航天飞机：下一代

去年11月，NASA对其已实施两年半的替代老旧航天飞机的计划采取了果断行动。

他们挖掉了项目的核心。

NASA突然而悄然地取消了其所谓的“太空发射倡议”（SLI）中替代航天飞机的部分——这是继1986年“挑战者号”灾难后推出的一系列开发项目中的最新一项——并将该机构已为此计划预留的近50亿美元中的大部分转移用于当前的航天飞机改进。其中包括：安全升级，他们希望这些升级能让航天飞机在2020年或更长时间内无事故飞行。随着新航天飞机的计划被搁置，NASA宣布SLI将主要专注于建造“轨道空间飞机”（OSP），这是一种适度、相对便宜的可重复使用飞行器，可以搭载少量乘员（仅此而已），并由一次性火箭发射。NASA希望，当OSP于2010年准备好时，它将作为一种临时的、替代性的交通工具，“太空出租车”，直到该机构能够生产出下一代航天飞机。

NASA的决定是最后的手段。该机构设计和建造新航天飞机的最新估计成本已从60亿美元飙升至350亿美元。NASA下一代发射技术项目经理Garry Lyles表示，即使是这个数字也只是一个最佳猜测。Lyles说，数字之间的差距反映了NASA在预算预测方面的困难：“我们需要开发一个提供准确数据用于成本模型的技术项目。”虽然SLI的标价充满不确定性，但航天飞机每发射5亿美元的成本至少是已知的。因此，NASA官员认为他们别无选择，只能将又一次赌注押在已有30年历史的系统上。

但三个月后，“哥伦比亚号”在重返大气层时解体，机组七人全部遇难，该机构搁置新航天飞机计划的决定蒙上了一层令人不安的阴影。三架幸存的航天飞机现在都被停飞了，而且一旦再次飞行，运营成本将比以前更高。将增加安全、维护和检查协议，并且由于少了一架航天飞机，航班总数将减少，而固定的人员和基础设施成本将保持不变。结果是：由于对航天飞机概念的经济和工程问题如此之多，NASA计划再使用它20年的计划突然显得有些盲目乐观。

这意味着NASA必须比预
期更早地面对一个严峻的挑战：用什么来替代航天飞机。想法并不缺乏。SLI及其前身航天飞机替代计划之所以被终止，主要是因为NASA坚持认为任何新系统都必须比航天飞机有巨大改进，而不仅仅是更有效率和成本效益。这常常使这些项目过于昂贵和雄心勃勃。但许多这些提案包含了关键的技术信息，表明可以以低于NASA担心的350亿美元的成本，建造一个更耐用、更简单的可重复使用航天器——包括改进的火箭发动机、简化的地面支持程序和现代化的安全增强诊断系统等等。曾任英国宇航公司已故“Hotol”可重复使用运载器项目经理的Bob Parkinson说：“自航天飞机首次飞行以来，几乎每年都有关于新太空发射系统的提案。而所有这些都比我们现有的更好。”

一次飞跃，然后一次跌落

要理解航天飞机的问题所在，必须了解它是如何工作的。太空运输系统，即航天飞机的官方名称，是一个轨道器——带有翅膀的载人载货飞行器——安装在一个大型外部燃料箱上，该燃料箱两侧各连接着一个固体火箭助推器。点火时，提供大部分升力将航天飞机从发射台送上天的固体火箭助推器和轨道器的主发动机同时启动；火箭助推器由其自身燃料罐中的固体燃料（过氯酸铵和铝的混合物）驱动，而轨道器发动机则由外部燃料箱中的氢气和氧气驱动。发射后约两分钟，当航天飞机达到约28英里高空，正好在太空边缘时，固体火箭助推器燃尽燃料并与外部燃料箱分离。它们通过降落伞落入海洋，并被回收用于未来的任务。轨道器和外部燃料箱继续上升七分钟，然后外部燃料箱分离并在高层大气中解体。轨道器发动机将航天飞机送入距地球表面150至300英里的轨道。任务结束时，航天飞机像飞机一样着陆。

当它在20世纪70年代初设计时，航天飞机是一次巨大的飞跃。它是第一架可重复使用的航天器，相比阿波罗时代的消耗性小型飞行器加大型发射器系统有了巨大的进步。而且，其载荷高达50,000磅，能够携带比任何其他载人航天器更多的设备、乘员和货物。

但航天飞机也有显著的缺点，这些缺点随着时间的推移变得显而易见。首先，它的运行效率比NASA最初设想的要低，成本也更高。运行一次航天飞机发射需要数千人，部分原因是一些航天飞机工程师最初选择的技术存在问题。考虑一下庞大的计算机阵列：每个机载系统——电气、发动机、航空电子设备、通信等等——都是独立的组件，必须由地面上的个人进行监控。此外，在周转期间需要数百名维修工人来检查和修理从老式固体火箭助推器（由于使用固体燃料，一旦点燃就无法关闭，因此在每次飞行前必须对其进行加固以防故障）到据说能防止航天飞机在重返大气层时烧毁的脆弱瓦片系统的一切。

轨道器的过大重量和尺寸也是一个缺点。系统建造时，五角大楼坚持要求能够捕获失控的卫星并将其带回地球，这需要更大、更坚固的轨道器。但航天飞机几乎从未用于此目的。NASA的目标是每年将航天飞机发射30到50次，用于公共和私营部门的科学和卫星发射-回收任务。该机构认为，维护大型有效载荷和超尺寸轨道器的成本将由众多客户来抵消，这些客户将使航天飞机及其乘员保持忙碌。但实际上，航天飞机平均每年只有五次发射，付费客户很少；NASA所期望的规模经济从未实现。“你很少看到最先进的技术投入使用的例子，”Nasawatch.com的编辑Keith Cowing说。“你必须接受你在设计时所处的那个时间点。”

早在1986年，联邦官员就试图用一种名为“国家航空航天飞机”的航天器取代航天飞机。这种光滑的飞行器本应看起来像一架飞机，并由一种名为超燃冲压发动机（或称冲压发动机）的吸气式发动机驱动进入轨道。这项努力于1993年被取消，当时很清楚，追求冲压发动机技术是一个过于超前的决定。从那时起，还有许多其他想法在考虑中（见侧栏，第81页），但SLI产生了一系列设计，首次为未来的航天飞机可能是什么样子提供了一个完整的画面。洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁曼公司、波音公司和轨道科学公司等公司都设计了概念。它们都使用助推器将有效载荷送入轨道，但与航天飞机的相似之处仅此而已。例如，一个有趣的设计是波音公司的“bimese”可重复使用运载器（RLV），它有两个几乎相同的有翼火箭堆叠在一起，轨道器或有效载荷容器位于上层火箭的顶部。可重复使用运载器垂直起飞，所有发动机同时启动。当每个助推火箭燃料耗尽时，它与RLV分离，滑翔返回地球，在跑道上着陆。bimese方法的优势在于，由于两个火箭几乎无法区分，因此只需构建、测试、操作和维护一种有翼助推器设计。拥有单一的发动机、起落架、控制和其他系统，管理起来比航天飞机要简单得多。

诺斯罗普·格鲁曼公司在SLI期间非常活跃。它提出了几种飞行器，包括一种使用一架巨大的、配备六台发动机和超大机翼的喷气式飞机将助推器运载到40,000英尺高空，然后助推器脱离并启动火箭进行最后一次进入轨道的发射器。诺斯罗普公司与轨道科学公司的合作产生了另一种RLV，有两个相同的油箱状助推器位于一个载有轨道器的上层空间飞机下方。这些所谓的飞返式助推器配备了喷气发动机，在助推器将上层级送入大气层以上后，它们会驱动它们返回地球。

我们封面上的安德鲁斯航空航天技术公司的“格里芬”（Gryphon）概念走得更远。一种类似飞机的发射器在升空到6马赫后释放轨道器。格里芬的创新推进系统使用从空气中吸取和压缩的液氧作为燃料。

SLI的竞争者中最显著的是，开发商已经解决了当前航天飞机设计中所有最明显的缺点。首先，过时的固体火箭助推器（每次使用后都需要大量重建）已被淘汰，取而代之的是现代化的液体燃料火箭发动机，主要使用氢气或煤油；它们更安全，因为它们可以在点燃后关闭或节流。另一个迟到已久的改进是：SLI工程师消除了脆弱而危险的隔热瓦系统。取而代之的是，他们使用轻质的“瓦片”，在陶瓷纤维隔热毯上覆盖镍合金外壳，以保护轨道器和上层级助推器免受重返大气层危险。与易碎的瓦片不同，金属外壳的瓦片可以牢固地拧到机身上。

下一代航天飞机的计算机也得到了彻底的改造。为了减少在地面上监控任务中每一个微小事件所需的大量人员，SLI飞行器中的每一个测量温度、压力、应变或振动的仪器都配备了自己的内置计算机，它还可以作为一个延伸到整个RLV网络的节点。这个网络由专家系统组成。这些程序可以不断读取网络上每台计算机的信号，实时隔离问题并预测故障。加上今天的航天飞机所缺乏的逃生系统，这些计算机可能在事故中通过发出信号指示何时逃生，甚至通过将乘员舱与其他处于危险中的RLV部分分离来挽救乘员的生命。“安全有三个层次，”诺斯罗普·格鲁曼公司空间系统总监Doug Young说。“第一是使飞行器更可靠。第二是为乘员提供逃生系统，第三是确保乘员知道何时逃生。”

也许与航天飞机最大的不同是，新的发射器和轨道器设计更适合NASA的实际需求——即一个精简化的、有时是无人驾驶的可重复使用运载器。目前的航天飞机很少接近其满载能力，而且通常不需要乘员。SLI概念包含一个较小的轨道器，如果可以自动化机载任务（例如将卫星送入轨道或远程进行科学实验），则可以无需乘员飞行。

**问题在于会计**
**

NASA是否会用一种新飞行器取代航天飞机，将取决于该机构能否改进其糟糕的预算技能。在去年9月发布的一份关于SLI的报告中，国会总审计署（GAO）批评NASA缺乏现代化的财务控制。因此，NASA取消航天飞机替代计划也就不足为奇了，这并非一定是因为它太贵，而是因为该机构确实不知道它会花费多少。“SLI看似简单，”波音公司Phantom Works先进空间和发射系统总监Kevin Neifert说，“但它在安全、可靠性
和运营成本方面有非常积极的目标。”

在提出航天飞机替代方案时，NASA绕过了一项基本商学院规则：“质量、速度和成本——选择两个。”根据NASA对该计划的基准，该计划预计在十年内推出一架新航天器，该机构希望保证机组人员损失不超过万分之一的飞行次数——比航天飞机预计的性能好40到70倍，比航天飞机迄今为止的成就好180倍。该机构要求每年运营成本仅为5亿美元，用于一个拥有三到四架飞行器、每几周一次的机队。这大约相当于一次航天飞机发射的成本——一个伟大的想法，但却是一个不可能的要求。“即使成本提高一倍也会很棒，”轨道科学公司高级项目总经理Antonio Elias在SLI被削减之前说。“如果NASA能将其每年30亿美元的[航天飞机预算]减少到15亿美元，那将证明[建造]一种新的可重复使用运载器的成本是合理的。”

航空专家认为，如果NASA改变其商业模式并提高对新型航天飞机经济性的理解，那么现在存在的RLV设计将能够以远低于该机构预测新航天飞机将花费350亿美元的成本建造。例如，与其要求一种不切实际的完美无缺且过于可靠的飞行器（这将使RLV的标价增加数亿美元），不如让NASA接受一种成本更低、维护更容易的计算机化乘员逃生系统。这将使RLV比当前的航天飞机更安全，建造成本更低。

事实上，NASA正忙于应对“哥伦比亚号”事件的后续，并且对其航天飞机的意图仍然含糊不清。该机构表示，明年将就航天飞机替代计划做出决定。一种可能性是为期五年的努力，开发轻型燃料箱和更先进的火箭发动机等关键部件。然后，在2009年，NASA可以决定是否基于这些技术继续建造全尺寸RLV；替代航天飞机可能在2015年飞行。或者，如果NASA选择更长时间地推迟新型RLV，它可以利用这段时间开发“基础广泛、更长远的”技术，例如改进的复合材料和冲压发动机。

但NASA希望用一种吸气式、冲压发动机驱动的、单级入轨飞行器——即提案中的国家航空航天飞机的更新版本——来替代任何可重复使用航天器的长期希望，在未来许多年内都不会实现。该机构仍离克服关键技术障碍（如在高超音速下维持推力以及开发能够承受如此高应力应用的复合材料）很远。由于冲压发动机不太可能是太空机构建造的下一个RLV，甚至可能是下下一个，因此空间专家认为，NASA不能冒险等待，而无任何可重复使用的空间飞机。设计高超音速飞机和空间飞机已有数十年的圣路易斯大学教授Paul Czysz说：“NASA需要停止玩乐，并建造一种飞行器。”

Bill Sweetman是《大众科学》的特约编辑。