下一代航天飞机：混合动力发动机使从跑道到轨道的任务成为现实

一台拆下来的喷气发动机，连接在一个巨大的通风口上，静静地放在英国牛津郡卡勒姆科学中心的室外测试设施中。发动机轰鸣着启动，蒸汽柱从通风口喷涌而出，给人一种工业烟囱的感觉。工程师艾伦·邦德看到了更具未来感的东西。“我们正在目睹一场交通革命，”他说。对邦德来说，这台发动机代表着世界上第一艘完全可重复使用的宇宙飞船的开始，这种新型飞船有望做到任何航天器都做不到的事情：提供可靠、经​​济实惠且定期往返近地轨道的通道。

邦德和他与两位同事于 1989 年创立的航空航天公司 Reaction Engines 的工程师将未来的飞行器称为 Skylon。该飞行器将拥有与协和式飞机相似的机身，像传统客机一样起飞，加速至 5.2 马赫，然后像火箭一样冲出大气层。在返程途中，Skylon 将降落在它发射时的同一条跑道上。

邦德的协同吸气式火箭发动机（Sabre）——部分是化学火箭，部分是喷气发动机——将使 Skylon 成为可能。Sabre 具有独特的能力，可以使用空气中的氧气，而不是像航天飞机上的外部液氧罐。这种类型的发动机绑在航天器上，将消除对消耗性助推器的需要，助推器使得将人和物体发射到太空既慢又昂贵。Reaction Engines 未来项目总监马克·汉普塞尔 (Mark Hempsell) 说：“Skylon 可以在着陆后两天内准备好返回太空。”相比之下，航天飞机需要一个外部燃料箱和两个火箭助推器，需要大约两个月的时间才能返回（由于发射和溅落期间受到损坏），成本为 1 亿美元。汉普塞尔引用了 Skylon 的简单性，估计一次任务的成本可能只有 1000 万美元。这个价格甚至低于私人航天公司 SpaceX 计划用其两级猎鹰 9 号火箭发射货物收取的 5000 万美元。

发动机在推进太空时会产生令人难以置信的热量，而热量是一个问题。热空气很难压缩，而燃烧室压缩不良会导致发动机功率弱且效率低下。Sabre 必须能够在空气进入涡轮压缩机之前迅速冷却空气。11 月，Reaction Engines 成功测试了原型机吸入灼热空气然后瞬间冷却的能力，而不会产生导致任务终止的霜冻，这标志着该公司迈向了一个关键的里程碑。英国大学和科学部长戴维·威利茨 (David Willetts) 称这一成就“非凡”。

Skylon 概念也给欧洲航天局 (ESA) 留下了深刻印象，该机构去年审核了 Reaction Engines 的设计，发现建造该飞行器没有任何技术障碍。更大的挑战可能是获得资金。尽管 ESA 和英国政府已为该项目投资了 9200 万美元，但邦德和他的团队计划向公共和私人投资者寻求完成该发动机所需的其余 36 亿美元，他们表示该发动机可能在未来四年内准备好进行飞行测试。建造该飞行器本身需要更大的投资：140 亿美元。

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单级入轨宇宙飞船（SSTO）的探索几十年来一直困扰着航空航天工程师。邦德对这一课题的探索始于 20 世纪 80 年代初，当时他还是一名年轻的工程师，与劳斯莱斯公司合作，作为团队的一员，负责为英国宇航开发可重复使用的宇宙飞船。就在那时，他提出了混合动力发动机的想法。但该团队一直无法找到如何在不增加过多重量的情况下以超音速冷却发动机的方法。“当飞机达到 2 马赫左右时，空气会变得非常热，极难压缩，”邦德说。劳斯莱斯和英国政府怀疑是否存在简单而经济的解决方案，因此取消了对该计划的资助。

与此同时，NASA 和洛克希德·马丁公司也有自己的计划，即制造完全可重复使用的航天器 VentureStar，以替代部分可重复使用的航天飞机。VentureStar 演示器被称为 X-33（1996 年登上了本杂志的封面），是一种矮胖的三角形火箭，可以垂直起飞并像航天飞机一样滑翔返回地球。消除将航天飞机送入太空所需的消耗性火箭理论上可以将发射成本从每磅 10,000 美元降低到每磅 1,000 美元。但到 2001 年，在为该项目投入了超过 10 亿美元后，该机构以技术挫折和成本膨胀为由停止了该项目。“我们放弃了，因为我们觉得最好把精力集中在其他成本更低的将有效载荷送入轨道的方法上，”NASA 负责探索系统开发的副副局长 Dan Dumbacher 说，他花了两年时间研究 X-33。

随着航天飞机的退役，SpaceX等公司签订了为国际空间站（ISS）补给的合同，NASA加大了对一次性助推器的投入，以便将人类和探测器送往地球轨道之外。NASA用于深空探索的新平台——太空发射系统（SSL），将成为有史以来最强大的火箭。NASA专注于太空探索，而实现这一目标需要大型火箭，这意味着NASA不再需要建造自己的平台来将货物送入轨道。“从纯技术角度来看，我们都希望进行SSTO，”Dumbacher说。“但我们专注于确保人类能够更深入地进入太空，而这是一项昂贵的提议。”

消耗性火箭适合用于低地球轨道以外的任务。与单级火箭相比，它们可以运载更多货物和燃料。火箭还具有可靠性——平均而言，每 20 次发射中只有一次会失败，部分原因是它们不会因重复使用而磨损。最后，火箭的研发成本较低，因为大部分技术自 20 世纪 60 年代以来就已存在。

但对于国际空间站的常规任务，或将小型观测卫星停在轨道上，经济性是一个关键考虑因素。SpaceX 首席执行官埃隆·马斯克 2011 年在全国新闻俱乐部告诉听众，私人太空飞行需要遵循更接近航空公司的模式。“如果飞机不能重复使用，就很少有人会乘坐飞机，”他说。SpaceX 计划让火箭级可重复使用，但这样做也有缺点：虽然可以回收火箭级，但设计出在重返大气层时仍能保持良好工作的部件会增加一定程度的复杂性和成本。

四小时之内可飞往世界任何地方。
汉普塞尔表示，Skylon 火箭每年可飞行 100 次，如果真是这样，那么在第一年就可以收回研发和建造成本，只剩下燃料、维护和管理费用。邦德的发动机技术除了能保证运载火箭从始至终完好无损外，还具有另一个优势：超音速飞行。“它能让飞机在四小时内飞到世界任何地方，”邦德说。

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当空气以五倍音速撞击发动机时，温度可高达近 2,000 华氏度。在空气到达涡轮压缩机和推力室之前立即释放这些热量，是 Reaction Engines 工程师面临的最艰巨的技术挑战。Bond 的解决方案是一种热交换器，其工​​作原理是将冷液氦流过一排金属壁如纸一样薄的管道。当灼热的空气通过交换器时，冷却的管道会吸收能量，在几分之一秒内将空气冷却到零下 238 华氏度。Bond 说，他的交换器可以处理大约 400 兆瓦的热量（相当于一个中型天然气厂）。“如果它在发电站，它可能是一个 200 吨重的热交换器，”他说。“我们建造的这个大约有 1.4 吨。”

对于火箭科学家来说，没有什么比重量更重要。NASA 的 Dumbacher 说：“每将一磅物体送入轨道，就需要大约 10 磅左右的燃料才能将其送入轨道。SSTO 面临的挑战一直是让飞船尽可能轻，并产生尽可能大的推力。”Bond 估计 Skylon 火箭起飞时的重量约为 358 吨，并携带足够的氢燃料将自身和大约 16.5 吨的有效载荷（与大多数运营火箭的容量大致相同）送入轨道。

如果发动机通过飞行测试，Reaction Engines 的计划之一就是将该技术授权给航空航天业的潜在合作伙伴。邦德希望热交换器最近的成功能激发人们的兴趣。经过 30 年的研究，这无疑激发了他的灵感。“它代表了推进技术的根本性突破，”他说。“这是我一生中最自豪的时刻。”

本文原载于《大众科学》杂志2013年9月号。