李瑞景

人類的飛天夢想古已有之，只是古時缺少強有力的航天運載工具而已。

1926年3月16日，美國著名物理學(xué)家戈達德在馬薩諸塞州發(fā)射了世界上第一枚現(xiàn)代火箭，從而邁出了人類追逐現(xiàn)代航天夢的第一步。

1957年10月4日，蘇聯(lián)“衛(wèi)星號”運載火箭將人類第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克”送入太空，拉開了美蘇兩大陣營航天競賽的序幕。

1982年，美軍退役中將格雷厄姆等學(xué)者撰寫的《高邊疆——新的國家戰(zhàn)略》一書問世，其精神內(nèi)核被時任美國總統(tǒng)里根采納，成為著名的“星球大戰(zhàn)計劃”的藍本。

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2018年6月18日，美國總統(tǒng)特朗普簽署“太空政策指令-3”，正式宣布組建美軍第六軍種——太空軍，“太空軍事化”已露端倪。

回顧第一枚現(xiàn)代火箭問世后的近百年航天史，我們不難發(fā)現(xiàn)，航天運載器的發(fā)明為人類與太空之間搭建了橋梁，從而為開拓“高邊疆”提供了無限可能。人類在宇宙中也許只是渺小的存在，但不斷改進的航天運載器必能讓我們伸出雙手去擁抱更廣闊的未知世界。因此，了解航天運載器這個幫助人類登天的“使者”十分必要。

運載火箭技術(shù) 拉開人類航天序幕

“現(xiàn)代火箭技術(shù)之父”羅伯特·哈金斯·戈達德發(fā)明的液體火箭開創(chuàng)了歷史，但仍稍顯粗糙。第二次世界大戰(zhàn)中，德國利用戈達德的設(shè)計理念成功研發(fā)了V-2火箭，并將之運用于實戰(zhàn)。戰(zhàn)后，德國科學(xué)家遭到美蘇兩國的“哄搶”，并直接助推了這兩個大國航天科技的迅猛發(fā)展。特別是那時的蘇聯(lián)，更是傾舉國之力投入到該領(lǐng)域的競爭中。1957年8月21日，蘇聯(lián)突擊研制的洲際彈道導(dǎo)彈R-7（北約代號SS-6“警棍”）完成首次全程飛行試驗。此后，由于要與美國爭奪太空主導(dǎo)權(quán)，蘇聯(lián)科學(xué)家在著名設(shè)計師科羅廖夫的帶領(lǐng)下對“警棍”進行“簡單粗暴”式的改裝，僅于6周之后的10月4日就誕生了世界上第一款運載火箭——“衛(wèi)星號”，由此揭開了人類航天事業(yè)的新紀元。

將導(dǎo)彈改裝成運載火箭，這種看似“簡單粗暴”的操作，背后卻折射出蘇聯(lián)專家們極其大膽的開創(chuàng)設(shè)想，可謂獨具慧眼。這主要表現(xiàn)在：

首先，在當(dāng)時眾多的航天器中，僅有導(dǎo)彈升限才能滿足需要。飛機曾經(jīng)寄托了人類飛天的夢想，可惜，其最大升限受到空氣密度等因素的制約——高度越高，空氣越稀薄，發(fā)動機進氣量就越小。當(dāng)時飛機的飛行高度只能達到10千米左右，即便在今天，也不會超過30千米。而導(dǎo)彈則不然，即便是二戰(zhàn)時期德國的V-2火箭，也已經(jīng)可以輕易到達96千米的高度，而V-2還僅僅只是早期的單極火箭。

其次，以導(dǎo)彈技術(shù)為基礎(chǔ)研制運載火箭具有巨大的開發(fā)潛力。不同于需要考慮氣動布局的飛機，火箭作為一種飛出地球的運載器，可以根據(jù)技術(shù)需要進行各種結(jié)構(gòu)設(shè)計。如通過多級火箭依次點火的方式，完成航天運載任務(wù)。

再次，相似的結(jié)構(gòu)使得運載火箭技術(shù)快速走向成熟。美蘇兩國一開始研制航天運載器，確實是不計成本，只求載荷更大、升限更高。但從長遠看，運載火箭作為一種商品，它畢竟需要參與商業(yè)競爭，因此必須具備良好的通用性，還要具備較好的經(jīng)濟性，降低發(fā)射耗費，以免陷入拖垮自身的窘境。在這方面，導(dǎo)彈作為一種由軍事需要而研制的武器，本身就擁有技術(shù)性能和數(shù)量上的優(yōu)勢，為運載火箭技術(shù)的發(fā)展探索了最合理的結(jié)構(gòu)布局。從這個角度而言，從軍用洲際彈道導(dǎo)彈向運載火箭的轉(zhuǎn)型，是軍民融合成功的典型案例。

此后，蘇聯(lián)在這條道路上越走越遠，二者的通用性也越來越緊密。時至今日，蘇聯(lián)的繼承者——俄羅斯仍在延續(xù)這條路線。當(dāng)然，由于技術(shù)相對成熟，火箭也是各國進行航天發(fā)射的主要工具。

航天飛機掀起飛天高潮

如果要問美蘇發(fā)展航天運載器的“理念”有什么不同，那么“成本戰(zhàn)略”無疑是最根本的不同。美國人在初期的航天開拓中就發(fā)現(xiàn)，這是一個“嚴重?zé)X”的領(lǐng)域。僅從早期的水星計劃到雙子計劃，再到阿波羅登月計劃，美國就直接耗資達255億美元之巨，約占1972年美國當(dāng)年經(jīng)濟總量的0.57%，以及當(dāng)年科研預(yù)算的20%。再這么“燒”下去，會不會造成戰(zhàn)略透支，最終在兩極爭霸的格局中被自己打敗，這是擺在美國當(dāng)局面前不得不思考的問題。因此，就在“阿波羅計劃”取得輝煌成就之時，美國開啟了“可重復(fù)使用的航天運載器”，也就是航天飛機的研制之路。當(dāng)然，“高大上”的航天飛機在研發(fā)階段也需要巨大的資金支撐。截至2011年，美國航天飛機計劃共花費1960億美元，這個數(shù)字相當(dāng)于14艘最新型的福特級航母的造價。

航天飛機結(jié)構(gòu)上大致可分為前中后三個部分。

前端為頭錐及乘員艙兩個部分。頭錐作為航天飛機的最前端，承擔(dān)著排頭兵的作用，這就要求它必須能夠承受住大氣飛行中摩擦產(chǎn)生的高溫，還要具備讓飛機良好飛行的氣動外形。乘員艙大致可分為三層，第一層為駕駛臺，有4個座位，承擔(dān)著航天飛機的駕駛功能。第二層為生活艙。不同于運載火箭狹小的空間，航天飛機生活艙的內(nèi)置保障設(shè)備可謂“奢華”，太空旅客甚至可以在其中穿著普通的地面服裝。一般情況下艙內(nèi)可容納4～7人，緊急情況下也可容納10人。第三層為儀器設(shè)備艙，是航天飛機良好飛行的重要保障。

中段為航天飛機的有效載荷，是一個攜載量可達29噸以上的大型貨艙。艙內(nèi)一般會根據(jù)不同任務(wù)，裝載衛(wèi)星、空間實驗室、大型天文望遠鏡及深空探測設(shè)備等。同時，中段作為其頭尾相接的關(guān)鍵部位，也承擔(dān)著重要的支撐作用。

末端是航天飛機的動力所在，安裝有三臺主發(fā)動機、兩臺軌道發(fā)動機，以及反作用控制系統(tǒng)。軌道發(fā)動機主要是為其提供變軌等多種動作所需的推力，反作用控制系統(tǒng)用來保持航天飛機的飛行穩(wěn)定和姿態(tài)變化。

2011年7月21日，隨著“亞特蘭蒂斯號”在美國佛羅里達州肯尼迪航天中心著陸，航天飛機完成了最后一次飛行。此時，美國人又將目光瞄準了“未來運載器”。

“未來運載器”承繼人類太空夢想

有人說，讓美國人放棄航天飛機的原因，主要是因為2003年“哥倫比亞號”航天飛機的失事事件。其實，在總計135次的飛行任務(wù)中，航天飛機的成功率還是相當(dāng)高的。更何況，“哥倫比亞號”航天飛機的失事原因并非是不可彌補的結(jié)構(gòu)性問題。其實，真正讓美國人放棄航天飛機的，很大程度上還是源于“成本戰(zhàn)略”。美國人發(fā)現(xiàn)，盡管航天飛機的軌道器部分可重復(fù)使用，但燃料箱還是只能使用一次，發(fā)射1千克載荷的成本仍然高達2.2萬美元。因此，早在尚未出事的1997年，美國宇航局就已頒布綱領(lǐng)性文件——《航空和航天技術(shù)——三項成果之柱》，稱必須把1千克載荷的成本控制在2200美元以下。此后，美國波音、洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼等航天巨擘紛紛提出各自的未來運載器計劃。目前，美國的未來運載器盡管尚未露出廬山真面目，但基本思路已經(jīng)初露端倪。

就在“哥倫比亞號”航天飛機失事的同一年，美國宇航局就完成了對新一代航天運載器技術(shù)標準的審核工作。該標準指出，未來運載器需要具備以下四大性能：其一，可多次重復(fù)使用，并把這個標準初步定在100次左右，此舉可大大節(jié)省航天成本。其二，高安全性能和低故障率，預(yù)計新一代航天運載器故障率為萬分之一?？紤]到原來的“挑戰(zhàn)者號”航天飛機發(fā)射不到50次就出了問題，而“哥倫比亞號”更是以失事告終，這種“萬一”的故障率在理論和實踐上恐怕還有些距離。其三，既滿足民用，也滿足軍用，軍民共同研發(fā)使用可大大節(jié)約成本。在這點上，美國宇航局、空軍（未來的太空軍）已達成高度共識，雙方同意在技術(shù)、資金上通力合作。當(dāng)然，民用和軍用領(lǐng)域在許多方面是存在不同需求的，民用要求大載荷，每次能運載30噸左右貨物，還要能讓宇航員自由往返，但對速度的要求不高。與之相反，軍用領(lǐng)域則對速度十分敏感，要求能以其為平臺，在2小時甚至是1小時內(nèi)攻擊到地球上任意一個角落。而對能否載人要求不高，載荷量也只需在10噸左右即可。其四，飛行救生系統(tǒng)，這主要是借鑒“哥倫比亞號”航天飛機失事，造成7名宇航員殞命的教訓(xùn)，要求未來航天器也能裝備有類似目前戰(zhàn)斗機那樣的逃生系統(tǒng)。

多年來，美國先后啟動了“冒險星”項目，X-33、X-34、X-37、X-43航天技術(shù)驗證飛機，以及“獅身鷹頭獸像”雙級入軌航天運載器設(shè)計方案等項目。與此同時，日本宇宙科學(xué)研究所的HSFD方案，以及意大利的PRODA航天飛行器計劃和FAST-2計劃都在緊鑼密鼓地進行?？梢灶A(yù)見，在不遠的將來，航天運載器技術(shù)必將迎來新一輪的突破，并進一步助推人類飛天的夢想。