当研究人员在为美国航空航天局(NASA)削减空间计划科研经费哀叹时,来自民间的企业家、投资者却纷纷涉足其中,对其表现出极大的兴趣,这是否预示着——
两年前,随着“太空船一号”的首飞升空,太空旅行似乎又经历了一次莱特兄弟的时代。这一次,飞船的设计者伯特 · 拉坦(Burt Rutan)和驾驶员麦克 · 梅尔维尔(Mike Melvill)替代威尔伯和奥维尔(莱特兄弟)扮演了这一角色[微软创始者之一的保罗 · 艾伦(Paul Allen)为这次飞行提供了资助]。当然,历史永远不会一丝不差地重复着自己。当世界进入有动力驱动的飞行器时代之前,莱特兄弟的前人曾经历了一系列虽败犹荣的挫折;而与莱特兄弟不同的是,拉坦和梅尔维尔知道有人操纵的太空旅行是可行的——他们的行动表明了太空旅行不只是政府行为,民间企业同样可以做到。
现在,许多人想加入到这个行列中来,其中不少人参加了在洛杉矶举行的国际空间发展大会,准备投入到这项以同志加对手为特征的即将开始的新技术竞赛中去。可以预料,在具备了理想与资金这两个关键要素后,他们个个踌躇满志。
至今为止,为建造民用太空飞船及其支撑船体的基础结构所需的10亿多美元已经得到承诺。如“太空船二号”有望得到维珍航空公司2. 4亿美元的资助;而位于新墨西哥州的太空飞船发射与降落场的建设将需要2. 25亿美元,尽管当地政府打算自筹这笔资金。当然,这些都不是个小数目。另一方面,尽管目前飞船还未建成,但针对欲搭乘“太空船二号”遨游太空每人次20万美元的志愿者的收费,维珍公司已在银行里存入了1400万美元的押金。
所有这些都让人感到太空飞行即使没有进入普通百姓时代,但至少正在进入一个相对阔绰的狂热时代。对于企业来说,进入太空再也不需花费数10亿美元,数百万美元就可以办到;而对于那些众多只想到太空转一下,银行存款只有数10万美元的人来说,这一想法也可能成为现实。
与100年前相比,现在的飞行器设计如潮似水、争奇斗艳,很难说哪一款将独领风骚。民间太空旅行的最初目标是建造一种“亚轨道”飞行器,因而无需在进入地球轨道所需的超高速度上下功夫。相反,它只要能进入太空就行,让人在大气层外作一次令人毛骨悚然的旅行,体验一下几分钟失重的感觉,在100公里以上的太空看一看行星的壮丽景观。那么,在飞行器的设计上只需考虑四个要素即可:起飞方式、燃料类型、飞行器使用的材料以及返回方式。
在大多数人看来,火箭是从地面垂直发射的,然而,正在开发中的5艘飞船中的2艘实际上是从空中发射的(见表)。“太空船二号”的火箭发动机将由一艘专门建造的“黄昏号”(Eve)飞机带上高空后再点火发动。据太空探险公司总裁兼首席执行官埃里克 · 安德森(Eric Anderson)称,由该公司设计的“探险者号”(Explorer)太空船将从一艘高空俄国科研飞机M-55顶部发射升空。
对于由飞机携带至高空再点火发动的太空飞船的运行模式,美国航空航天局(NASA)咨询工程师丹尼斯 · 詹金斯(Dennis Jenkins)认为,这种情况就像在使用一枚两级火箭,飞机的作用相当于第一级火箭。与火箭相比,飞机具有以下几个优点:首先,它可以重复使用;其次,借助双翼升空,这意味着大气不再成为升空的阻力而是一种优势;第三,所有这一切意味着太空船本身可以建造的更轻巧,造价也更经济。坐落在加利福尼亚州莫哈韦沙漠中的XCOR Aerospace公司目前正在开发一种由地面发射的双人座Xerus亚轨道火箭飞机,该公司总裁杰夫 · 格里森(Jeff Greason)说,尽管地面发射比空中发射难度大,但地面发射的运营成本要低得多。
燃料类型是第二个重要的设计选题。与喷气机不同的是,火箭本身携带氧化剂,这就是它为什么能在太空中飞行的理由(有时氧化剂就等同于氧气,只是液态而已)。在这种情况下,燃料通常是一种液态,无论是煤油还是液氢,在进入火箭燃烧室前都被储存在不同的容器内;要不然,燃料和氧化剂则都是固态,像是高升的爆竹其助推剂在混合前就被装上火箭。
虽然“太空船二号”的设计与“太空船一号”一脉相承,但它的动力来自于两种燃料的混合物。火箭的混合燃料燃烧室内部分使用的是固态燃料,被存储在燃烧室的内壁上,内壁中央预留了一个小孔,以便于向燃烧室内注入液体或是气态氧化剂,也便于燃料燃尽后的废气排出。而“太空船一号”上的燃料是固态橡胶,氧化剂则是一种被称为“笑气”的一氧化二氮的液化气。
支持使用混合燃料的人认为,使用这种燃料的火箭比单纯使用固态或液态燃料的火箭安全系数更大些,维珍公司的首席技术专家乔治 · 惠廷希尔(George Whittinghill)说,之所以比单纯使用固态燃料的火箭来得安全是因为氧化剂的流量便于控制,如果发生问题,燃烧即可被中止。而使用固态燃料的火箭就像是一个点燃了的爆竹,燃料不到燃尽之时其燃烧过程是无法被中止的。另一方面,使用液态燃料的发动机,虽然随时可以被关闭,但其过程很复杂也不易掌握。正如惠廷希尔所说的:“它们有着许多泵、阀门和线路,许多地方都有可能出错。”
所有这些问题让那些研究液态推进剂的人大伤脑筋。而XCOR航天公司投资部经理理查德 · 普尔耐勒(Richard Pournelle)认为,这样的比较有失公允,液态推进剂在火箭技术上经常被使用,而混合剂却很少使用。虽然使用液态燃料的火箭发生爆炸的可能性大一些,但这不能证明它们本身是不安全的。坚持使用液态燃料的火箭飞机公司副总裁查克 · 劳尔(Chuck Lauer)同意这一观点,并表示当今煤油仍然作为航空燃料被广泛使用着,没有人抱怨它不安全。
尽管安全问题是首先要考虑的一个因素,但并不是唯一的。考虑到开发混合燃料的成本较为低廉,但其使用成本却比较昂贵,因每次飞行过后,燃烧室都得重新进行填装。相比之下,重新灌注液态燃料就很容易,因此XCOR公司计划让它的太空飞船一天飞4个航次。据普尔耐勒先生说,固态橡胶燃料的价格比他们公司打算使用的煤油价格贵5倍,而液态燃料产生的动力依然巨大,而且燃烧更为均匀。
图为2年前由“白色骑士”携带升空的“太空船一号”
至于制造飞行器使用的原材料问题,复合材料因其重量轻、强度高、使用简便以及耐高温等优点一直被广泛选用。而火箭飞机公司的XP飞行器是一个明显的例外,它就是一架改头换面的利尔喷气机。把一架喷气机改装成飞船看似相当危险的,然而,正如劳尔所说,除了机身以外,原来的飞机几乎改头换面了。新机种有一个新型三角翼,一个新的V型尾翼。风洞试验显示,在返回大气层时新机种具有一种“天生的稳定性”。
接下来的问题即安全降落问题。“太空船一号”在半空中用翻转双翼的方法解决了返回大气层的稳定性问题,也就是劳尔赞扬的XP飞行器的“天生稳定性”。此外,XP飞行器的双翼、尾翼和机头是由耐高温的钛金属材料制成的,其余部分都涂上一层隔热涂料以确保金属材料的抗高温性能。劳尔说,下一步工作是对XP飞行器进行破坏性试验,旨在试验中使其更为完善。
由亚马逊公司创始人杰夫 · 贝索斯(Jeff Bezos)投资成立的“原始之蓝”公司可以说是独树一帜,该公司一艘正在设计中的名为New Shepard的太空船将采用垂直起降的方案。据它的支持者说,New Shepard太空船与正在开发中的其他太空船一样,也是用来作亚轨道飞行的。倘若这就是贝索斯先生所感兴趣的,那么垂直飞行器的航天之路看来将困难重重。
选择这一奇特设计的一种解释,也许就是贝索斯最终还是想建造一艘轨道飞行器。在这一点上,他并不孤立。PayPal公司创始人之一的埃隆 · 马斯克(Elon Musk)先生就想做同样的事,他计划采用垂直起降的方式对一种名为“猎鹰”的无人操纵的新型火箭创建一项新卫星发射业务。而世界电子游戏大亨约翰 · 卡马克(John Carmack)投资的犰狳宇航公司,也正在研究这种的飞行器设计方案,希望最终有一天能建造出一艘垂直起降的轨道飞行器来。
所有这些垂直起降的亚轨道飞行器的实施计划,有可能比它们的支持者们预期的要早。当研究人员在为NASA大量削减空间项目的科研经费哀叹时,更多的企业家蜂拥而至慷慨资助人类的宇航事业,如一笔针对NASA登月车项目的200万美元的奖金宣告成立,该奖金将被用于登上月球表面所需的飞行器的能量及精度的研究上(尽管这显然不是有关太空适航性的全面研究)。而这项研究需要一艘能在月球表面盘旋和降落的垂直起降太空船。
对这笔奖金的争夺将于今年10月在新墨西哥州的举行“安萨里X奖”期间拉开序幕。这是一项火箭竞技比赛系列活动,届时约有30枚火箭在天空中一条三维空间轨道上竞相媲美,其情景犹如一场F1车赛,这是X-奖金设立者彼得 · 迪亚曼蒂斯(Peter Diamandis)的主意。而作为首艘可重复使用的亚轨道飞行器,“太空船一号”已经赢得了1000万美元的奖金。迪亚曼蒂斯的长远目标是让火箭竞争者直接进入太空,在通往这一目标的道路上,他希望今年这一类似于F1赛事的活动将带来巨大的经济效益。
迪亚曼蒂斯预料,一个有关亚轨道飞行器设计的“达尔文爆炸”现象即将出现。看来每一项设计都各有其长处,有些人期望在不久的将来就可以进行试飞,至于哪些设计将首先进入市场现在还很难说。由于现在太空船的造价低于F1赛车的造价,而许多腰缠万贯的投资者对其又表现出极大的兴趣,相信开始试飞的日子不会太远。
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1995年,美国圣路易斯市的商人集资设立了“安萨里X奖”基金。当时宣布将用1000万美元奖励最早进入太空的载人航天器,条件是航天器必须由私人投资建造,将一名飞行员和相当于两名乘客的重量送到100公里的太空边缘,并在两周内重飞一次。设立X奖的目的是鼓励私人投资制造载人航天器,让太空旅行进入寻常百姓家。
“安萨里X奖”一设立,就吸引了来自7个国家的26个团队展开竞争。其中最杰出的代表就是由微软公司投资建造的“太空船一号”接二连三地打破纪录,创造出私人航天器的奇迹,最终赢得了“安萨里X奖”。