回收式航天器美梦成真

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Image caption (图片来源: Getty Images)

太空火箭向地球方向俯冲下来,减摇鳍剧烈的震动着,燃烧气体射流保持稳定。看起来像是要注定奔向毁灭的一次飞行。但当它接近地表,发动机转速增强,火箭的飞行速度显著放缓,登陆支架从两侧弹出,随着滚滚浓烟散尽,火箭稳稳的直立落在地面,完好无损。

在十年前,这都是一个不可想象的画面。但是在经历了无数次失败之后,加利福尼亚火箭制造商SpaceX公司在过去的四个月里面四次回收了轨道火箭——一次是2015年12月在佛罗里达州卡纳维拉尔角(Cape Canaveral, Florida)回收的,另一次是今年四月首次在大西洋中部的遥控驳船上回收了火箭。而这些并不是仿真火箭:这两枚都是刚刚将商用航天飞船发射入轨道的猎鹰9号火箭(Falcon 9)的40米长的第一级火箭。

通过将返回的火箭进行翻新和再利用,SpaceX公司的创始人、亿万富翁埃隆·马斯克(Elon Musk),希望最终能使火箭像商业飞行一样经济。他认为,既然波音747飞机不会在每次飞行后被扔掉,那么为什么航空飞船不行呢?

科幻小说曾经在一个世纪之前就开始预言可重复使用的航天器的出现,航天工程师们从20世纪中期就开始尝试创造的航天飞机(Space Shuttle)恐怕是最接近这一目标的飞行器了。那么为什么人们过了这么长时间才开始认真的考虑要实现可重复使用的航天器呢?

Image caption SpaceX公司最近成功的从浮动平台上回收了火箭。(图片来源: Getty Images)

首先,值得强调的是,SpaceX并不是在孤军奋战。由亚马逊首席执行官杰夫贝佐斯(Jeff Bezos)创办的蓝色起源(Blue Origin)公司,三次成功的发射和回收了新谢巴德(New Shepard)亚轨道太空旅游火箭,每一次都将火箭发射至亚轨道空间,大概海拔100公里(61英里)处。

维珍银河(Virgin Galactic)的宇宙飞船二号”(SpaceShipTwo) 也可以进行多次亚轨道飞行。“使用现代科技的小型飞行器比宇宙飞船更容易实现回收,亚轨道飞行器更是如此”维珍总裁乔治·怀特塞兹说(George Whitesides)。

但SpaceX的火箭回收技术则是一个更了不起的技术成果。要让卫星能够成功进入低地球轨道,需要火箭飞行的速度在6000公里/小时(或3726英里每小时)左右,如果要进入对地静止轨道,则火箭需要9000公里/小时(或5590英里每小时)的速度,这样火箭的一级助推器才能重返地球被回收。

“亚轨道飞行器垂直升空和下降,”美国的太空企业家拉提夏·加里奥特·德卡尤克斯(Laetitia Garriott de Cayeux)说。”“虽然这很难,但是飞行器在达到顶端的时候速度实际为零,之后通过重力直接拉回到地球。因此实现亚轨道飞行器的重复使用比在轨飞行器实现重复使用要容易,”她说。

Image caption 如果高科技的飞机可以重复飞行,为什么商业航天飞船不行呢?(图片来源: Getty Images)

因此概括的说,技术瓶颈阻碍了火箭重复使用的较早实现。而可重复使用的航天飞机这一想法最早可以追溯到二战前。

在阿波罗登月计划之前,航天飞机被认为是可重复使用的航天器的未来,位于华盛顿的史密森学会的国家航空航天博物馆(the Smithsonian Institution's National Air & Space Museum)的罗杰·劳纽斯(Roger Launius)说到。在1920 和1930年代,科幻漫画例如《巴克罗杰斯》(Buck Rogers)和《飞侠哥顿》(Flash Gordon)中已经提出了这个想法,里面的每一个太空飞船都是可回收的。因此在二战前,我们一致认为太空飞船飞行是类似商业飞行的活动。”

1945年后,被俘的德国火箭科学家透露,他们曾计划打造一艘亚轨道太空飞机,纳粹希望使用这架代号为银鸟空天轰炸机(silverbird)的太空飞船轰炸美国,不过他们一直没有建造这架飞船。这种飞船有一个特别的设计,它的形状像一个翅膀,因此有助于产生气动升力。美国空军在1958年开始利用这一想法设计一个可回收的羽翼形状的太空飞船,,但是由于登月计划的出现,这架代号为X-20 Dyna-Soar的飞船计划遭到了搁置。

“空间军备竞赛的出现把可重复使用的太空飞船这样的项目束之高阁,因为空间军备竞赛的全部目的是打败俄罗斯人。同时,航天飞行器尚未具备探月计划所需的科技水平,但是对于弹道太空舱的测试和研究已经在洲际弹道导弹系统上得以实现”。劳纽斯说。

“他们用于核弹头的返回舱与载人飞船的类似,只需要改变载荷就可以完成。”

阿波罗登月计划成功后,美国国家航空航天局(NASA)重新开始了其念念不忘的计划:打造可重复使用的,有翼的太空飞机——航天飞机。

之后打造的五艘航天飞机,平均每艘进行了27次飞行任务;其中的明星是“发现者号”,共执行了39次任务。”因此航天飞机在重复使用方面有着漫长的历史,”位于科罗拉多州路易斯维尔的Sierra Nevada Corp空间系统公司副总裁兼负责人马克.斯兰格洛(Mark Sirangelo)说。

航天飞机的一个弊端是每次发射中间都需要进行翻新, SpaceX公司的可回收火箭也必须如此。尽管SpaceX已经成功回收了火箭,但是他们尚未对回收的火箭进行再次发射。劳纽斯说,这才是他们面临的真正考验。”如果您可以重用空间飞行器的任何部分,下一次发射你就省钱了。但如果把火箭完全拆开进行翻修,那么相当于每次发射都重新造了一个火箭。”

Image caption 航天飞机表明一艘航天飞行器可用于执行几十个任务。(图片来源: Getty Images)

NASA当时还同时研究了一系列更小的可重复使用的航天飞机,这些小型飞行器现在以其他名称出现。例如美国空军现在服役的X37B就是以NASA的x37为原型,这是一架无人驾驶的,通过火箭发射的航天飞机,可以在低地球轨道飞行负责执行长时间的秘密军事任务,然后自主返回。

NASA在80年代后期和90年代开发的作为潜在的空间站救生艇的航天飞机HL-20,之后被斯兰格落的Sierra Nevada Corp公司收购并更名为“追梦者号”(Dream Chaser)。Sierra Nevada Corp将美国宇航局的设计转化成他们称之为能够制造的“最强大的可重复使用飞行器”。这包括将美国航空航天局设计的金属合金机身改成先进的轻质复合材料。

使用这种材料将更能够应对航天飞行的应力、压力和温度,” 斯兰格落说。该飞船能够通过任何一个现代火箭发射并能返回任何一个能起降空客A320的机场。除了承担NASA的货运飞行任务以外,欧空局(ESA)和德国实验室DLR认为“追梦者号”可以执行多项任务。例如包括可以拦截和去除空间碎片。

而航天飞机看起来是最为接近可复用航天器的设计,其他各种古怪的设计也出现了。旋转火箭公司(Rotary Rocket Company)设计的“旋子(Roton)”,一个胡椒瓶形状的航天舱,在1999年进行了测试,试图解决一个从空间军备竞赛年代就困扰数百个返回舱的问题:他们希望自由选择降落地点,而不是取决于降落伞飞行的位置。

Image caption “追梦者”航天飞机使用“升力体”的现代设计原理。(图片来源: Getty Images)

旋转火箭公司希望向宇航员提供一个可以选择返回舱软着陆地点的机会,这样可以使飞行器更加可能被重复使用。要做到这一点,当返回舱重新进入大气层,在较稠密的空气中会将嵌在其表面的直升机旋翼展开。火箭发动机作用于旋翼的尖部,使其能够在一个合适的高度进行展开,之后宇航员可以通过驾驶直升机的方式控制方向,选择落地的地点。请观看下面“旋子”大气测试飞行器,烟雾和未燃尽的燃料从火箭的旋翼处喷射而出。

不幸的是,旋转火箭公司未能进行更高级的实验,资金链就断裂了。美国宇航局也曾考虑在“猎户座”(Orion)航空仓上使用旋翼,但不是火箭驱动的那种。

经过SpaceX的努力,旋子使用的另辟蹊径的部分方法得以发扬光大。其公司开发的Dragon V2七座载人航天飞船是美国宇航局为执行国际空间站任务而打造的,该飞船在舱外配备了八个发动机,最终将实现可重复使用的目的。发动机有两个功能:如果在发射阶段火箭爆炸了,载人航空仓将进行爆破;为软着陆提供助推力。美国宇航局最初设计的Dragon V2登陆将采用常规的降落伞在海洋上着陆,之后推进着陆。

美国火箭公司“联合发射联盟”(United Launch Alliance)正在研究如何在未来的火神火箭底部抛弃大型,昂贵的发动机,并使之能够通过翼伞系统飞行,并在半空中进行回收,类似间谍卫星上回收相机胶卷的办法。这家波音公司与洛克希德马丁(Boeing and Lockheed-Martin)的合资公司目前还在研发第二阶段,也就是使发动机能够停留在轨道上,通过再次发动执行类似卫星服务等其他任务。

在法国,空客正在研究如何从未来的阿丽亚娜6型(Ariane 6)火箭底部安装的发动机可以自行使用飞行翼和小型喷气发动机–这样就可以自动返回机场。而中国航天局说,说中国计划利用群伞技术用于长征火箭子级回收重复利用。

Whitesides说,这一切都是有意义的。”未来会有很多代可重复使用的航天器出现。类似于SpaceshipOne,猎鹰9号,新谢巴德和美国空军X-37B这样的先驱将会激发无数的追随者,他们将彻底的降低人们飞行到太空轨道的费用。

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