航天飛機要“重出江湖”？

文/ 蘭順正

近日，有俄羅斯火箭航天業(yè)消息人士對衛(wèi)星通訊社稱，俄羅斯“閃電”科研生產(chǎn)聯(lián)合體將為商用市場研發(fā)微型航天飛機。因此，有關(guān)專家預(yù)測，航天飛機有可能再次成為航天領(lǐng)域的焦點之一。

三十年輝煌終成過去

航天飛機是以火箭發(fā)動機為動力，可重復(fù)使用的航天器，一般由軌道器、外貯箱和固體助推火箭助推器等部分組成，既能像火箭一樣垂直起飛，像太空飛船一樣在軌道上運行，又能像飛機一樣水平著陸。

在航天飛機研發(fā)方面，美國無疑是其中的翹楚。美國國會于1972年年初批準(zhǔn)航天運輸系統(tǒng)采用Space Shuttle方案。歷時9 年，花費約100億美元，1981 年4月美國第一架航天飛機哥倫比亞號飛上了太空。直至2011年，美國在30年內(nèi)研制生產(chǎn)了5架航天飛機，分別是“哥倫比亞號”“挑戰(zhàn)者號”“發(fā)現(xiàn)號”“阿特蘭蒂斯號”和“奮進號”。

美方一開始鐘情于航天飛機的主要原因之一，是希望航天飛機可重復(fù)利用的特性能使得發(fā)射成本控制在單次5400萬美元左右，但隨后的事實卻大相徑庭。截止2011年的統(tǒng)計顯示，美國航天飛機計劃共花費1960億美元，其中每架航天飛機的造價約為120億美元，單次發(fā)射的費用約為4億5千萬美元，超預(yù)算近10倍。而且航天飛機返回后還要進行大量費時費力的檢修，老化程度也比預(yù)期的要快，這些都讓美國宇航局的財政不堪重負(fù)。再加上航天飛機的安全性很成問題，“挑戰(zhàn)者號”和“哥倫比亞號”先后機毀人亡，造成14名航天員遇難，因此2011年7月21日美國阿特蘭蒂斯號航天飛機完成了“謝幕之旅”后，航天飛機不得不退出了歷史舞臺。

▲ 美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機

▲ 美國航天飛機發(fā)射升空

不過，航天飛機雖然沒能把發(fā)射費用大幅降低，但是它的一些特性還是為人所稱道的。相比其他航天器，航天飛機具有容積廣、可載人員多，以及有效載荷量大等特點。

以美國航天飛機為例，其軌道器全長37.24米，起落架放下時高17.27米；三角形后掠機翼的最大翼展23.97米；不帶有效載荷時質(zhì)量68噸，飛行結(jié)束后攜帶有效載荷著陸的軌道器質(zhì)量可達(dá)87噸 。一般情況下可容納4~7人,緊急情況下也可容納10人。航天飛機中部的有效載荷艙長18米，直徑4.5米，容積300立方米，一次可攜帶質(zhì)量達(dá)29噸多的有效載荷，艙內(nèi)可以裝載各種衛(wèi)星、大型天文望遠(yuǎn)鏡和各種深空探測器等。為了在軌道上施放所攜帶的有效載荷或回收軌道上運行的有效載荷，艙內(nèi)設(shè)有遙控機械手，在失重條件下可以迅速而靈活地載卸10噸多的有效載荷。由于“肚大能容”，多年來航天飛機在在軌服務(wù)領(lǐng)域表現(xiàn)出眾，不但頻繁在天地間運載人員和貨物，還在太空進行了大量的科學(xué)實驗和空間研究工作。另外，在大型航天器修理、建造空間站等項目上，航天飛機也是出力甚巨。

▲ 經(jīng)過206分鐘的飛行后，暴風(fēng)雪號航天飛機成功降落

鑒于航天飛機的巨大實際作用以及政治象征意義，蘇聯(lián)也出臺了自己的“暴風(fēng)雪”航天飛機計劃，并制造了暴風(fēng)雪號和小鳥號兩架航天飛機。其暴風(fēng)雪號航天飛機長36.37米、高16.35米，翼展23.92米，機身直徑5.6米，起飛質(zhì)量105 噸，外形和美國航天飛機相似，設(shè)計運載人數(shù)為10人，設(shè)計飛行壽命100次。1988年11月15 日，暴風(fēng)雪號航天飛機搭乘能源號運載火箭從拜科努爾航天發(fā)射場起飛進行無人測試，用時206分鐘圍繞地球飛行兩圈后返回發(fā)射場著陸跑道。這既是暴風(fēng)雪號的首航，也是唯一一次飛行，之后由于蘇聯(lián)政局波動和缺乏資金，航天飛機項目被叫停，后來隨著蘇聯(lián)的解體，1993年俄羅斯徹底終止了航天飛機計劃。

▲ 1988年11月15日，蘇聯(lián)暴風(fēng)雪號航天飛機準(zhǔn)備發(fā)射

▲ 廠房中的暴風(fēng)雪號航天飛機

無人版航天飛機再受熱捧

近年來，隨著人類太空活動的日益增加，可重復(fù)使用航天技術(shù)的熱度也逐漸上升，航天飛機這類航天器也開始重新受到重視。同時，為了避免再次踏入成本的陷阱，無人機化成為了主要趨勢。

當(dāng)前，美國研制的X-37B可重復(fù)使用航天器是世界上第一款最接近傳統(tǒng)航天飛機的飛行器。

X-37B的尺寸約為航天飛機的1/4，質(zhì)量為4989.5千克，長8.8392米，翼展約4.572米，高2.926米，其有效載荷估計在227千克左右，發(fā)射方式采用火箭垂直發(fā)射,并置于火箭頂端的整流罩內(nèi)。美國研制出的第一架X-37B于2010年正式起飛實驗，至今已經(jīng)執(zhí)行多次飛行任務(wù)。

相比傳統(tǒng)航天器，X-37B具有以下特征：一是在軌時間長，航天飛機在軌時間一般只有15天左右，而X-37B的在軌巡航時間為200~600天或更長。二是變軌能力強，根據(jù)波音公司公布的技術(shù)資料，X-37B能飛行在176~800千米的近地軌道，以第一宇宙速度7.9千米/秒的高速飛行，繞地球飛行一圈的時間為90分鐘，重訪同一地點的時間為4天。這意味著X-37B的變軌能力、機動性比一般可變軌衛(wèi)星更快、更便捷，具有多軌道能力。

而歐空局對航天飛機的相關(guān)探索研究也從未間斷過。雖然當(dāng)年其研制的赫爾墨斯號航天飛機沒有成為現(xiàn)實,但歐空局仍然通過一系列項目持續(xù)開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與試驗驗證,如大氣層再入試驗飛行器項目、過渡試驗飛行器項目等。

2015 年 2 月 11 日,歐空局用于驗證大氣層再入技術(shù)的“迷你航天飛機”——IXV,由織女星運載火箭從法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空。該飛行器長約 5 米,高 1.5米,寬 2.2 米,重量約 1.85 噸。 最終飛行器在升空 100 分鐘、累計飛行 2.5 萬公里之后,借助降落傘濺落在了太平洋中,并由回收船打撈回收。

▲ “太空騎士”是一種小型航天飛機，體型預(yù)計要比 IXV 稍微大一些

▲ 歐空局的“迷你航天飛機”IXV成功返回地球

2017年，艾維歐公司和“泰·阿”空間公司啟動了“太空騎士”的研制工作。“太空騎士”是一種小型航天飛機，體型預(yù)計要比 IXV 稍微大一些，不僅能為歐洲用戶提供能量、控制、數(shù)據(jù)處理和遙測等服務(wù)，還能滿足載荷多樣化的軌道高度和傾斜度需求，用于開展微重力實驗，以及對地觀測、科學(xué)、通信和機器人探索技術(shù)。該航天飛機由可重復(fù)使用再入艙、一次性使用服務(wù)艙和推進系統(tǒng)3部分組成。再入艙由“泰·阿”空間公司負(fù)責(zé)制造，采用升力體設(shè)計，可重復(fù)使用6次，能裝載800千克有效載荷，在軌飛行時間超過2個月。在2020年底，歐空局同泰雷茲·阿萊尼亞空間意大利公司和艾維歐公司正式簽署了2億美元的合同，要求按2023年年中到年底發(fā)射的進度，安排交付歐洲首架“太空騎士”無人航天飛機。

經(jīng)濟困境難抑太空雄心

這些年來由于囊中羞澀，俄羅斯的航天計劃一波三折，不過他們還是對航天飛機保持了一定的關(guān)注。俄羅斯航天集團總裁德米特里·羅戈津在去年就已經(jīng)下令該集團研發(fā)有翼載人航天飛機，以取代現(xiàn)在的聯(lián)盟號飛船，該集團現(xiàn)在已經(jīng)撥付近2.4億盧布用于航天飛機的研發(fā)。

據(jù)消息人士稱：“‘閃電’科研生產(chǎn)聯(lián)合體正在研制的一款新型航天器是與美國X-37B相似，尺寸相仿。它不是用于載人飛行，而是設(shè)計用于運輸貨物和從太空返回”。考慮到“閃電”本來就是暴風(fēng)雪號航天飛機的締造者，而當(dāng)年“暴風(fēng)雪號”已經(jīng)具備了無人駕駛功能（其首飛全程依靠飛行控制中心遙控操作），因此在技術(shù)方面不會有太大的問題。

有觀點認(rèn)為，俄羅斯在困境中仍然堅持研發(fā)航天飛機，除了希望在太空領(lǐng)域重振國威外，還出于對太空軍事化的擔(dān)憂。現(xiàn)在美國等國在太空軍事化方面的步伐越邁越快，這讓俄羅斯感受了巨大壓力。

▲ X-37B航天飛機

近日，俄羅斯聯(lián)邦委員會國防和安全委員會主席維克托·邦達(dá)列夫在向外國武官講話時指出，俄羅斯的地緣政治競爭對手已經(jīng)在太空建立了監(jiān)視環(huán)地空間的作戰(zhàn)集群，同時，俄羅斯也已對世界大國對抗逐漸向太空延伸做好準(zhǔn)備。邦達(dá)列夫強調(diào)，太空軍事化引發(fā)軍備競賽，只有少數(shù)技術(shù)發(fā)達(dá)的國家能經(jīng)受得住，這會不可避免地導(dǎo)致世界分裂為一流大國和所有無力開發(fā)太空武器的其他剩余國家。

▲ 整流罩中的X-37B

航天飛機的軍事應(yīng)用潛力是無法忽視的，當(dāng)年美國空軍就曾對航天飛機寄予了很大希望，要用其來執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星維護、衛(wèi)星回收和反衛(wèi)星等多種任務(wù)，以提高美國太空軍事能力。對于X－37B項目，美國則一直諱莫如深，外界長期猜測其真正的身份是美國研發(fā)爭奪“制天權(quán)”技術(shù)的實驗平臺。據(jù)之前俄羅斯航天政策研究所負(fù)責(zé)人伊萬·莫伊謝耶夫表示，俄羅斯正在研發(fā)的航天飛機，除了可用于日常的航天任務(wù)之外，還可以滿足俄軍的一些任務(wù)需要。從俄方并不避諱航天飛機軍用功能的態(tài)度看，他們明顯是要和他國的太空軍一較高下。

綜上，在沉寂多年后，未來航天飛機再次奮起也許并非天方夜譚。