回收式航天器美夢成真

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Image caption (圖片來源: Getty Images)

太空火箭向地球方向俯衝下來,減搖鰭劇烈的震動著,燃燒氣體射流保持穩定。看起來像是要注定奔向毀滅的一次飛行。但當它接近地表,發動機轉速增強,火箭的飛行速度顯著放緩,登陸支架從兩側彈出,隨著滾滾濃煙散盡,火箭穩穩的直立落在地面,完好無損。

在十年前,這都是一個不可想像的畫面。但是在經歷了無數次失敗之後,加利福尼亞火箭製造商SpaceX公司在過去的四個月裏面四次回收了軌道火箭——一次是2015年12月在佛羅里達州卡納維拉爾角(Cape Canaveral, Florida)回收的,另一次是今年四月首次在大西洋中部的遙控駁船上回收了火箭。而這些並不是仿真火箭:這兩枚都是剛剛將商用航天飛船發射入軌道的獵鷹9號火箭(Falcon 9)的40米長的第一級火箭。

通過將返回的火箭進行翻新和再利用,SpaceX公司的創始人、億萬富翁埃隆·馬斯克(Elon Musk),希望最終能使火箭像商業飛行一樣經濟。他認為,既然波音747飛機不會在每次飛行後被扔掉,那麼為什麼航空飛船不行呢?

科幻小說曾經在一個世紀之前就開始預言可重覆使用的航天器的出現,航天工程師們從20世紀中期就開始嘗試創造的航天飛機(Space Shuttle)恐怕是最接近這一目標的飛行器了。那麼為什麼人們過了這麼長時間才開始認真的考慮要實現可重覆使用的航天器呢?

Image caption SpaceX公司最近成功的從浮動平台上回收了火箭。(圖片來源: Getty Images)

首先,值得強調的是,SpaceX並不是在孤軍奮戰。由亞馬遜首席執行官傑夫貝佐斯(Jeff Bezos)創辦的藍色起源(Blue Origin)公司,三次成功的發射和回收了新謝巴德(New Shepard)亞軌道太空旅遊火箭,每一次都將火箭發射至亞軌道空間,大概海拔100公里(61英里)處。

維珍銀河(Virgin Galactic)的宇宙飛船二號」(SpaceShipTwo) 也可以進行多次亞軌道飛行。「使用現代科技的小型飛行器比宇宙飛船更容易實現回收,亞軌道飛行器更是如此」維珍總裁喬治·懷特塞茲說(George Whitesides)。

但SpaceX的火箭回收技術則是一個更了不起的技術成果。要讓衛星能夠成功進入低地球軌道,需要火箭飛行的速度在6000公里/小時(或3726英里每小時)左右,如果要進入對地靜止軌道,則火箭需要9000公里/小時(或5590英里每小時)的速度,這樣火箭的一級助推器才能重返地球被回收。

「亞軌道飛行器垂直升空和下降,」美國的太空企業家拉提夏·加裏奧特·德卡尤克斯(Laetitia Garriott de Cayeux)說。」「雖然這很難,但是飛行器在達到頂端的時候速度實際為零,之後通過重力直接拉回到地球。因此實現亞軌道飛行器的重覆使用比在軌飛行器實現重覆使用要容易,」她說。

Image caption 如果高科技的飛機可以重復飛行,為什麼商業航天飛船不行呢?(圖片來源: Getty Images)

因此概括的說,技術瓶頸阻礙了火箭重覆使用的較早實現。而可重覆使用的航天飛機這一想法最早可以追溯到二戰前。

在阿波羅登月計劃之前,航天飛機被認為是可重覆使用的航天器的未來,位於華盛頓的史密森學會的國家航空航天博物館(the Smithsonian Institution's National Air & Space Museum)的羅傑·勞紐斯(Roger Launius)說到。在1920 和1930年代,科幻漫畫例如《巴克羅傑斯》(Buck Rogers)和《飛俠哥頓》(Flash Gordon)中已經提出了這個想法,裏面的每一個太空飛船都是可回收的。因此在二戰前,我們一致認為太空飛船飛行是類似商業飛行的活動。」

1945年後,被俘的德國火箭科學家透露,他們曾計劃打造一艘亞軌道太空飛機,納粹希望使用這架代號為銀鳥空天轟炸機(silverbird)的太空飛船轟炸美國,不過他們一直沒有建造這架飛船。這種飛船有一個特別的設計,它的形狀像一個翅膀,因此有助於產生氣動升力。美國空軍在1958年開始利用這一想法設計一個可回收的羽翼形狀的太空飛船,,但是由於登月計劃的出現,這架代號為X-20 Dyna-Soar的飛船計劃遭到了擱置。

「空間軍備競賽的出現把可重覆使用的太空飛船這樣的項目束之高閣,因為空間軍備競賽的全部目的是打敗俄羅斯人。同時,航天飛行器尚未具備探月計劃所需的科技水平,但是對於彈道太空艙的測試和研究已經在洲際彈道導彈系統上得以實現」。勞紐斯說。

「他們用於核彈頭的返回艙與載人飛船的類似,只需要改變載荷就可以完成。」

阿波羅登月計劃成功後,美國國家航空航天局(NASA)重新開始了其念念不忘的計劃:打造可重覆使用的,有翼的太空飛機——航天飛機。

之後打造的五艘航天飛機,平均每艘進行了27次飛行任務;其中的明星是「發現者號」,共執行了39次任務。」因此航天飛機在重覆使用方面有著漫長的歷史,」位於科羅拉多州路易斯維爾的Sierra Nevada Corp空間系統公司副總裁兼負責人馬克.斯蘭格洛(Mark Sirangelo)說。

航天飛機的一個弊端是每次發射中間都需要進行翻新, SpaceX公司的可回收火箭也必須如此。儘管SpaceX已經成功回收了火箭,但是他們尚未對回收的火箭進行再次發射。勞紐斯說,這才是他們面臨的真正考驗。」如果您可以重用空間飛行器的任何部分,下一次發射你就省錢了。但如果把火箭完全拆開進行翻修,那麼相當於每次發射都重新造了一個火箭。」

Image caption 航天飛機表明一艘航天飛行器可用於執行幾十個任務。(圖片來源: Getty Images)

NASA當時還同時研究了一系列更小的可重覆使用的航天飛機,這些小型飛行器現在以其他名稱出現。例如美國空軍現在服役的X37B就是以NASA的x37為原型,這是一架無人駕駛的,通過火箭發射的航天飛機,可以在低地球軌道飛行負責執行長時間的秘密軍事任務,然後自主返回。

NASA在80年代後期和90年代開發的作為潛在的空間站救生艇的航天飛機HL-20,之後被斯蘭格落的Sierra Nevada Corp公司收購並更名為「追夢者號」(Dream Chaser)。Sierra Nevada Corp將美國宇航局的設計轉化成他們稱之為能夠製造的「最強大的可重覆使用飛行器」。這包括將美國航空航天局設計的金屬合金機身改成先進的輕質復合材料。

使用這種材料將更能夠應對航天飛行的應力、壓力和溫度,」 斯蘭格落說。該飛船能夠通過任何一個現代火箭發射並能返回任何一個能起降空客A320的機場。除了承擔NASA的貨運飛行任務以外,歐空局(ESA)和德國實驗室DLR認為「追夢者號」可以執行多項任務。例如包括可以攔截和去除空間碎片。

而航天飛機看起來是最為接近可複用航天器的設計,其他各種古怪的設計也出現了。旋轉火箭公司(Rotary Rocket Company)設計的「旋子(Roton)」,一個胡椒瓶形狀的航天艙,在1999年進行了測試,試圖解決一個從空間軍備競賽年代就困擾數百個返回艙的問題:他們希望自由選擇降落地點,而不是取決於降落傘飛行的位置。

Image caption 「追夢者」航天飛機使用「升力體」的現代設計原理。(圖片來源: Getty Images)

旋轉火箭公司希望向宇航員提供一個可以選擇返回艙軟著陸地點的機會,這樣可以使飛行器更加可能被重覆使用。要做到這一點,當返回艙重新進入大氣層,在較稠密的空氣中會將嵌在其表面的直升機旋翼展開。火箭發動機作用於旋翼的尖部,使其能夠在一個合適的高度進行展開,之後宇航員可以通過駕駛直升機的方式控制方向,選擇落地的地點。請觀看下面「旋子」大氣測試飛行器,煙霧和未燃盡的燃料從火箭的旋翼處噴射而出。

不幸的是,旋轉火箭公司未能進行更高級的實驗,資金鏈就斷裂了。美國宇航局也曾考慮在「獵戶座」(Orion)航空倉上使用旋翼,但不是火箭驅動的那種。

經過SpaceX的努力,旋子使用的另闢蹊徑的部分方法得以發揚光大。其公司開發的Dragon V2七座載人航天飛船是美國宇航局為執行國際空間站任務而打造的,該飛船在艙外配備了八個發動機,最終將實現可重覆使用的目的。發動機有兩個功能:如果在發射階段火箭爆炸了,載人航空倉將進行爆破;為軟著陸提供助推力。美國宇航局最初設計的Dragon V2登陸將採用常規的降落傘在海洋上著陸,之後推進著陸。

美國火箭公司「聯合發射聯盟」(United Launch Alliance)正在研究如何在未來的火神火箭底部拋棄大型,昂貴的發動機,並使之能夠通過翼傘系統飛行,並在半空中進行回收,類似間諜衛星上回收相機膠捲的辦法。這家波音公司與洛克希德馬丁(Boeing and Lockheed-Martin)的合資公司目前還在研發第二階段,也就是使發動機能夠停留在軌道上,通過再次發動執行類似衛星服務等其他任務。

在法國,空客正在研究如何從未來的阿麗亞娜6型(Ariane 6)火箭底部安裝的發動機可以自行使用飛行翼和小型噴氣發動機–這樣就可以自動返回機場。而中國航天局說,說中國計劃利用群傘技術用於長征火箭子級回收重覆利用。

Whitesides說,這一切都是有意義的。」未來會有很多代可重覆使用的航天器出現。類似於SpaceshipOne,獵鷹9號,新謝巴德和美國空軍X-37B這樣的先驅將會激發無數的追隨者,他們將徹底的降低人們飛行到太空軌道的費用。

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