特约作者 谢懿

　　即使是现在回想起来，2004年9月29日的那个明媚早晨，仍然让人记忆犹新——“太空船一号”升空不但为它赢得了1000万美元的安塞里X大奖，而且还预示了空间旅行将不再是少数人的专利。

　　“太空船一号”爬升到距离地面111千米高空，打破了40多年前由美国宇航局(NASA)的X-15火箭飞机创造的飞行高度纪录。但其在此后两周内完成了两次亚轨道飞行之后，就再也没飞过。

　　现在有许多各式各样的飞船在研发之中，哪个或者哪些最终会取得突破呢？

　　“为了在成本和可靠性上做到具有革命性，我们必须建造出一个真正可重复使用的系统。”商业空间公司SpaceX的首席执行官兼首席设计师埃隆·马斯克(Elon Musk)说，“这是人类已知最大的技术挑战之一。”

　　搭“车”去太空

　　空间飞行器大致可以被分成两大类：有翼飞行器和弹道火箭。在工程和经济上，它们的理念呈现出了巨大的差异。弹道飞行器被直接放置在燃料之上，使用强大的推力把自己送入太空，在这个过程中它会抛弃引擎和燃料箱来减轻重量。

　　有翼航天器则更为“优雅”。从地面或者另一架飞机的腹部起飞，利用地球大气尽可能地向上爬升，在返航的时候则滑翔着着陆。其潜在的可重复使用性将会导致一个极为诱人的结果，那就是总有一天有翼航天器将会比火箭更为廉价。甚至还可以使用相同的设施来作为客机，为商务乃至游客开启太空旅行之门。

　　但在现实中，有翼航天器还从来没有到达过近地轨道。它们所使用的火箭引擎无法把它们再向上推行60千米。

　　唯一的例外是航天飞机，它是有翼航天器和弹道火箭的结合体。不过，航天飞机并不是完全可重复使用的。在每次飞行中昂贵的外挂燃料箱都会被丢弃到海里。

　　原先的设计是每年进行100次飞行并以此来降低每次太空飞行的成本，但是航天飞机机群从来没有在一年中飞行超过9次，而这个频率正是商业空间公司的切入点。

　　可重复使用难题

　　高新技术为有翼空间飞行器焕发出了新的生机，其核心就是超燃冲压引擎。和商业客机的涡轮引擎不同，超燃冲压引擎并不使用转动的叶片来压缩进入引擎的空气。相反，高速运动的飞行器本身就会压缩迎面而来的空气，这些空气随后会被送入燃烧室。在那里燃料燃烧会产生喷射出的气体，由此形成一般的涡轮引擎难以企及的高速。

　　超燃冲压引擎只有在高速运动的过程中才能发挥功效，这本身就需要极为复杂的技术和大量的燃料。20世纪90年代进行的一系列试验的结果也并不理想，超燃冲压引擎所需要的能量比它们产生的能量还要多。

　　2002年英、澳的HyShot成功试飞之后，超燃冲压引擎的发展和测试开始大幅度提速，以2004年NASA的X-34A破纪录地达到9.68马赫(1马赫=1倍音速)达到高潮。在过去的几年中，日本、俄罗斯、中国和印度等国家研发超燃冲压引擎的消息也开始不胫而走。

　　2009年底，一个由NASA、美国空军和美国国防部高等研究计划局(DARPA)组成的合作机构计划在太平洋上空试飞更为先进的超燃冲压引擎航天飞行器。这一计划的目的是测试小型原型引擎是否可以按比例放大。设计工作在4-6马赫的X-51A还将测试一系列的新材料。如果成功，它们将使得超燃冲压引擎可以工作更长的时间，而不是先前测试中的短短几秒钟。

　　更为关键的是，类似X-51A这样的超燃冲压引擎计划也正在向可重复使用的方向努力。不过到目前为止这一点仍未成功，因为所有的超燃冲压引擎测试飞行器都会在其短暂的工作寿命之后被毁，这大部分是由于燃烧的高温所造成的。

　　即使存在这些问题，NASA也受到最近所取得的进展的鼓舞，在2009年初建立了数个国家科学实验室，它们将研究并且最终开发超燃冲压引擎技术。

　　跑道的胜利

　　X-51A计划的结果也许会帮助DARPA正在设计的另一种引擎。被称为“火神”的这一引擎将使得航天器可以像普通的飞机一样从跑道起飞，然后再加速到高超音速。为了做到这一点，“火神”将使用一种改进的涡轮引擎来加速到大约2马赫，然后由超音速引擎——可能会基于首次被用于二战中德国V-1飞弹的脉冲爆震发动机设计——把它加速到超过4马赫。这两者会被整合进类似X-51A的机身中。DARPA希望到2012年能制造出一架测试机。虽然它最初的目标是军事用途，但是DARPA也希望它的未来版本可以使得从跑道起飞进入太空成为可能。

　　那么，这些超燃冲压引擎飞行器最终能靠自己的力量进入地球轨道吗？

　　超燃冲压引擎的最高速度据估计大约在12-20马赫，距离能把它们送入轨道的25马赫仍然还有差距。为了解决这个问题，在加速的初期或者末期还是需要火箭来助一臂之力。但这应该不会严重地影响它们的可重复使用性，因为这些太空飞机的绝大部分动力来自超燃冲压引擎，这使得它们比起航天飞机来更能重复使用。此外，由于是被设计成能从非常稀薄的空气中抽取氧化剂，它们会比传统的弹道飞行器轻得多。而对于航天飞机来说，光氧化剂就占据了其外挂燃料箱容量的大约85%。

　　不过，对高超音速航天器的批评认为，即使相关的技术变得切实可行，它仍然可能由于其高昂的成本而停留在军事领域。

　　第三条道路

　　一些工程师相信还有第三条道路：一种相对廉价、可重复使用且不依赖于诸如超燃冲压引擎这样的实验性技术，以及一次性弹道系统的有翼航天器。英国的喷气引擎公司正致力于这个领域，它提出了使用“军刀”高新喷气引擎进入地球轨道的航天器Skylon。

　　在高速飞行时，进入引擎的空气会被快速压缩进而迅速升温，这也正是超燃冲压引擎为什么必须使用特殊绝热材料的原因。为了克服这个问题，Skylon的喷气引擎将使用一个热交换器来把流入的空气从1000℃冷却到-100℃。随后这些冷却的空气会和液氢混合并且燃绕。于是，和超燃冲压引擎不同，“军刀”引擎会更轻并且可以升空加速至5.5马赫。在抵达26千米的高度之后，引擎会切换成普通的火箭引擎，使用装载的氧和氢来把飞机送入太空中。

　　Skylon是对经典太空飞机梦想的回归。使用自己的动力起飞，无人驾驶的Skylon飞入地球轨道，运送载荷，然后在跑道上着陆。“让载具像民用飞机一样飞行是清除前进障碍的重要一步。”喷气引擎公司未来计划主任马克·亨普塞尔(Mark Hempsell)说。

　　Skylon及其“军刀”引擎是英国宇航公司和劳斯莱斯公司在20世纪80年代工作的延续，因此它将继续先前已研发的系统。更重要的是，喷气引擎公司并不打算自己建造Skylon或者“军刀”引擎，而是将其转包给经验丰富、实力雄厚的航天企业。

　　正如喷气引擎公司的战略所预示的，小公司正在意识到它们需要大的玩家才能取得真正的突破。同样地，拉斯基和NASA现在也视企业为合作伙伴，而非竞争对手。例如，“太空之门”计划将在由维珍银河、XCOR宇航以及蓝色起点等公司建造的亚轨道飞行器上进行科学实验。NASA会和其他商业客户一样为此支付费用，为这些公司的服务提供一个市场。此外，NASA也已经通过其旨在寻求更廉价、更可靠轨道空间运输工具的商业轨道运输服务计划资助了一些包括 SpaceX在内的企业。

　　“今天所出现的商业空间需求正是一个迈向成功的绝佳机会，因为它们正在触及真正核心的问题。”拉斯基说，“高新技术将在其中扮演重要的角色，其结果就像是汽车和飞机对运输形式所产生的影响一样具有革命性。”

　　因此，“太空船一号”的成功带来了一个无可辩驳的事实。正如亨普塞尔所指出的：“它抹去了太空飞行中虚幻的一面。”在太空飞行不长但却倔强的历史中，这是迈向一个与众不同、更激动人心未来的巨大一步。

　　(作者谢懿：美国密苏里大学天文学博士、科学松鼠会资深作者)