可重复使用的火箭运载器【单级入轨可重复使用航天运载器一波三折】

　　“阿波罗”登月成功，国际间站在轨组装计划得以逐步实现，使得航天迷们信心百倍，以为送人去火星探险，作太空长途旅行，建立空间工厂等等设想，都是很快就能实现的计划。航天的瓶颈是高昂的太空往返费用，对未来充满憧憬的企业家们急于要解决这一难题。他们提出的解决措施确实诱人，这就是研制可重复使用的各种运载器，使太空旅行如同乘坐民航班机一样的方便和省钱。
　　
　　热潮兴起
　　基于这一想法，美国航空航天局（NASA）于1996年7月与洛马公司（LockheedMartinCorp.）签署一项合作协议，设计、制造X－33技术验证机并进行试飞。
　　X－33是未来“冒险星”（一种单级入轨可重复使用的运载器）的缩比试验运载器，尺寸只有“冒险星”的一半，用自身携带的火箭动力入轨，完成运送任务后用滑翔的办法返回地面，用航天飞机方式常规着陆（见题图）。它涉及的技术领域很广，包括材料、推进剂、气塞式火箭发动机、防热措施等等问题，可以带动相当一批企业的技术发展和由此获得丰厚的利益回报。
　　光辉的前景，使许多公司怦然心动，如旋转火箭公司（RotaryRocketCo.），提出单级火箭入轨，返回时采用直升机旋翼逐渐下降的方案。还有航空宇航（AeroAstro）公司、开利空间技术公司（KellySpace＆TechnologyInc.）提出的从波音747上发射可重复使用运载火箭的方案等。
　　
　　冷静审视
　　但是，无情的现实使太空廉价旅行的梦逐渐清醒，人们正在更为冷静地审视这一问题。
　　航空宇航公司总裁瑞克・弗利特（RickFleeter）已经停止他们制造低成本火箭的计划，转而生产常规火箭发动机。弗利特叹惜：“梦想降低成本，结果一无所获，我不再打算用我的余生去等待出现奇迹”。无独有偶，加利福利亚州的旋转火箭公司也将其研制人员由75人减为不到12人，目前正处于求生存的地步。该公司研制的可重复使用航天器在降落时如同一架直升机。洛马公司著名的X－33工程正处于推进剂贮箱断裂、制造工艺出问题的境地，而且开销已超过7500万美元。
　　许多专家认为，就算火箭能安全地在天地之间往返，其成本也只会提高而不会下降。随着“铱星”和其他潜在卫星用户们的烟消云散，克斯勒和先驱者火箭计划（KistlerandPioneerRocketplane）已无人愿出经费，支持研制曾经憧憬过的新运载器。加利福尼亚州的开利空间技术公司总裁兼总师麦克・斯・开利（MichaclS.Kelly）哀叹道：“近来，要想使‘便宜的天地往返工具’的梦想存活下来，就像自己给自己动心脏手术以求生存，而不用‘麻醉’一样的困难”。这里，“麻醉”是指技术上的突破。
　　
　　理想的天地往返系统
　　单级入轨重复使用火箭是目前最理想、最有发展前途的天地往返系统，在实现这一目标的征途上，其困难还不仅仅在于经费，更令人沮丧的还是工程技术上躲不开的令人头痛的难题。
　　最根本的难题仍然是地球的引力。它实在是太强大了，火箭必须达到大约28500公里的时速（相当7.9公里／秒）才能入轨。这也就是“阿波罗”登月任务采用“土星”(Saturn)多级火箭的原因，必须逐级扔掉已耗尽推进剂的下面级，才能进一步减轻全火箭的质量，以达到所需的入轨速度；同时，还必须考虑从月球返回时的质量。为了做到单级入轨，做到重复使用，必须有非常轻的新型材料和创新型的火箭发动机，才能带来突破。只有重复使用，才能使目前每发射一次就损失一枚多级火箭的高昂费用降下来。这就是为什么NASA和一些公司在1996年提出诸如X－33这样一些计划的根本原因。NASA曾经宣称，单级入轨重复使用航天运载器，将会使目前1磅有效载荷的入轨费用由1万美元降到1千美元，为目前的十分之一。前景的确诱人。
　　
　　X－33陷入困境
　　不过，目前的现状很令人失望。X－33的关键部件，也是这个航天运载器结构主体部分――液氢燃料贮箱。它由轻质量、高强度的复合材料制成，在工艺上极难制作，而且在去年试验中发生冷脆断裂（液氢沸点为－253℃）。这就使X－33计划陷于停顿状态，摆在NASA和洛马公司面前的问题有两个：工程上的难题如何解决？由谁来付钱支持下一步的研制工作？原订今年7月的试飞已不可能。
　　大多数专家认为，X－33计划已经失败，原因之一是缺乏市场，而根本原因还在于工程技术上不过关。通俗地讲，由于完成单级入轨重复使用所需要的推进剂实在太多，迫使重复使用的运载器结构必须“轻如羽毛”。否则，这种运载器就无法为用户服务。因为运载器没有裕量留给有效载荷，也就是说它无法带一点像样的仪器和设备进入轨道，更无法携带返回大气层时所必须的防热设施和制动系统。如果要带一点有用的质量上天的话，它又会陷入完全无法入轨的尴尬局面。至于用它载人航天，目前实难想像。
　　
　　投资困难
　　为了使单级入轨重复使用运载器研制工作能继续下去，当前最重要的工作是工程技术上要有大的令人震惊的突破。当初各家航空航天公司以为，令NASA难以解决的技术难题，他们都会有办法克服。例如，旋转火箭公司计划用液氧煤油取代液氢液氧，作为液体火箭发动机的燃料，以解决液氢贮箱过大，以及贮箱材料的冷脆断裂等问题。又例如，开利空间技术公司企图用波音747将火箭带到12.2公里高度上再点火发射，这就不必建造耗资巨大的发射场，也可以减少火箭入轨所带的推进剂质量。但是，这些大胆的设想都未能争取到投资者。太空设备公司（SpaceDevInc.）的总裁章姆士・威・本生说：“所有这些设想都需要一项或多项技术上的突破，而涉及技术上的方案是如此地令人怀疑，以至公司自己也未敢先集资去试验一下”。
　　
　　仍在努力
　　NASA和这些公司并没有完全打算放弃。NASA有几项计划还在继续努力进行，例如，吸气式发动机，它能在穿过大气层时利用空气中的氧气而省去携带过重的液氧。陷于困境的旋转火箭和克斯勒（RotaryandKistler）公司仍在试图集巨资去建造一个全尺寸的样机。克斯勒公司一直积极为NASA的新航天计划出谋划策，公司总裁克斯勒本人说：“我们一直在构思新的运载工具，因为我们知道今天的运载火箭已经过时了”。拉斯维加斯的比格罗航天公司（BigelowAero－SpaceCo.inLasVegas）已经宣告要建造一艘登月巡回飞船，实现旅客往返于地球轨道和月球之间。弗吉尼亚州阿林顿的奔月公司总裁戴维堤・皮・古姆普（DavidP.Gump,presidentofLunacorp.inArlington,Va.）希望通过无线电视和互联网发送银河系奇景和月球背面的图像到地球上来。今年6月15日，奔月公司宣布，射电屋公司(RadioshackCo.)将负责出资建造一艘活动电影摄像船到月球上去。
　　圣・路易斯基金十字奖主席彼得・哈・戴蒙德斯（PeterH.Diamandis,PresidentofSt.Louis－basedX－Prize）仍然认为克服这些技术困难只不过是时间问题。他的基金组织提供1000万美元奖励给任何一家公司，只要这家公司能在两星期之内送三个成年人完成亚轨道飞行（比真实轨道低，但发射、返回过程都有，主要用于试验）两次。但是，太空设备公司的本生说：“目前已有的技术还做不到这一点”。看来，这一奖金不会很快有人来认领。
　　
　　航天运载器单级入轨的必备条件
　　目前制造单级入轨重复使用的运载火箭，从理论上说明并不困难。目前采用最好的液氢液氧火箭发动机推进系统，其真空有效比冲为500秒（很先进的估计，一般达不到）；采用最好的结构材料，最先进的设计方案，其质量比最好也只能做到0.15。按照齐奥尔科夫斯基火箭理想速度公式，可算出在真空中、无重力情况下的火箭熄火点的速度为9.296公里／秒。由于重力和阻力造成的损失，其量级范围是20％～25％。我们可取20％（也是最好的估计），计算出火箭的真实熄火点速度为7.436公里／秒。
　　可见还达不到7.9公里／秒的第一宇宙速度。这里已经给出了一个大胆的假设，也就是火箭质量比为15％。这就是说，如果火箭起飞质量为100吨，在推进剂消耗完之后剩下的“干质量”只有15吨。这其中包括有效载荷、箭体结构、发动机及附属系统、控制系统等等。这样说可能不够形象，拿长征3号甲（CZ－3A）举例。CZ－3A的第三级火箭采用液氢、液氧推进剂的液体火箭发动机，且采用共底式贮箱，结构设计想尽了办法，起飞质量为23吨，推进剂质量为18吨，有效载荷为2.3吨，火箭质量比为0.22。如果再想降低火箭质量比，则需要减少有效载荷。现假设完全不带有效载荷，此时火箭质量比为2.7／23=0.117，理想速度可达10.497公里／秒，扣除重力和阻力损失之后，熄火点的速度可达8.4公里／秒，可以克服地球引力入轨。但是，火箭不带有效载荷，就完全失去了实用意义。这里还未考虑返回时的动力要求和相应的结构质量，也就是说，2.7吨的结构质量仅为入轨服务，返回时还需要制动推进系统，相应的质量必须包括进去，否则无法返回，也就不属重复使用的范畴了。
　　综上所述，单级入轨重复使用运载器并非完全不可能实现，但必须突破目前技术上的困难。具体说有两个方面：第一，必须继续提高比冲；第二，必须进一步降低运载器的质量比（“冒险星”要求为10％，即起飞质量为922吨，其中90％是推进剂，留给有效载荷和结构的质量只有92.2吨）。任务虽然艰巨，相信通过人类的不断努力，在21世纪不远的将来，一定能解决这些难题。