 《三思科学》电子杂志
2003年2/3月份合刊
总第19期
2003年3月31日
目 录
封面
封面故事
[碧声]紫花地丁
新闻
[春上莱茵早]CEBIT:今年手机唱主角
[三思新闻编辑]2~3月份科学新闻
├ 德国科学家发明出“神经芯片”
├ 伊油田大火扰乱候鸟迁徙路线
├ 战争带来的心灵创伤将长久难愈
├ 全球最快的PC亮相CeBIT
├ 世界第一个修补大脑的芯片
├ 三十万年前的人类脚印
├ 再见，先驱者10号
├ 一种艾滋病疫苗进入第三期试验
├ 鱼脑中发现普里昂蛋白
├ 化学元素大家庭的新成员：Ds
├ 火扑飞蛾
├ 克隆羊多利“安乐”辞世
├ 宇宙“婴儿期”的最精细照片
├ 没有最黑，只有更黑
├ 哥伦比亚号航天飞机失事
├ 用四肢滑翔
└ 柏林国际绿色周散记
循证医学专题
[江华]循证医学：临床医学观的科学化
[皮特·朗洪]世界为什么需要循证医学
[苡菥莼]什么是系统评价
[江华、蒋朱明]核酸的治疗或预防功能
的评价
求知
[碧声]一只绵羊的一生
[碧声]再见，多利
[陶世龙]走出认识地球的误区
(二)凡尔纳一次失败的幻想
(三)大气圈--地球真正的外壳
[逍遥]终极巫术--疯牛病小传(五)
译述
[C.Macilwain]面对粮食
[G.Brumfiel]更换航天飞机:飞行与祈祷
[M.Szalavitz]爱是毒品
[M.Paetsch]没有表面:黑洞真的是洞
博物
[佳肴]甲龙
[碧声]另类星爆
观点
[赵南元]科技伦理和责任分析
历史
[高山]《量子》历史之旅
(五)回到经典、(六)多世界
辩伪
[方舟子]人参与西洋参:历史与现实,
神话与事实
[方舟子]转基因作物恐慌与真相
[W.Williams]伪科学词典(二):
复活节岛、《命运杂志》、盖娅假说
幽默
[桔梗]《科学地球人》: 4的死期
版权声明·订阅与投稿须知
三思科学杂志社
本期责编 碧 声
封面摄影 刘华杰
三思科学网站
©2003,All Rights Reserved.
|
 |
更换航天飞机：
飞行与祈祷
 Geoff Brumfiel
碧声译自 Nature 421, 684 - 685 (2003);
译注：原标题为“Replacing the Space shuttle: On wings and a prayer”，后半句不知典出何处。经查，二十世纪福克斯公司1944年曾发行战争影片“A wing and a prayer”；当代美国航空画家Williams S. Philips则有一幅作品名为“On wings and a prayer”。
随着哥伦比亚号的坠毁，NASA更换其老化的飞行船队的努力面临新的审视。Geoff Brumfiel揭示了一个由过高的期望、错误的开始与大量技术障碍组成的故事。
1986年，挑战者号航天飞机爆炸后几个星期，罗纳德·里根总统宣布了开发下一代飞行器的计划。这种被他称为“新东方特快”(new Orient Express)的飞机，在外层空间的边缘飞行，从华盛顿到东京只需要两个小时。
永远飞不起来：雄心勃勃的国家空天飞机（小图）和X-33作为未来空间旅行工具的呼声都很高，然而两项设计都因为急剧膨胀成本与无法克服的技术问题而完蛋了。图片来源：洛克希特－马丁；FAS。
| |
这种飞机的正式名称叫做国家空天飞机(National Aerospace Plane)，它能以25倍音速飞行，毫不费力地进入和脱离环地轨道。它将不需要前一代航天飞机所用的笨重的外部燃料箱和推进器。然而，就像航天飞机上天二十年来许多其它被鼓吹的概念飞行器一样，它也成了难以克服的技术障碍的牺牲品。1994年，该计划被消，浪费了大概30亿美元的研究经费。
NASA在哥伦比亚号事故后不久公布的当前计划，野心要小得多了。去年11月，乔治·W·布什总统的政府在把NASA约50亿美元的五年预算中的一半用于新的空间发射技术之后，公布了一个更换航天飞机的两手策略。其一是在10年内开发一种轨道航天飞机(Orbital Space Plane)，与里根的“东方特快”不同，这种飞机将与传统发射技术相结合。其二是对先进概念进行不设时限的研究，不规定开发出新型系统的时间。
哥伦比亚号坠毁之后，这些计划可能要再作调整。但很清楚，在可预见的未来，不会再有沿着国家空天飞机的思路做的东西了。理想情况下，航天飞行器将更像传统的飞机，以单级（译注：相对于多级火箭而言）完成起飞、进入轨道和落地，只需要在两次飞行之间加油。它们将把燃料储存在内部油箱里，灵活优雅在地大气层和外层空间中游移，并能承受返回大气层时的高热。但是，迄今为止的事实表明，要满足所有这些条件，远远超出了世界顶尖航天工程师们的能力。
鉴于哥伦比亚号的遭遇，飞机在大气层中的灵活性、安全地返回大气层，显然是关键问题。航天飞机的样子有点像长着翅膀的砖头——这是有原因的。粗笨的外形使航天飞机在冲入大气层时会产生冲击波，有助于保护它免受周围高热离子化气体的伤害。如果航天飞机长得像高速喷气式飞机，并能像喷气式飞机那样飞行，其边缘的温度将远超过目前需要承受的1,600 °C。NASA在加利福尼亚Moffett Field的Ames研究中心的科学家，正在以二硼化铪或二硼化锆与碳化硅组成的合成材料为基础研制陶瓷材料。这样的材料将有可能帮助更灵活的飞行器承受返回大气层的高热。目前这些材料可耐近2,800 °C的高温，但易碎而且笨重。在将它们用于设计灵巧的航天飞机之前，还需要作更多的研究。
不过，迄今所有空间飞行器面临的最大问题，首先是如何进入轨道。为了摆脱地球引力的束缚，飞船必须加速到时速4万公里以上。目前，把22吨的载荷加速到这个速度，需要一枚重约1,000吨的火箭，火箭的绝大部分是装着液态氢和氧的燃料箱。如今的火箭在升入外层空间后把空燃料箱丢弃，但许多航天工程师认为，用这种“分级”方法解决发射问题太浪费了，也太笨了。
重量问题
几十年来，工程师们绞尽脑汁想要克服重量问题以开发单级飞行器。鉴于火箭的重量绝大部分在于燃料，最简单的解决办法是找到一种效率超高的轻型推进剂，然而到现在还没发现。阿波罗飞船前宇航员、航天飞机宇航员T. K. Mattingly过去二十年来致力于开发先进发射工具的概念，他说：“当柯克船长（译注：著名科幻系列片《星际迷航》的主角）决定给我们送些碲化二锂晶体（译注：dilithium晶体，《星际迷航》中的一种资源，据称成分为碲化二锂，能够用来实现物质和反物质的可控湮灭）来时，局面就会不一样了。但在这之前，我们还得靠化学过日子。”
国家空天飞机或许还能用另一种方法解决掉笨重燃料中的一大部分。它可以不携带大量的液态氧，而是在远超音速的状态下从大气中提取氧、压缩，在特定的燃料舱里与携带的液态氢混合燃烧。加速到音速的许多倍之后，空天飞机便可以朝上飞行、进入环地轨道了。
这种新型发动机设计方案称为“超音速冲压喷射装置(scramjet)”，存在好几个重大的技术难题。此类装置仅能在海拔极高处的稀薄大气里运作，且速度必须超过5倍音速，因此还需要使用传统的发动机技术来进行起飞和降落。此外，鉴于外层空间里没有氧气，它仍然需要携带部分液态氧，以备在环地轨道上飞行之所需。
事实表明，这些复杂的技术需求对国家空天飞机来说太过分了。曾经参与研制空天飞机、现在是NASA在加州Edwards的Dryden飞行研究中心执行主管的Vance Brand说：“由于人们没有充足的信心认为真的能搞成，计划失去了政治和经济上的支持。”
减轻载荷
除了减少携带的燃料数量，另一个可能的途径是减轻飞行器本身的重量。这是国家空天飞机夭折之后NASA的主要战略。1996年，NASA选择科罗拉多州丹佛的洛克希德－马丁公司为合作商，帮助设计一种能以单级进入环地轨道的轻型飞行器。公司将任务交给它在加州Palmdale的著名设计队伍“Skunk工作室”，成果便是X-33。这是一种楔形的试验飞行器，NASA希望它能证明制造自足、独立的宇宙飞船是可行的。
曾就职于NASA的历史学家Andrew Butrica正在就X-33计划写一本书，他说：“洛克希德的方法非常古老。”X-33使用环氧石墨合成材料制造，其重量为传统的飞船制造材料铝的几分之一。但人们对这种高技术材料的性能还所知甚少，它是一种相当难对付的东西。NASA在弗吉尼亚州Hampton的Langley研究中心的飞行工具分析小组负责人John Paulson说：“最终把事情搞砸的是氢燃料箱。”燃料箱需要解决在绝对零度以上几度时容纳燃料的热应力问题，在1999年一次添加燃料的试验中，氢燃料箱的箱壁坏了。在往里面砸了超过10亿美元之后，NASA和洛克希德－马丁放弃了这个计划。
看上去很像：NASA现在期待的下一代空间飞行器是轨道航天飞机。然而，这个先进的设计（上图）与二十世纪八十年代苏联技术——BOR-4（小图）相似的地方不是一点两点。图片来源：NORTHROP GRUMMAN/ORBITAL SCIENCES; O. HAA
| |
现在，NASA更换航天飞机的计划要保守得多，不再往先进发动机或轻型合成材料上面押大笔赌注，而打算建造一种称为轨道航天飞机的小型飞行器。设计方案并不具有革命性——事实上，其中最有竞争力的方案之一（由弗吉尼亚州Dulles的轨道科学公司及加州El Segundo的Northrop Grumman提出），是以一种在20世纪80年代早期首次为西方间谍所探知、名为BOR-4的苏联概念飞船为基础的。轨道航天飞机将捆绑在传统的一次性火箭推进器上面，冲入外层空间。根据计划，它起初将被用作国际空间站的“救生艇”，以后可成为空间站工作人员轮换的“出租车”。
一小步
Paulson承认，轨道航天飞机“不会是一项大进步”。但他强调，出于实用考虑，它是下一步的合理选择。Mattingly同意这种看法，并提到，火箭技术的先驱维纳·冯·布劳恩在被人问及他认为什么发射工具最好时，“他说，‘用得起的东西’。”
同时，NASA和美国国防部继续致力于资助超音速冲压喷射装置、先进材料等概念的研究，这些概念最终有可能导致单级、可重复使用的空间飞行器的诞生。许多专家相信，这类飞行器可能将脱胎于一种过渡型的双级系统，以超音速冲压喷射装置推进的飞行器从大气层上部发射火箭。
一个大问题在于，是否会有合适的政治环境保障这些计划能够开花结果。航天飞机起初是用来发射科学、军事和商业卫星的，事实上在早期的航天飞机项目中，根据国会的命令，美国政府的卫星必须由航天飞机发射。但在1986年的挑战者号事故之后，此类条款被废除了。如今卫星普遍用一次性使用的火箭发射。鉴于当前航空工业的景气低迷，以及空间飞行不断出现的风险，里根对于乘客从华盛顿飞驰至东京的设想有点太不切实际了。Butrica说：“我对近期非常悲观，而且恐怕哥伦比亚号对于载人航天飞行计划造成了致命打击。”
Mattingly断言，制造完全可重复使用的航天飞机的技术障碍最终会被克服的。但他感到，恐怕只有在热心于此的人们有清楚的目标来推动其技术计划时，才会取得实质进展。他说：“我们需要停下来问一问自己：‘我们到底在干什么？’”
Geoff Brumfiel是Nature驻华盛顿的物理科学记者
NASA's Space Launch Initiative
《自然》杂志
|
|
