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美国为何还要制造航天飞机？

——新发射系统将满足10天内发射10次的要求

张梦然 //m.auribault.com 2014-07-29 来源：科技日报

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　　今日视点

　　随着2011年“亚特兰蒂斯”号的退役，在过去近半个世纪的时间里，一直作为美国太空事业标志的航天飞机，已经正式归老于历史的博物馆。不过，在该国的一些相关部门看来，为了国家航天事业的可持续发展，美国依然需要新一代航天飞机。

　　据美国《大众科学》杂志网站7月25日报道，美国国防部先进项目研究局（DARPA），正在酝酿一项制造可循环使用的新型航天飞机的计划，以便未来在更廉价的基础上完成各种类型的发射任务。而与以往的航天器项目相比，这项计划最令人震惊的地方在于，以新型航天飞机为核心的新发射系统，将满足在10天内发射10次的要求。

　　飞向太空的“航班”

　　一直以来，航天领域的科学家和工程师们都在致力于研发可在短时间内快速完成二次发射的航天器系统。然而，在美国太空基金会研究分析部主任迈卡·沃尔特·朗格看来，直到目前依旧没有人在此方面取得实质性的进展：“航天产业提出的标准早就摆在那里，但完全符合这些要求的产品，至今还不存在。”

　　不过，对于此次DARPA提出的计划，迈卡表示了乐观的态度：“人们可以随意拿计划中的新产品与现有的同类做比较，最终都会发现前者达到了一个新的高度。”

　　目前，参与该项目并且前期成果得到DARPA认可的，主要有三家公司：与蓝色起源合作的波音公司、与美国航天公司合作的麦士登太空系统公司，以及携手维珍银河的老牌的诺斯罗普·格鲁曼公司。此外，太空探索技术公司近期也宣称，自己的“猎鹰9”号可循环使用火箭测试成功。

　　运载火箭实现可循环使用是新发射系统的基础。依照迈卡的介绍，新发射系统的工作流程，首先是将高超音速运载火箭发射升空，当其到达指定高度时，释放所携带的新型航天飞机，任其执行任务。随后，火箭以极其缓慢、温和的方式下落到指定地点，工程人员将其回收、抛光、重新涂装后，再次置于发射台执行下一次任务。理论上说，使用可重复发射火箭，将大幅削减发射的总体成本。在有效减轻美国国家航空航天局（NASA）财政负担的同时，还能资助大学生、创业者等多种团体，共同促进航天事业的发展。

　　形象地说，包括新型航天飞机在内的新发射系统，就犹如航空公司的日常航班一样，执行着载客、卸货的循环任务。两者唯一的不同在于，前者的目的地是太空，而不是机场。

　　石破天惊的发射标准

　　在新的发射系统中，可重复利用的火箭固然重要，但航天飞机才是真正的核心。

　　目前，该新型航天飞机已经被DARPA定名为“试验航天飞机”，简称XS-1。DARPA对XS-1的要求非常独特：这架飞行器必须能够以每次少于500万美元的发射成本，将3000磅到5000磅重的物资运至低地球轨道。同时，整个发射过程也必须进行简化和提速。DARPA的希望是在10天内看到10次发射。

　　这一标准，用“石破天惊”来形容亦不夸张。因为在人类航天事业的历史上，还从来没有用可循环使用的火箭能以如此密集的频率向地球轨道发射航天器。

　　类似的可重复使用的飞船虽然存在，比如维珍银河正在研发的产品，但它只能到达亚轨道的高度；NASA引以为豪的航天飞机可以多次使用，但需要很多天的维护修葺之后，才能开启下次发射；即便是当前一次性使用的卫星运载火箭，也没有一枚具备新飞船那样的运载力和低成本——轨道科学公司的“飞马座XL”火箭将1000磅物资运至低地球轨道的成本，是单次3000万至4000万美元；SpaceX公司“猎鹰9”号的能力虽然稍强，但运载20000磅的成本也达到了单次5400万美元。

　　廉价的发射成本，意味着可以向太空运送更多的物资，进而给更多的人发展的机会。此前在NASA参与可循环飞行器研究的佐治亚理工大学航天工程学教授阿兰·威力特表示，DARPA希望XS-1在投入使用之后，可以运载一些微型卫星进入太空，以供科研院所、创业公司等组织使用。

　　此外，新系统对于军事也有着重要意义。“比如我们需要再次对一个类似本拉登一样的恐怖分子发动攻击，但监控卫星却不能准时抵达目标区域上空。以前这种情况下只能等待，但今后我们可以立即朝头顶上发射一颗新卫星。”迈卡说。

　　头号难题是“安全性”

　　可以说，一旦“试验航天飞机”XS-1系统研发成功，人类对于太空的探索将获得质的飞越。

　　“现在策划和筹备一次发射任务，周期都是以年来计算。而XS-1投入使用后，我们需要做的，就是把物资、卫星之类要发射的东西往它身上一扔，然后就可以回家吃饭了。”威力特说。

　　有人也许会问，为什么之前我们无法制造XS-1这样的产品？对于这个问题，不同的专家有不同的理解。曾在上世纪80年代领导NASA载具分析部门的威力特认为，关键在于技术的限制。诸如高超音速载具技术，此前一直未有突破。另外，火箭发射完成后的缓降技术也是一大难点——从太空的高度坠落地面而不发生严重损伤，决定着火箭能否再次利用。

　　在威力特的同事、佐治亚理工大学航天工程师米切尔·沃克看来，XS-1的研发需要克服包括以上问题在内的许多难点，而最大的挑战则来自于“背靠背”的两次发射之间。“从火箭完成第一次发射后落到地面开始，工程人员必须保证它在24小时之内可以进行第二次发射。但不是每一名客户都有信心把自己价值百万美元的物资装到还有余温的火箭之上。”米切尔说。实际上这也是为什么老式航天飞机无法胜任DARPA提出的10天发射10次这一要求的原因。它们复杂的检修不仅拖延了发射周期，也额外增加了整体成本。

　　总之，在安全性问题最终得到解决之前，XS-1的运载目标将定位在低价、小型的物资上，而不是“韦伯”望远镜之类价值连城的贵重仪器。它将以廉价的运费、快捷的安检、大批次的发送等优点，吸引潜在客户。此外，动力学的多个技术节点也在等待着XS-1攻关。在米切尔看来，这些都是DARPA级别的大难题。

编辑：尹盼秋