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当卢克·天行者在《星球大战》电影中跳进X翼战斗机并飞向太空时,他所做的壮举在今天是不可能实现的。目前的轨道运载火箭都是大型多级装置,它们结合了一系列抛弃式火箭级的推力,以摆脱地球引力的束缚,并将少量有效载荷送入上方的虚空。
如果有一种飞行器能够完成同样的任务并一次又一次地完整返回,那将是多么简单和廉价。这样一种可重复使用的单级入轨 (SSTO) 飞行器可能最终实现定期、真正经济实惠的太空通道。但实用的 SSTO 飞行器绝非易事。几十年来,它一直是许多火箭科学家和工程师梦寐以求的目标,他们曾尝试开发但都失败了。
主要困难在于设计和制造一种足够轻巧且动力足够强大的飞行器,使其能够携带可行的有效载荷进入轨道,后者时代的圣杯追寻者之一艾伦·邦德解释道。“现有技术无法做到这一点,”邦德断言,“但差距不大。”
大约二十年前,邦德和两位资深研究同事在英国牛津郡成立了一家小型研发公司。他们的公司 Reaction Engines, Ltd. 着手开发一种名为 Skylon 的 SSTO 航天飞机。这项雄心勃勃的设计基于一种新型混合喷气发动机-火箭发动机概念,该概念可能恰好提供必要的推力。如今,十几位 Reaction 研究人员正在努力完善该发动机的关键技术。
尽管许多航空航天观察家认为,考虑到所涉及的艰巨技术和经济障碍,这项努力完全是堂吉诃德式的,但其他人则谨慎地抱有希望。“混合发动机概念可以追溯到近半个世纪前,没有人能使其高效工作,”北达科他大学 (U.N.D.) 空间研究系主任 大卫·惠伦 说。“但如果能成功,你将在进入近地轨道空间方面迎来一个新时代。”
大多数传统运载火箭助推器都使用笨重的低温推进剂——液氢和液氧——但邦德早在 20 世纪 80 年代就意识到,大气中的氧气可以为旅程中较低海拔高度部分的喷气发动机提供燃料。
他说,根本问题在于,传统喷气机在速度超过约 2.7 马赫(音速的 2.7 倍)时变得不切实际;流入的空气在进入发动机时迅速减速,并产生比大多数可用材料所能承受的更多的热量。
此外,在速度高于 2.7 马赫时,进入的空气非常热,“你无法对其进行任何有用的功,”邦德说。标准的喷气发动机采用旋转式压缩机风扇来压缩流入的空气,以便在与燃料混合并燃烧时释放大量能量。“热空气无法完成这项工作,”他继续说道,“因此你必须在空气进入压缩机之前对其进行预冷,这个概念自 20 世纪 60 年代以来就一直存在。”邦德构思了使用超冷液氢燃料作为散热器来带走进入空气中的多余热量,并使用一些热空气来支持燃料燃烧的想法。在太空边缘,双模动力装置将切换到传统的火箭发动机,利用液氢和少量液氧将带翼飞行器推进到轨道,最终速度达到 25 马赫。
混合推进概念足够有吸引力,以至于在 20 世纪 80 年代中期,英国的 BAE 系统公司 和 劳斯莱斯公司 为一个名为 HOTOL(水平起飞和着陆)的 SSTO 航天飞机项目抓住了这个概念。但在 HOTOL 在 20 世纪 80 年代后期被取消后,邦德、理查德·瓦维尔和约翰·斯科特-斯科特成立了 Reaction Engines 以继续进行。邦德担任公司总经理,瓦维尔担任技术总监兼首席设计师,斯科特-斯科特担任工程总监。
该团队很快将开始使用按比例缩小的预冷器单元和 Viper 涡轮喷气发动机进行一系列里程碑式的地面测试。如果试验成功,它们可能会为全面开发吸气式火箭发动机铺平道路。
按照目前的设想,Skylon 的开发成本估计为 100 亿美元,但邦德声称,其每公斤轨道有效载荷的运营成本将是目前飞行器的五十分之一。到目前为止,该项目已消耗约 700 万美元的私人和公共资金,本周欧洲航天局 又投入了 125 万美元。“我们希望在三年内完成关键技术的演示,”瓦维尔表示。在那之后,Reaction Engines 将寻求建立公私合作伙伴关系以建造原型机。
巴勃罗·德莱昂是惠伦在 U.N.D. 的同事,他与同事的观点相同:“这个概念可能行得通。如果成功,Reaction Engines 将比其他任何人都先达到 SSTO 飞行器。”他说,发动机的开发似乎最近取得了进展。但德莱昂指出,为高空测试提供资金将极其困难:“为达到成熟水平的资金将是一个与技术挑战一样困难,甚至更严峻的挑战。”