星、大型天文望遠(yuǎn)鏡和各種深空探測(cè)器等。為了在軌道上施放所攜帶的有效載荷或回收軌道上運(yùn)行的有效載荷，艙內(nèi)設(shè)有遙控機(jī)械手，在失重條件下可以迅速而靈活地載卸10噸多的有效載荷。由于“肚大能容”，多年來(lái)航天飛機(jī)在在軌服務(wù)領(lǐng)域表現(xiàn)出眾，不但頻繁在天地間運(yùn)載人員和貨物，還在太空進(jìn)行了大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間研究工作。另外，在大型航天器修理、建造空間站等項(xiàng)目上，航天飛機(jī)也是出力甚巨。

▲ 經(jīng)過(guò)206分鐘的飛行后，暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)成功降落

鑒于航天飛機(jī)的巨大實(shí)際作用以及政治象征意義，蘇聯(lián)也出臺(tái)了自己的“暴風(fēng)雪”航天飛機(jī)計(jì)劃，并制造了暴風(fēng)雪號(hào)和小鳥號(hào)兩架航天飛機(jī)。其暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)長(zhǎng)36.37米、高16.35米，翼展23.92米，機(jī)身直徑5.6米，起飛質(zhì)量105 噸，外形和美國(guó)航天飛機(jī)相似，設(shè)計(jì)運(yùn)載人數(shù)為10人，設(shè)計(jì)飛行壽命100次。1988年11月15 日，暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)搭乘能源號(hào)運(yùn)載火箭從拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)起飛進(jìn)行無(wú)人測(cè)試，用時(shí)206分鐘圍繞地球飛行兩圈后返回發(fā)射場(chǎng)著陸跑道。這既是暴風(fēng)雪號(hào)的首航，也是唯一一次飛行，之后由于蘇聯(lián)政局波動(dòng)和缺乏資金，航天飛機(jī)項(xiàng)目被叫停，后來(lái)隨著蘇聯(lián)的解體，1993年俄羅斯徹底終止了航天飛機(jī)計(jì)劃。

▲ 1988年11月15日，蘇聯(lián)暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)準(zhǔn)備發(fā)射

▲ 廠房中的暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)

無(wú)人版航天飛機(jī)再受熱捧

近年來(lái)，隨著人類太空活動(dòng)的日益增加，可重復(fù)使用航天技術(shù)的熱度也逐漸上升，航天飛機(jī)這類航天器也開始重新受到重視。同時(shí)，為了避免再次踏入成本的陷阱，無(wú)人機(jī)化成為了主要趨勢(shì)。

當(dāng)前，美國(guó)研制的X-37B可重復(fù)使用航天器是世界上第一款最接近傳統(tǒng)航天飛機(jī)的飛行器。

X-37B的尺寸約為航天飛機(jī)的1/4，質(zhì)量為4989.5千克，長(zhǎng)8.8392米，翼展約4.572米，高2.926米，其有效載荷估計(jì)在227千克左右，發(fā)射方式采用火箭垂直發(fā)射,并置于火箭頂端的整流罩內(nèi)。美國(guó)研制出的第一架X-37B于2010年正式起飛實(shí)驗(yàn)，至今已經(jīng)執(zhí)行多次飛行任務(wù)。

相比傳統(tǒng)航天器，X-37B具有以下特征：一是在軌時(shí)間長(zhǎng)，航天飛機(jī)在軌時(shí)間一般只有15天左右，而X-37B的在軌巡航時(shí)間為200~600天或更長(zhǎng)。二是變軌能力強(qiáng)，根據(jù)波音公司公布的技術(shù)資料，X-37B能飛行在176~800千米的近地軌道，以第一宇宙速度7.9千米/秒的高速飛行，繞地球飛行一圈的時(shí)間為90分鐘，重訪同一地點(diǎn)的時(shí)間為4天。這意味著X-37B的變軌能力、機(jī)動(dòng)性比一般可變軌衛(wèi)星更快、更便捷，具有多軌道能力。

而歐空局對(duì)航天飛機(jī)的相關(guān)探索研究也從未間斷過(guò)。雖然當(dāng)年其研制的赫爾墨斯號(hào)航天飛機(jī)沒有成為現(xiàn)實(shí),但歐空局仍然通過(guò)一系列項(xiàng)目持續(xù)開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與試驗(yàn)驗(yàn)證,如大氣層再入試驗(yàn)飛行器項(xiàng)目、過(guò)渡試驗(yàn)飛行器項(xiàng)目等。

2015 年 2 月 11 日,歐空局用于驗(yàn)證大氣層再入技術(shù)的“迷你航天飛機(jī)”——IXV,由織女星運(yùn)載火箭從法屬圭亞那庫(kù)魯航天中心發(fā)射升空。該飛行器長(zhǎng)約 5 米,高 1.5米,寬 2.2 米,重量約 1.85 噸。 最終飛行器在升空 100 分鐘、累計(jì)飛行 2.5 萬(wàn)公里之后,借助降落傘濺落在了太平洋中,并由回收船打撈回收。

▲ “太空騎士”是一種小型航天飛機(jī)，體型預(yù)計(jì)要比 IXV 稍微大一些

▲ 歐空局的“迷你航天飛機(jī)”IXV成功返回地球

2017年，艾維歐公司和“泰·阿”空間公司啟動(dòng)了“太空騎士”的研制工作?！疤镇T士”是一種小型航天飛機(jī)，體型預(yù)計(jì)要比 IXV 稍微大一些，不僅能為歐洲用戶提供能量、控制、數(shù)據(jù)處理和遙測(cè)等服務(wù)，還能滿足載荷多樣化的軌道高度和傾斜度需求，用于開展微重力實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)地觀測(cè)、科學(xué)、通信和機(jī)器人探索技術(shù)。該航天飛機(jī)由可重復(fù)使用再入艙、一次性使用服務(wù)艙和推進(jìn)系統(tǒng)3部分組成。再入艙由“泰·阿”空間公司負(fù)責(zé)制造，采用升力體設(shè)計(jì)，可重復(fù)使用6次，能裝載800千克有效載荷，在軌飛行時(shí)間超過(guò)2個(gè)月。在2020年底，歐空局同泰雷茲·阿萊尼亞空間意大利公司和艾維歐公司正式簽署了2億美元的合同，要求按2023年年中到年底發(fā)射的進(jìn)度，安排交付歐洲首架“太空騎士”無(wú)人航天飛機(jī)。

經(jīng)濟(jì)困境難抑太空雄心

這些年來(lái)由于囊中羞澀，俄羅斯的航天計(jì)劃一波三折，不過(guò)他們還是對(duì)航天飛機(jī)保持了一定的關(guān)注。俄羅斯航天集團(tuán)總裁德米特里·羅戈津在去年就已經(jīng)下令該集團(tuán)研發(fā)有翼載人航天飛機(jī)，以取代現(xiàn)在的聯(lián)盟號(hào)飛船，該集團(tuán)現(xiàn)在已經(jīng)撥付近2.4億盧布用于航天飛機(jī)的研發(fā)。

據(jù)消息人士稱：“‘閃電’科研生產(chǎn)聯(lián)合體正在研制的一款新型航天器是與美國(guó)X-37B相似，尺寸相仿。它不是用于載人飛行，而是設(shè)計(jì)用于運(yùn)輸貨物和從太空返回”?？紤]到“閃電”本來(lái)就是暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)的締造者，而當(dāng)年“暴風(fēng)雪號(hào)”已經(jīng)具備了無(wú)人駕駛功能（其首飛全程依靠飛行控制中心遙控操作），因此在技術(shù)方面不會(huì)有太大的問(wèn)題。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，俄羅斯在困境中仍然堅(jiān)持研發(fā)航天飛機(jī)，除了希望在太空領(lǐng)域重振國(guó)威外，還出于對(duì)太空軍事化的擔(dān)憂。現(xiàn)在美國(guó)等國(guó)在太空軍事化方面的步伐越邁越快，這讓俄羅斯感受了巨大壓力。

▲ X-37B航天飛機(jī)

近日，俄羅斯聯(lián)邦委員會(huì)國(guó)防和安全委員會(huì)主席維克托·邦達(dá)列夫在向外國(guó)武官講話時(shí)指出，俄羅斯的地緣政治競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手已經(jīng)在太空建立了監(jiān)視環(huán)地空間的作戰(zhàn)集群，同時(shí)，俄羅斯也已對(duì)世界大國(guó)對(duì)抗逐漸向太空延伸做好準(zhǔn)備。邦達(dá)列夫強(qiáng)調(diào)，太空軍事化引發(fā)軍備競(jìng)賽，只有少數(shù)技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家能經(jīng)受得住，這會(huì)不可避免地導(dǎo)致世界分裂為一流大國(guó)和所有無(wú)力開發(fā)太空武器的其他剩余國(guó)家。

▲ 整流罩中的X-37B

航天飛機(jī)的軍事應(yīng)用潛力是無(wú)法忽視的，當(dāng)年美國(guó)空軍就曾對(duì)航天飛機(jī)寄予了很大希望，要用其來(lái)執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星維護(hù)、衛(wèi)星回收和反衛(wèi)星等多種任務(wù)，以提高美國(guó)太空軍事能力。對(duì)于X－37B項(xiàng)目，美國(guó)則一直諱莫如深，外界長(zhǎng)期猜測(cè)其真正的身份是美國(guó)研發(fā)爭(zhēng)奪“制天權(quán)”技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。據(jù)之前俄羅斯航天政策研究所負(fù)責(zé)人伊萬(wàn)·莫伊謝耶夫表示，俄羅斯正在研發(fā)的航天飛機(jī)，除了可用于日常的航天任務(wù)之外，還可以滿足俄軍的一些任務(wù)需要。從俄方并不避諱航天飛機(jī)軍用功能的態(tài)度看，他們明顯是要和他國(guó)的太空軍一較高下。

綜上，在沉寂多年后，未來(lái)航天飛機(jī)再次奮起也許并非天方夜譚。