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    歐空局開發可重復使用的太空飛機:發射時放火箭內部

    類別:社會新聞發布人:聯迪發布時間:2017-04-19

    在航天飛機退役之后,人類就一直缺少能執行多次任務的宇宙飛船。歐洲空間局的“太空騎士”(Space Rider)是否能填補這一空缺呢?

    ▲太空騎士最早可能在2020年到達地球軌道

    宇宙飛船的造價非常高昂。它們需要數十年時間進行設計、測試和建造。然后,在船員艙載著宇航員返回地面之后,宇宙飛船就永遠失落在無垠的宇宙中。它們的第一次任務也是最后一次任務。

    ▲NASA的航天飛機在2011年退役,至今還沒有新的可重復使用的太空飛機

    為什么不使用一種返回地球之后還能繼續執行多次任務的飛船呢?類似飛機的宇宙飛船概念,最早是由德國科學家歐根·桑格(Eugene S?nger)在1933年提出的。幾十年之后,太空飛機的研究和開發轉移到了美國。1959年以及20世紀60年代的大部分時間,美國航空航天局(NASA)和美國空軍(USAF)在桑格的工作基礎上,發射了試驗機型“X-15”。X-15的起飛既不像火箭,也不像飛機——它是從美國空軍的B-52轟炸機上丟下去的。一旦脫離轟炸機,X-15就會啟動火箭發動機,飛到美國空軍所決定的太空高度——80.4千米——之上。

    X-15并沒有到達地球軌道,它本身只是一個試驗品。不過,它是自20世紀30年代之后最接近太空飛機的航天器,直到1981年被NASA發射的航天飛機所取代。1971年,時任美國總統理查德·尼克松(Richard Nixon)宣布了建造航天飛機的計劃。這種新型的飛船能像飛機一樣降落,但起飛時需要借助火箭。當然,人們夢想中的太空飛機是能像大型客機一樣方便、快捷地起飛和降落。在NASA的航天飛機編隊于2011年退役之后,這個夢想又變得縹緲起來。前蘇聯也有十分類似美國航天飛機的設計——暴風雪號航天飛機(Buran)。不過,暴風雪號只進行了一次無人駕駛的測試任務,并沒有將宇航員送入地球軌道。

    受到NASA在20世紀80年代發射的航天飛機啟發,歐洲空間局(ESA)也開始設計自己的“赫爾墨斯太空飛機”(Hermes spaceplane)。這種太空飛機重量為21噸,能搭載3名宇航員,并運送3.3噸的貨物前往海拔800千米的軌道上。歐洲空間局最新的太空飛機計劃“太空騎士”(Space Rider)則不像“赫爾墨斯”這么有野心,它只能載重800千克,能到達的高度只有400千米。但是,“太空騎士”的意義在于,它表明了可重復使用的太空飛機設計并沒有隨航天飛機的退役而終結。

    無獨有偶,總部位于倫敦的跨國軍火工業和航空設備公司英國宇航系統(BAE Systems)——前身是英國宇航(British Aerospace)——當年也推出了“霍特爾”(Hotol)太空飛機的概念。“Hotol”是“Horizontal Take-Off and Landing”的縮寫,意為“水平起飛和著陸”。顧名思義,“霍特爾”可以像一架普通飛機一樣在跑道上起飛和降落。相比之下,“赫爾墨斯”需要搭在歐洲空間局的新型火箭——阿麗亞娜5(Ariane 5)運載火箭——上進行發射。

    “赫爾墨斯”和“霍特爾”最終都沒有成為現實,但在某種程度上,它們又都繼續存在著。歐洲空間局最新的太空飛機計劃“太空騎士”也將使用一枚歐洲的火箭——織女星(Vega)運載火箭——進行發射。

    與歐空局研制的迷你無人航天飛機IXV(Intermediate eXperimental Vehicle,IXV;中文譯為過渡試驗飛行器或太空計程車)一樣,太空騎士也將在法屬圭亞那進行發射。不過與IXV和赫爾墨斯不同,太空騎士將作為一個軌道自動化實驗室,可用于材料的測試。屆時,太空騎士的載荷艙將打開,暴露在太空環境中。

    歐洲空間局太空騎士和織女星火箭開發項目負責人喬治·圖米諾(Giorgio Tumino)說:“(太空騎士)第一個主要任務是在軌道上進行一系列技術的演示,包括地球觀測、自動化探索和微重力實驗等。”

    在圖米諾及其團隊研究、開發IXV和太空騎士的同時,歐洲其他國家也提出了自己的設想。英國“噴氣發動機”(Reaction Engines)公司正在研發一種被稱為“云霄塔”(Skylon)的無人駕駛太空飛機,可用于發射衛星。德國航空航天中心(DLR)則提出了“太空班機”(SpaceLiner)的概念,可以用于載人亞軌道飛行。然而,無論是云霄塔還是太空班機,短時間內都還無法看到它們出現在地球軌道上,至少不會在太空騎士之前。

    ▲許多太空飛機,包括美國的X-34,都對無人駕駛的設計進行了探索

    太空騎士可能會在2020年或2021年到達地球軌道,這得益于去年12月時,歐洲空間局的27個成員國批準了對該項目的設計撥款。這筆錢將確保歐洲空間局與意大利航空航天研究中心(CIRA)、泰雷茲阿萊尼亞宇航公司(Thales Alenia Space)和洛克希德馬丁公司(Lockheed Martin)的合作順利進行,在2019年時完成太空飛機的設計。目前該項目由意大利航空航天研究中心負責管理。

    不過,太空騎士的首次飛行很可能不會脫離地球大氣層。該飛行器的全尺寸模型將于2019年通過大氣氣球或直升機進行投放,以測試其著陸效果。設計中采用了一個翼傘系統,可以幫助太空騎士減速。圖米諾稱,這些飛行和著陸測試將在兩個地點進行,可能是圣瑪利亞島,也可能是瑞典的S-range飛行測試場。

    大氣氣球可以用來測試太空騎士的全程降落飛行,翼傘系統可以引導太空騎士著陸,而直升機可以投下太空騎士,進行接近跑道和最終著地的測試。20世紀60年代,NASA曾經使用翼傘進行過雙子座載人飛船的跑道著陸引導試驗,接著在20世紀90年代初的SpaceWedge項目和2000年的X-38試驗機(后來被取消)測試中也使用過翼傘。

    此前,在IXV項目中也進行過這類著陸測試,測試地點包括美國亞利桑那州和地中海的撒丁島。IXV的唯一一次飛行是在2015年,當時它以每秒7.5公里的速度進行了100分鐘的亞軌道飛行。在降落到太平洋之前,IXV總共飛行了25000公里。

    太空騎士將降落在葡萄牙圣瑪利亞島的一條跑道上。圣瑪利亞島位于大西洋,是亞速爾群島的一部分。圖米諾表示,該島位于大海當中,很適合在太空騎士投入運行后作為返回地球的著陸點。

    在IXV之后,歐洲空間局曾經提出過一項名為“歐洲可重復使用在軌驗證器項目-創新太空飛行器”(Programme for Reusable In-orbit Demonstrator for Europe–Innovative Space Vehicle,Pride-ISV)的計劃。“太空騎士”正是Pride-ISV項目的新名字,只是在設計上略有不同。

    圖米諾解釋稱,太空騎士將比IXV稍微大一些,后者長度為4.4米。他相信太空騎士將會成功,因為它是基于已經成功飛行的IXV開發的。“我們沒有很多未知的問題,我們只需要把一切整合在一起,使其最有利于任務目標的實現,”他說,“一切都已經證實是可行的,而且很容易實施。”

    盡管太空騎士是降落在跑道上,但它的起飛卻不是在跑道上。與NASA的航天飛機相比,太空騎士的體積小了很多,但同樣也需要借助火箭進行垂直發射。暴風雪號航天飛機和NASA的航天飛機與搭載它們的火箭推進器是并排而立的,而太空騎士將被放置在織女星-C運載火箭的頂部。作為織女星運載火箭中體量最大的成員,織女星-C將在2019年發射。

    ▲太空騎士的體積相對較小,在發射時能夠被密封在火箭的整流罩內

    不過,太空騎士并非以這種方式發射的第一臺太空飛機。2010年,美國空軍首次使用阿特拉斯-5型運載火箭發射了無人太空飛機X-37B軌道試驗飛行器(Orbital Test Vehicle,OTV)。這臺飛行器由參與過航天飛機項目的波音公司研發,體積比太空騎士大很多。它的長度達到9米,能在軌道上運行至少270天。在第4次任務中,X-37B實現了軌道飛行。美國空軍在去年宣稱,他們將使用X-37B測試電力推進技術。

    太空騎士是一款民用太空飛機,它未來的任務時間只有幾個月。在發射期間,太空騎士和X-37B都將被密封在火箭整流罩內。整流罩是火箭的突出部分,由兩片子彈頭形狀的半殼組成,使火箭能切開低層的大氣。一旦到達大氣層頂端,這兩片半殼就會從火箭上分離,墜落到地面。

    X-37B和太空騎士還有另一個共同點:它們都裝有太陽能板,可以在軌道飛行時為自己供能,從而延長任務時間。太空飛機在重新使用時都需要進行翻新,太空騎士也不例外。當然,最重要的是,我們終于又有機會見到新的太空飛船在地面和太空之間往返穿梭了。

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