书城工业向宇宙进发
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第12章 蓄势待发(2)

比如美国“猎户座”号飞船的返回舱,在外层贴上特殊的隔热瓦后,便可以确保在返回的过程中壳体不被烧蚀,设计使用次数为10次,虽然使用次数非常有限,但是与不可重复使用的飞船相比,已经有很大的进步。

宇宙飞船向可重复使用技术过渡的进程中,外形和其工作模式也会发生变化。比如俄罗斯曾经设计的“快船”号宇宙飞船,这种看似飞机的飞船有类似机翼的升力面,可以在飞船返回的过程中,提高升阻比,减少过载,由传统返回方式弹道式返回,改进为半弹道式,因为升力面可以提供一定的滑翔能力。但因升力面产生的升力有限,它终究不是航天飞机,无法采取滑翔式返回方式。在返回的最后阶段,还要借助降落伞共同完成着陆。

在结构设计上“快船”号飞船要较美国“猎户座”号飞船更先进,因为“快船”号不但可以重复使用多次,而且它将飞船的返回舱和轨道舱结合成一个舱段,增强了飞船的整体性结构。飞船返回时只是将一个较小的机动段抛弃在太空。因此下次发射的时候,不必重新再造一艘飞船,节省了制造成本和生产周期。在对飞船的维护和维修技术逐渐成熟的前提下,才能将可重复使用技术由宇宙飞船的部分舱段扩展至整个船体。

飞船的外形经过发展,会演变到像航天飞机那样的形态,此时的太空舱外形已经被完全取代,航天飞机的概念便由此诞生。但此时的航天飞机决不是和现实中美国的航天飞机一样,它经历了一个长期的技术和实践经验积累的过程,无论是从可靠性、经济性和功能性来说,都比美国曾有的航天飞机要成熟。外形结构也有很大不同,设计更加合理。

当然,航天飞机的研制也要遵循太空平台与交通工具独立设计,载人和货运分离的原则,在航天飞机诞生初期一直到航天飞机向更便捷、更灵活的空天飞机演变的阶段均是如此。

目前,人类对空天飞机还没有一个十分明确的概念,从大多数人把美国的X-37B定义为空天飞机、太空战斗机就可以看出,但是人们还是清楚空天飞机应具备的一些必要条件。比如空天飞机的单级入轨能力,不必像航天飞机那样依靠火箭助推;空天飞机起飞时与普通飞机一样,采用滑跑方式,即用推力克服阻力产生升力,进而用升力克服地球引力,不像火箭和航天飞机采用垂直的发射方式,用推力克服地球引力和空气阻力;空天飞机应具备一种特殊的动力装置,即在大气层中和大气之外均可以提供动力。当然,按照目前的技术水平,空天飞机还要等到20~30年,甚至更长的时间才能实用。

近地轨道建设初具规模

如果航天飞机遵循慎重、稳妥、有序的模式发展,那么它肯定不会像现实中的美国航天飞机一经问世就具备太空活动平台和太空交通工具的双重功能。但是航天飞机在使用阶段后期,确实在空间站建设方面发挥了巨大的作用,它完成了国际空间站大型实验舱段的装配工作。

其实,我们完全可以研发一种太空在轨机动飞行器作为辅助交通工具来配合使用,这种辅助交通工具不同于宇宙飞船与航天飞机每次执行任务都要完成空间和地面的往返,而是一次发射升空后,就长期停留在太空,它只来往于空间站或太空活动平台的各个对接口,完成一些太空组件和货物的二次转运,还可以对太空活动平台的每个地方进行维护和修理,当太空活动平台发展规模不断扩大,最终形成一个永久性的太空基地时,它的功能则更能显现。

太空在轨机动飞行器可以各式各样,能够完成太空基地大型组件的运输和组装,充当工程车,而不像美国现在的航天飞机,不但要从地面运送人员、物资到太空,还要完成对空间站组件的装配,所有工作结束后,再将工作人员和设备带回地面。实际上这些工作应交给太空交通工具来完成。航天飞机的一职多能,设计成本和复杂性可想而知,发展这种辅助性太空在轨机动飞行器,不但降低了不必要的发射成本,而是提高其本身的灵活性,为太空基地长期在轨道运行和维护提供保障,也为后续的星际航行作好了准备。

太空基地的特征更趋近于一座城市,它不仅仅可以开展一些空间实验,而且还可以利用宇宙的真空和失重环境进行开发和制造各种材料,逐渐形成生产加工车间,太空工厂便由此诞生。人类从探索宇宙转变到从宇宙中创造价值。随着太空运输的成本降低和生产加工的日趋成熟,这些来自太空工厂的产品便可利用到各个领域。因为在地面上由于受到地球重力的影响和难以制造绝对真空的环境,某些特殊要求的产品难免出现在制造精度上的误差和提炼纯度上的瑕疵,但是在太空中这种现象可大为改观。

利用微重力环境,可以生产出几乎完美的球体,用来作为轴承结构内部的滚珠;组成合金与复合材料的元素成分,可在失重条件下得到充分均匀混合,使这种材料相比地面生产制造有着更优异的性能;在真空环境下,可以生产出纯度极高的硅片、晶体等物质。利用宇宙中的高能射线辐射对于生命科学及生物工程方面的基因和细胞培养,都会获得意想不到的成果。

这种太空产品在高、精、尖领域一旦投入使用,就会显现出比传统产品所拥有的无可取代的优势,带来的经济效益将成倍增加。科学的进步促进了生产力的发展,生产力的发展会让更多的资金、技术和人才资源流向航天领域,也就会让人类在太空中建立的城市不断成长壮大,提供源源不断的力量,充满无限发展的勃勃生机。人类在航天领域投入价值的同时,一定要让航天技术为我们再创造出新价值,这种投入和再创造应该保持一定平衡,航天技术发展规模能否巩固并继续获得提升,关键在于如何保持这一平衡。航天发展不是单纯的投入带来的技术进步,而是将技术进步和实际生产力、经济效益等因素结合起来,进步才是持久和科学的,航天发展才能稳步前进,人类才会在太空迈出真正立足的第一步。

向月球进发

月球是离我们最近的星体,是地球的卫星,这是我们开始星际旅行的第一站。

登月方式的选择

传统的登月方式是,在地球表面用庞大的运载火箭连同宇宙飞船和登月舱直接送入月球轨道。因为运载工具使用次数仅为一次,所以每次登月任务都要生产运载火箭、宇宙飞船、登月舱等部件。在发射过程还要消耗大量的燃料,而这些燃料本身就拥有相当可观的质量,为了满足推力需要,运载火箭制造得像摩天高楼一般,而且发射过程中,还会受到天气、环境等因素影响,无疑给所有环节在时间和金钱上带来了重复性消耗。

在“阿波罗”登月计划中,用于发射“阿波罗”登月飞船的“土星”5号运载火箭起飞质量达3000多吨,而登月飞船(包括登月舱)的总质量仅为50吨,这与上千吨的运载火箭相比,有效载荷所占比例很小,大部分的质量全部是发射所需携带的燃料。

“星座”计划在“阿波罗”计划实施40多年之后提出,但依然沿用这种地面发射传统模式。由于“猎户座”号宇宙飞船总质量是“阿波罗”号的2倍,为了分担有效载荷,必须利用“战神”1号和“战神”5号两种型号的运载火箭将宇宙飞船和登月舱分别送入太空,在太空对接后再飞往月球。这种间接登月比“阿波罗”计划中的直接登月方式还要复杂一些。

从实质上看,这种方式没有明显的进步,造成这种现象的原因在于“阿波罗”计划之后这40年里近地轨道领域并没有科学地、合理地形成规模体系,航天事业发展的第一步没有站稳,只好选择跨越式前进,但最终这向月球迈进的第二步也没有实现,人类不得不又重新回到近地轨道等待成熟的时机到来。

设想一下,如果人类在近地轨道建立太空基地或太空城市这些完备的设施后,再进行登月,那么完全可以采用中转登月方式,登月也变得更加简单了。首先,制造一艘专门用于登月(或星际航行)的宇宙飞船,把它送入太空。当然也可以在太空制造,飞船体积可以制造得足够庞大,满足未来人类星际探测长远发展要求。进入太空后,就不再返回地面,而是在太空基地中的“船坞”停留,所以无需考虑往返大气层带来的热防护问题。人员、物资以及燃料会陆续由天地往返交通工具运送,待准备充足后,登月宇宙飞船由太空基地出发,飞向月球。进入月球轨道后,其自身携带的登月舱与飞船分离实现着陆,飞船停留在环绕月球轨道,登月舱执行任务完成后,再飞离月球,与飞船对接,一并返回至太空基地。

这种飞船仅在近地轨道太空基地和月球轨道之间往返,可以重复使用多次,提高了使用效率和往返次数,飞船的重复使用还可以大大降低生产成本。通过登陆舱将实验设备、宇航员和组成未来月球基地建筑设施的部件等有效载荷送至月球表面,而不必利用巨大的运载火箭每次都将这些物资从地面发射升空,比“阿波罗”计划和“星座”计划登月模式少了很多环节。这种方法减少了登陆月球的路程,飞船由近地轨道飞往月球,可以缩短往返时间,同时也不受地面上天气等因素的影响。

在传统的登陆月球工程中涉及到七大系统问题,分别是运载火箭系统、宇宙飞船系统、发射场系统、着陆场系统、宇航员系统、测控系统和应用系统。而采用新模式登月过程中,运载火箭系统、发射场系统和着陆场系统就可以省略很多环节,只需要考虑宇宙飞船与太空基地的对接和分离的问题。这种登月方式的种种优势最终将使登月过程简单化。

等待再次登月