太空遨游的妙计之二 妙计

　　飞翔的翅膀 　　 　　最为突出的发射器是X-33，它由位于加利福尼亚州帕姆代尔的洛克希德・马丁公司的臭鼬工程队研制，是NASA意图把发射成本削减到1／10的联合项目的一部分。X-33是一个大约有实验用航天器一半大小、用以测试一种直线喷管技术以及其他各种技术的发射器。在理论上，直线喷管能够通过一个可以自动适应不断变化气压的发动机，来推动一个完全可以重复使用并且垂直起飞飞入轨道的航天器。但是X-33本身并不进入轨道，它弥补了现有制造技术的缺陷。但还是有人提出怀疑，认为它没有办法提供给NASA足够的信息，以保证NASA尽快就是否继续依赖现有的航天飞机直到2020年，还是在2012年淘汰这些昂贵的重负荷机器做出决断。
　　制造发动机时遇到的困难使得X-33推迟了发射。NASA的首席工程师丹尼尔・R.马尔维尔指出，对X-33的飞行测试会尽快完成，在做出建造完整的单节推进轨道飞行器的决定前，仍需要一两年的时间进行研发。
　　其中存在一个问题，就是世界上没有一个足够大的蒸压器来使全复合材料的液态氢气罐密闭，此外，建造那些可以使航天器抵御热量进入的金属瓦片也需要耗费更大努力。来自国会研究服务中心的马西娅・史密斯指出，“冒险星”被作为将来可能的国家发射系统，但是所需时间会很漫长，而且第一个“冒险星”航天器并不会携带人类。
　　现在，NASA在研究把人类和其他动物运送到轨道上的可能性。一些可能用到的技术正在被称为X-34的实验飞行器上研发，它会测试二节进轨道技术以及一种新型的可重复使用的瓷砖。
　　展望X-33和X-34以后的技术，该机构最近加大了对高超音速喷气发动机的研究。自1994年11月国家太空飞船计划被取消后，该项技术就一直落后。
　　这种被看成喷气式飞机发动机变种的超音速燃烧冲压式喷气机，能像普通的喷气式飞机那样吸入空气，而且可以以6马赫的速度飞行，这就使得单节进轨道的目标指日可待。一些被称为X-43的无人驾驶的超音速燃烧冲压式喷气机，其飞行的最高速度甚至可以达到10马赫。
　　对于这些计划所面临的困难，NASA的加里・佩顿指出，关键是要使空气进入的速度足够慢。从而使得燃料可以充分燃烧以产生推力，而又不能产生多余的热量。从理论上讲，这可以通过在空气进口制造冲击波做到，但是这一过程却会浪费掉大量的能量。
　　一项可能的突破性发射技术是制造一种吸气式发动机，它可以作为火箭来操纵，既能在较低速度时，也可以在空气变得过于稀薄而无法吸入时使用。在那一高度，飞向太空的航天器速度极有可能达到10马赫。
　　目前，这种以火箭为基础的循环式发动机尚未通过风洞实验，而且必须将它们设计为飞行器的一部分才能产生足够的推力。
　　NASA最近为了实施其新的“未来X”计划，与波音公司签署了一份共同分担费用的合同，用以研发一种高科技飞行器来测试不同的超音速飞行技术。佩顿说，“如果一切顺利”，使用联合循环发动机的火箭的飞行测试可能会在4年后进行。
　　一旦飞行器离开大气层，并且飞行速度达到轨道速率(大约25马赫)，那么太空工程所面临的难题就完全不同了。这时候不再需要更大的推动力，因为飞行器已经脱离地球引力和空气阻力。在这里，人们开发了许多种不同的方法，包括声名赫赫的、在NASA“外太空1”号航天飞船上使用的离子发动机。其工作原理是通过带高压的电栅刺激推进剂中的带电原子(离子)，当离子离开发动机时就会产生推动力。目前，氙灯是最受青睐的推进剂。“外太空1”号的能量来自太阳能电池板，但是从理论上讲，任何可以产生电能的方式都可以用来驱动一个离子发动机，它使得每千克推进剂所产生的推动力，要比以往的化学型火箭大10倍。因此，即便离子发动机只能产生几克的力量，但是理论上它们可以运作多年而不间断，从而使得航天飞船可以达到非常高的速度。NASA刘易斯研究中心的詹姆斯・索荣说，离子发动机可以使人们切实完成对天王星和海王星的探索任务，同时将会获取比20世纪B0年代的“旅行者2”号更多的数据。
　　
　　其他的推进器
　　
　　然而，离子发动机并不是唯一被考虑用于探索太阳系的空间驱动器。霍尔效应推进器也可以给离子加速，但是没有电栅。它们部分采用径向磁场来指引离子，并且能产生更大的推进力。NASA刘易斯中心的罗伯特・杨柯夫斯基测试了一个50千瓦的版本，发现研究模型与离子发动机的推进剂同样有效。目前这一技术主要应用在近地空间，如果其功能得到改善，它们可以用于其他领域。
　　现在，美国政府已经在一个典型的有效载荷上使用了此类发动机。而计划提供管带和全球电信服务的特里德西克公司，也会在其卫星群上使用霍尔效应推进器。
　　光伏电池如今已经被用于给所有的近地轨道卫星提供能量，并且它们的功能还在进一步完善：NASA已经致力于开发一种新的包含无数可以把光线聚焦到光伏材料上的小镜头的设计，“外太空1”号正在测试这种类型。人们还希望，太阳能发电可以被用来提供更直接的推动力。美国空军已经斥资4800万美元实施一个4年计划，用以研发太阳能驱动的最后的火箭段，它可以只用化学火箭发射成本的一小部分就把卫星从低轨道移送至静止轨道上。
　　太阳轨道转移飞行器用轻型的镜子把太阳光转移到石墨板块上，可以使温度达到2100℃，并使储存的液氢蒸发，迅速扩张的气体便会提供推进力。这一技术需要花费3星期～8星期的时间才能把一个典型的有效载荷推进到地球静止轨道，但是它的质量很轻，这意味着卫星能够用一个比较小型的火箭进行发射。
　　波音公司的项目执行经理托马斯・克斯勒指出，使用这一技术可以将发射费用节约数千万美元。但是，太阳的作用也只能发挥这么多，如果要探索比木星更遥远的行星，利用太阳能就变得很困难。
　　探索木星的“伽利略”计划和探索土星的“卡西尼”计划都采用的是放射性同位素热发电机，利用钚238衰变产生的热量来制造少量电力。但是，这种技术目前还不能大规模地用以产生更大的热量。许多航天迷认为，能够在太空中运作的核反应堆可以解决这一问题。然而，由于核反应堆的运作会产生一些放射性废物，主张利用空间核动力的支持者正在提出一种设计，这种设计可以在化学火箭上发射并且将一直处于休眠状态，只有在到达远离地球的安全位置后它们才能被激活，因此它们并不会构成威胁，从而避免核泄漏事故。有估计表明，核能驱动的火星旅程只需要花费100天的时间，差不多是化学火箭预计要花费时间的一半。
　　NASA的首席技术专家塞缪尔・文内里指出，反应堆可以提供电力以在火星上设立基地。反应堆可以用多种方式产生推动力，詹姆斯・鲍威尔描述了一 个可以直接产生推动力和进行短期密集爆裂的反应堆，并指出这种设计可以使人们把岩石样品从冥王星带回到地球。
　　把热量转化为电力从而给离子驱动器提供能量有多种不同的可应用的计划，比如霍尔效应推进器和一种新型的电力推进剂。NASA先进空间推进系统项目前任经理加里・班尼特指出：“你可以混合使用不同的反应堆和推动理念。”
　　然而，任何与核能有关的东西意味着太空反应堆将会面对巨大的政治障碍。令公众感到费解的是。NASA似乎并没有在这个领域做过更多的努力。把我带到飞船上去
　　不管空间核动力最终是否被开发。具有创造性的工程师和科学家对于未来进一步探索太阳系仍然充满乐观。
　　NASA前高层，现为一名咨询师的伊凡・贝基认为，只要付出持续不断的努力，就可以在未来40年内把发射成本从每千克2万美元降低到每千克2美元。他甚至预言在10年内，逐步完善的、可以完全重复使用的单节进轨发射器就可以把成本降低1／10，而结合超音速发动机、火箭推进技术以及新的高能推进剂，便可以把速度再降低1／10。(贝基估计，可以1年飞行1000次可重复使用的单节进轨飞行器，也可以把飞行成本降低到每千克200美元。)
　　贝基指出，采用磁悬浮弹射器的装备，可以把火箭飞船像磁悬浮列车一样停在轨道上。这种轨道一头向上弯曲，可装在山的一边。由火箭驱动的飞行器可以先在轨道上加速，然后以声速沿着着30°～40°的角度飞向天空。
　　在未来的20年里，贝基设想会研发出一种微波驱动的飞行器，这与伦斯勒理工学院的雷克・迈拉博所提出的设想异曲同工。这种飞行器的推动力来自所谓的磁流体动态作用力，当导电性液体或气体通过电磁场时就会产生这种作用力。这一工程面临着巨大的障碍，但是许多研究过这种原理的人都认为它在实践中会行得通。因为射束能量意味着可以不用携带氧化剂或燃料，从而减少了地球引力的影响。贝基声称，激光或者微波驱动的航天器可以把发射成本降低到每千克20美元。
　　迈拉博和其他人认为，可以通过太空太阳能发电站网络来给射束能量驱动的飞行器提供支持。从理论上讲，在太空中设立能量站有许多优点：如果太阳照射到轨道上的它们所处的那部分位置时，它们就能接受到大量的光子。在一名叫做戴纳・罗斯巴拉克的热心人(他是加利福尼亚州代表和众议院空间和航空小组委员会会长)的带动下，NASA正在研究使太空能量站为地球上的用户提供能量的提议。但是文内里认为，“过去的经济不足以支撑”这种技术的应用，他还补充说，在低轨道中建造充气式结构的能量站也能在某种程度上降低成本。
　　轨道式的太阳能空间站，看上去像电影《独立日》中的外星人飞碟，它们的能量如果能被航天器用以穿越大气层的话，会具有更多的经济意义，这也是迈拉博的主张。
　　还有一些太空爱好者提出了使用绳子和长的连接电缆的可能性，它们在轨道上会有一些特殊的属性。使得它们可以产生推动力。这种近乎怪异的想法并非毫无根据，因为远离地球中心的物体如果要在轨道中运行的话，就必须保持一种比靠近地球的物体运行速度更慢的水平速度。因此，当处于不同高度的物体用几百米长的绳子连接起来的话，强大的力量可以使其处于一种压力状态。其他的物理原理，特别是角动量守恒定律，就可以应用在被绳子拴住的物体上。结果就是，通过一些违反常理的力学现象，绳子可以像一个巨大的弹弓一样在有效载荷间传递力，从而快速推动轨道之间的人造卫星。
　　然而文内里警告说，通了电的绳子虽然可以用来发电和产生提升力，但是预测和控制这种轨道中巨大的、多物体的系统仍然是个很大的挑战。
　　太空绳理论甚至使得把整个地球沿着一条连接在赤道上某点的固定的线，与处于静止轨道中的某一个卫星相连成为可能，爬升设备可以沿着这条绳子爬到36000千米内的任何高度，而只需要很少的能量。这样的绳子现在还造不出来，因为它所要承受的力量要求它必须用一种比凯夫拉尔材料更能负重的材料，而目前凯夫拉尔材料只能用以制造一些小规模的绳子。
　　但是贝基指出，巴基管可以用于制作这种绳子。巴基管是一种微观纤维结构，是将碳原子装入直径只有几微米的管子中制作成的。他很有信心地预测说：“当我们学会怎样把它们做成绳子并将它们绑在一起时，我们就能够做出负重量是现有材料600倍的绳子。”如果这个设想能够实现，太空绳理论就可以变为现实。到那个时候，一个与地球相对位置保持不动的绳子系统，就可以把发射成本降低到每千克2美元。
　　如果这样的计划还不够有雄心的话，一些科学家甚至在考虑能够将一艘载人太空飞船送到另一个星球的想法。在这方面最有影响力的想法是“光帆”。这样的装置也可能被用来在太阳系内运送货物。也有人提出要挖掘核聚变的巨大的能量来推动太空探索事业的发展。尽管控制核聚变产生的有用的能量在地球上尚未实现，但是作为永恒的希望之泉，太空中的核聚变反应堆能够提供到达太阳系任何地点的足够的能量。其他研发推进技术的想法更为高瞻远瞩，并且有人也提出进行星际旅行：量子隐形传态、虫洞和动量消除法。
　　这些令人难以置信的想法似乎需要人们对物理学进行全新的认识，但以人类目前的知识还不能使这些理论实现。即便如此，认真的科学家也在继续寻找可以把这些理论变为现实的方法。如果他们成功的话，将会彻底颠覆我们对宇宙的看法。
　　谁又能说，这些理论永远不可能实现呢?
　　
　　链接
　　随着维珍银河航空公司所研发的“白骑士2”号双机身太空母舰在美国的首次成功试飞，人类离个人商业太空游的梦想又更近了一步。看来太空遨游未必只是一个梦。
　　从2005年开始，维珍银河就开始接受太空游的预订。目前，已经大约有250人与维珍银河签约，预约成为太空游乘客。目前。此种太空游团费为20万美元起。分为3种预订类型：第一种：确保为前100名进入太空旅行的游客，需要交付全款20万美元(此种方式已结束)；第二种：确保为维珍银河太空游运作第一年进入太空旅游的游客，也就是约前1000名游客。需要交付10万美元～17.5万美元不等的订金；第三种：在前一种游客出发后便能立即出发，需要交付2万美元的订金。每一艘太空母舰上将承载6名乘客、2名驾驶员。所有乘客需花费3天的时间在NASTARCentre进行所需的训练。必要的训练包括：重力离心机训练、无重力训练等。所有的乘客在参加训练之前都需要通过严格的体检。