航天飞机：下一代

去年11月，美国宇航局果断实施了为期两年半的替换老化航天飞机的计划。

它使该项目的核心被瓦解了。

美国宇航局突然悄无声息地取消了其所谓的太空发射计划 (SLI) 中航天飞机替换部分——这是 1986 年挑战者号失事后构思的一系列开发计划中的最新一项——并将该机构已为该计划拨出的近 50 亿美元中的大部分资金用于支付目前的航天飞机改进费用。其中包括：安全升级，它希望这能让航天飞机在 2020 年或以后无事故飞行。由于新航天飞机计划被搁置，美国宇航局宣布 SLI 将主要致力于建造轨道太空飞机，这是一种适度、相对便宜的可重复使用的飞行器，可容纳一小群机组人员（仅此而已），并将由一次性火箭发射。美国宇航局希望，当 OSP 在 2010 年准备就绪时，它将作为一种临时的替代运输工具，一种“太空出租车”，直到该机构能够生产出下一代航天飞机。

美国宇航局的决定是不得已而为之。该机构对设计和建造新航天飞机的最新估计已从 60 亿美元飙升至 350 亿美元。美国宇航局下一代发射技术项目经理加里·莱尔斯说，即使这只是一个最佳猜测。莱尔斯说，数字之间的差距反映了美国宇航局在预算预测方面的困难：“我们需要开发一个技术项目，为我们的成本模型提供准确的数据。”虽然围绕 SLI 的价格标签存在很多不确定性，但航天飞机的成本——每次发射 5 亿美元——至少是一个已知量。因此，美国宇航局官员认为他们别无选择，只能再次押注这个已有 30 年历史的系统。

但三个月后，哥伦比亚号在重返大气层时解体，七名机组人员遇难，NASA 决定搁置新航天飞机计划，结果却令人不安。三架幸存的航天飞机目前停飞，当它们再次飞行时，它们的运营成本将比以前更高。安全、维护和检查协议将会增加，而且由于航天飞机数量减少，总飞行次数将减少，而固定人员和基础设施成本保持不变。结果是：由于有如此多的经济和工程问题影响着航天飞机的概念​​，NASA 计划再飞行 20 年突然显得有点盲目乐观。

这意味着 NASA 必须比预期更早地面对
预计航天飞机的替代方案将面临巨大挑战。想法层出不穷。SLI 及其前身的航天飞机替代计划之所以终止，主要是因为 NASA 坚持要求任何新系统都要比航天飞机有巨大改进，而不仅仅是效率更高、成本效益更高。这往往使这些项目过于昂贵和雄心勃勃。但这些提案中的许多都包含关键技术信息，这些信息表明建造更耐用、更简单的可重复使用航天器是可行的——包括改进的火箭发动机、简化的地面支持程序和现代安全增强诊断系统等——而且花费比 NASA 担心的 350 亿美元更少。“自航天飞机首次飞行以来，几乎每年都会有一个像航天飞机一样的新型太空发射系统的提案，”鲍勃·帕金森 (Bob Parkinson) 说，他在 1980 年代为英国宇航公司管理现已解散的 Hotol 可重复使用运载火箭项目。“而且所有这些提案都会比我们现在的更好。”

飞跃，然后跌落

要了解航天飞机的问题所在，了解其工作原理非常重要。航天飞机的正式名称是“太空运输系统”，它是一个轨道器（载有机组人员和有效载荷的带翼飞行器），安装在一个大型外部燃料箱上，燃料箱两侧各安装有一个固体火箭助推器。点火时，两个固体火箭助推器（它们提供将航天飞机从发射台上抬起的大部分推力）和轨道器的三个主发动机都会点火；火箭助推器发动机由来自其自身罐的固体燃料（高氯酸铵和铝的混合物）驱动，轨道器的发动机由外部燃料箱中的氢气和氧气驱动。发射后约两分钟，当航天飞机在约 28 英里高空，刚好在太空边缘上方时，固体火箭助推器耗尽燃料并与外部燃料箱分离。它们降落伞落入海洋并被回收用于未来的任务。轨道器和外部燃料箱继续上升七分钟，然后外部燃料箱分离并在高层大气中解体。轨道器的发动机将航天飞机送入距离地球表面 150 至 300 英里的轨道。任务结束时，航天飞机像飞机一样着陆。

20 世纪 70 年代初，航天飞机被设计出来，这是一次巨大的飞跃。它是第一艘可重复使用的航天器，与阿波罗时代的一次性小型运载器大型发射系统相比，这是一个巨大的升级。它的载荷高达 50,000 磅，可以运载比任何其他载人航天器都要多的设备、机组人员和货物。

但航天飞机也存在重大缺陷，这些缺陷随着时间的推移变得越来越明显。首先，它的运行效率比 NASA 最初设想的要低，成本也更高。航天飞机的飞行需要数千人参与，部分原因是航天飞机工程师最初选择的一些技术存在问题。想想庞大的计算机阵列：每个机载系统（电气、发动机、航空电子设备、通信等）都是一个独立的组件，必须由地面人员监控。此外，在周转期间，需要数百名维护工人检查和维修从老式固体火箭助推器（由于它们使用固体燃料，一旦点燃就无法关闭，因此必须在每次飞行前进行加固以防故障）到脆弱的瓦片系统（用于防止航天飞机在重返大气层时燃烧）。

轨道器过重和过大也是一个缺点。在建造该系统时，五角大楼坚持要求能够回收损坏的卫星并将其送回地球，这就需要更大、更坚固的轨道器。但航天飞机几乎从未用于此目的。NASA 的目标是每年为公共和私营部门发射 30 到 50 次航天飞机进入太空，执行科学和卫星发射与回收任务。该机构认为，维护大型有效载荷和超大轨道器的成本将远远超过大量客户的成本，这些客户将让航天飞机及其机组人员忙个不停。但实际上，航天飞机平均每年只发射五次，付费客户很少；NASA 所希望的规模经济从未实现。“你很少看到最先进的技术投入使用的例子，”Nasawatch.com 编辑 Keith Cowing 说。“无论你冻结设计的时间有多长，你都会活下去。”

早在 1986 年，联邦官员就试图用一种名为国家航天飞机的航天器取代航天飞机。这种流线型飞行器应该看起来像一架飞机，并由一种名为超音速燃烧冲压发动机或超音速冲压发动机的吸气式发动机驱动进入轨道。1993 年，当人们意识到采用超音速冲压发动机技术的决定有点为时过早时，这一努力被取消。从那时起，人们开始考虑许多其他想法（见第 81 页的侧边栏），但 SLI 制作了一系列设计，首次提供了未来航天飞机可能的完整图景。洛克希德马丁、诺斯罗普格鲁曼、波音和轨道科学等公司设计了概念。它们都使用助推器将有效载荷送入轨道，但与航天飞机的相似之处仅此而已。例如，波音“bimese”可重复使用运载火箭 (RLV) 就是一种有趣的设计，它有两枚几乎相同的带翼火箭叠在一起，轨道器或有效载荷容器位于上部火箭的顶部。可重复使用的运载火箭在所有发动机点火的情况下垂直起飞。当每个助推火箭中的燃料耗尽时，它会与 RLV 分离并滑翔回地球降落在飞机跑道上。bimese 方法的优势在于，由于两枚火箭几乎没有区别，因此只需建造、测试、操作和维护一个带翼助推器设计。由于只有一组发动机、起落架、控制装置和其他系统，因此它的航天器管理起来比航天飞机简单得多。

诺斯罗普·格鲁曼公司在 SLI 期间特别忙碌。它提出了几种运载工具，包括一种使用巨大喷气式发动机的运载器，该发动机配备六个发动机和一个超大机翼，将助推器运送到 40,000 英尺的高空，在那里它将脱离并发射火箭，最终进入轨道。诺斯罗普与轨道科学公司合作生产了一种 RLV，它有两个相同的坦克形助推器，位于运载轨道器的上级太空飞机下方。这些所谓的反激式助推器装有喷气发动机，在助推器将上级火箭发射到大气层上方后，喷气发动机为它们提供动力返回地球。

我们封面上展示的飞行器是安德鲁斯太空技术公司的 Gryphon 概念，其意义更为深远。飞机式发射器将轨道飞行器加速至 6 马赫，然后高空释放。Gryphon 的创新推进系统使用从空气中抽取和压缩的液氧作为燃料。

SLI 竞争者最显著的特点是，开发人员已经消除了当前航天飞机设计中的所有最明显的缺陷。首先，过时的固体火箭助推器（每次使用后都需要进行大规模重建）已被淘汰，取而代之的是主要以氢气或煤油为燃料的现代液体燃料火箭发动机；它们更加安全，因为它们可以在点火后关闭或调低速度。另一项姗姗来迟的改进是：SLI 工程师已经取消了脆弱且不稳定的耐热瓦片系统。相反，他们使用轻质“瓦片”和镍合金外皮，外覆陶瓷纤维绝缘毯，以保护轨道器和上级助推器免受再入危险。与易碎的瓦片不同，金属外皮瓦片可以牢固地用螺栓固定在机身上。

下一代航天飞机上的计算机也经过了彻底改造。为了减少在地面上监控任务中每个微小事件所需的大量人力，SLI 航天器中用于测量温度、压力、应变或振动等的每台仪器都配有自己的内置计算机，该计算机兼作遍布整个 RLV 的网络节点。该网络由专家系统组成。这些程序可以不断读取网络上每台计算机的信号，实时隔离问题并预测故障。再加上当今航天飞机所缺乏的逃生系统，计算机可能在事故发生时通过发出何时跳伞的信号，甚至将乘员舱与处于危险中的 RLV 其他部分分开来挽救机组人员的生命。“安全有三个层次，”诺斯罗普·格鲁曼公司的空间系统主管道格·杨说。“第一是使航天器更可靠。第二是为机组人员提供逃生系统，第三是确保机组人员知道何时撤离。”

或许与航天飞机最大的不同在于，新的运载火箭和轨道器设计更符合 NASA 的实际需求，即更轻便、有时可无人重复使用的运载火箭。目前的航天飞机很少达到其满载能力，而且通常不需要机组人员。SLI 概念包含一个较小的轨道器，如果机上任务（例如将卫星送入轨道或远程进行科学实验）可以自动化，则无需机组人员即可飞行。

**这是会计问题，笨蛋
**

美国宇航局是否会用新运载工具取代航天飞机将取决于该机构改善其糟糕的预算技能的能力。在去年 9 月发布的一份关于 SLI 的报告中，国会总审计局指责美国宇航局缺乏任何现代财务控制。因此，美国宇航局取消航天飞机替换计划并不奇怪，这不一定是因为成本太高，而是因为该机构真的不知道要花多少钱。“SLI 看似简单，”波音幻影工程公司先进空间和发射系统总监凯文·内弗特说，“但在安全性和可靠性方面有非常积极的目标
和运营成本。”

在提出航天飞机替代品时，NASA 绕过了商学院的一条基本规则：“质量、速度和成本——二选一”。NASA 的项目基准是预计在十年内推出新型航天器，根据该机构的基准，该机构希望保证在 10,000 次飞行中不会有超过一次机组人员失踪——比航天飞机的预计性能好 40 到 70 倍，比航天飞机迄今为止的成绩好 180 倍。该机构要求，每隔几周发射一次的三到四辆运载火箭的机队每年的运营成本仅为 5 亿美元。这大约相当于一次航天飞机飞行的价格——这是一个好主意，但却是一个不可能实现的要求。“即使成本降低两倍也是件好事，”轨道科学公司高级项目总经理安东尼奥·埃利亚斯 (Antonio Elias) 在 SLI 被削减之前表示。“如果 NASA 能够将其每年 30 亿美元的 [航天飞机预算] 削减到 15 亿美元，那么就足以证明”新型可重复使用运载火箭的成本是合理的。

航空专家认为，如果 NASA 改变其商业模式并提高对新型航天飞机经济性的理解，那么目前在役的 RLV 设计的成本将远低于该机构预测的 350 亿美元。例如，NASA 不会要求制造一种不切实际的完美且过于可靠的航天器，这将使 RLV 的价格增加数亿美元，而更好的选择可能是接受一种成本低得多且更易于维护的计算机化机组人员逃生系统。这将使 RLV 比目前的航天飞机更安全，制造成本也更低。

事实是，NASA 正忙于哥伦比亚号事故的后续工作，对航天飞机的计划仍含糊其辞。该机构表示，明年将决定航天飞机的替换计划。一种可能就是用五年时间开发轻型燃料箱和更先进的火箭发动机等关键部件。然后，在 2009 年，NASA 可以决定是否继续建造基于这些技术的全尺寸 RLV；替换航天飞机可能会在 2015 年之前飞行。或者，如果 NASA 选择将新的 RLV 推迟更长时间，它可以利用这段时间开发“基础广泛、射程更长”的技术，例如改进的复合材料和超燃冲压发动机。

但 NASA 的长期目标是用吸气式、超燃冲压发动机推进、单级入轨飞行器（即拟议中的国家空天飞机的新版本）取代现有的可重复使用航天器，但这一愿望在很多年内都无法实现。NASA 距离克服关键技术障碍（如在超音速下维持推力和开发能够承受这种高应力应用的复合材料）还很遥远。由于超燃冲压发动机不太可能成为 NASA 建造的下一个 RLV，甚至可能不是下一个 RLV，因此太空专家认为 NASA 不能等待，否则将面临空手而归的风险，因为其武器库中没有任何可重复使用的太空飞机。“NASA 不能再玩了，”圣路易斯大学教授 Paul Czysz 说，他自 1950 年代以来一直在设计超音速飞机和太空飞机，“而是要建造一架飞行器。”

Bill Sweetman 是《大众科学》的特约编辑。