在英格兰牛津郡的卡尔汉姆科学中心，一个独立的喷气式发动机被固定在一个巨大的通风管道上，置于户外测试设施中。当发动机启动发出轰鸣时，蒸汽柱从通风管道中喷涌而出，给人一种工业烟囱的印象。工程师艾伦·邦德（Alan Bond）却看到了更具未来感的事物。“我们正在见证一场交通运输的革命，”他说。对他而言，这台发动机标志着世界上第一架完全可重复使用的宇宙飞船的诞生，一种能够实现前所未有的太空飞行器目标的新型飞行器：提供可靠、经济且规律的往返低地球轨道的能力。
邦德和他于1989年与两位同事共同创立的航空航天公司“反应发动机”公司，将这种未来的飞行器称为“斯凯隆”（Skylon）。该飞行器将拥有类似协和式飞机的机身，起飞方式与传统喷气式客机相似，加速至5.2马赫，然后像火箭一样冲出大气层。在返回途中，“斯凯隆”将降落在与起飞相同的跑道上。
邦德的“协同吸气式火箭发动机”（Sabre）——结合了化学火箭和喷气发动机的特性——将使“斯凯隆”成为可能。Sabre拥有独特的能力，可以使用空气中的氧气，而不是像航天飞机那样依赖外部液氧罐。如果安装在航天器上，这种发动机将消除对一次性助推器的需求，而助推器是导致将人员和物品送入太空成本高昂且耗时缓慢的原因。“‘斯凯隆’在着陆后两天内就可以准备好再次飞往太空，”反应发动机公司未来项目总监马克·亨普塞尔（Mark Hempsell）表示。相比之下，航天飞机需要外部燃料箱和两个火箭助推器，完成一次任务的周转时间大约需要两个月（由于发射和溅落造成的损坏），成本高达1亿美元。亨普塞尔估计，考虑到“斯凯隆”的简洁性，一次任务的成本可能低至1000万美元。这个价格甚至低于私人航天公司SpaceX计划为其“猎鹰9号”（Falcon 9）两级火箭运送货物所收取的5000万美元的费用。
发动机在推进到太空的过程中会产生巨大的热量，而热量是一个问题。高温空气难以压缩，燃烧室压缩不足会导致发动机效率低下且动力不足。Sabre必须能够在空气进入涡轮压缩机之前迅速将其冷却。11月，反应发动机公司在成功测试了其原型机在吸入炽热空气后，在不产生致命霜冻的情况下迅速将其冷却的能力，达到了一个关键的里程碑。英国大学和科学大臣戴维·威利茨（David Willetts）称这一成就是“非凡的”。
“斯凯隆”的概念也给欧洲空间局（ESA）留下了深刻印象，该机构去年审计了反应发动机公司的设计，并未发现建造该飞行器的技术障碍。更大的挑战可能是获得资金。虽然欧空局和英国政府已向该项目投资了9200万美元，但邦德及其团队计划向公众和私人投资者寻求完成发动机所需的剩余36亿美元资金，他们表示发动机可能在未来四年内准备好进行飞行测试。而建造飞行器本身则需要更庞大的投资：140亿美元。
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单级入轨（SSTO）宇宙飞船的研发几十年来一直困扰着航空航天工程师。邦德本人对这一课题的探索始于20世纪80年代初，当时他还是罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）公司的一名年轻工程师，并参与了英国宇航公司（British Aerospace）一项可重复使用宇宙飞船的开发团队。那时他提出了混合发动机的想法。但团队一直在努力解决如何在超音速下冷却发动机而不增加致命的重量。“当飞机达到2马赫左右时，空气会变得非常热，极难压缩，”邦德说。罗尔斯·罗伊斯公司和英国政府对是否存在简单且经济的解决方案表示怀疑，因此取消了项目的资金。
与此同时，美国国家航空航天局（NASA）和洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）也有自己的计划，即开发一种完全可重复使用的宇宙飞船——“冒险之星”（VentureStar），旨在作为部分可重复使用的航天飞机的经济型替代品。“冒险之星”的演示验证机X-33（曾于1996年登上本杂志封面）是一种矮胖的三角形火箭，它将垂直起飞并像航天飞机一样滑翔返回地球。理论上，消除将航天飞机送入太空所需的消耗性火箭，可以将每磅的发射成本从10,000美元降至1,000美元。但到2001年，在投入超过10亿美元后，由于反复的技术挫折和不断膨胀的成本，该机构暂停了该项目。“我们退出了，因为我们认为最好将精力集中在其他成本较低的轨道运载方式上，”曾参与X-33项目两年、现任NASA探险系统开发副署长助理的丹·邓巴彻（Dan Dumbacher）说。
随着航天飞机的退役，以及像SpaceX这样的公司签订了为国际空间站（ISS）运送补给的合同，NASA已加倍押注于消耗性助推器，将其作为向地球轨道以外区域发送人类和探测器的手段。NASA新的深空探索平台——太空发射系统（Space Launch System），将是有史以来最强大的火箭。NASA对太空探索的关注，以及实现这一目标对大型火箭的需求，意味着NASA不再需要自行建造平台来将货物送入轨道。“从纯粹的技术角度来看，我们都希望实现SSTO，”邓巴彻说。“但我们正专注于确保将人类送往更远的太空，这是一项昂贵的任务。”
消耗性火箭对于低地球轨道以外的任务是合理的。它们可以比单级飞行器运载更多的货物和燃料。火箭也提供了可靠性——平均而言，只有20次发射中失败一次，部分原因是它们没有因重复使用而磨损。最后，火箭的研发成本较低，因为大部分技术自20世纪60年代以来就已经存在。
但对于国际空间站的常规任务，或将小型观测卫星送入轨道，经济性成为一个关键的考虑因素。SpaceX首席执行官埃隆·马斯克（Elon Musk）在2011年的一次国家新闻俱乐部演讲中表示，私人航天飞行需要遵循更接近航空公司的模式。“如果飞机不可重复使用，很少有人会乘坐，”他说。SpaceX计划使火箭分级可重复使用，但这也有其缺点：虽然可以回收火箭分级，但设计能够完好无损地承受再入大气层的部件会增加复杂性和成本。
四小时内飞往世界任何地方。
亨普塞尔表示，“斯凯隆”每年可能执行100次飞行——如果属实，第一年就可以收回研发和建造的资金，只剩下燃料、维护和运营等费用。而邦德的发动机技术，除了从头到尾保持发射载具的完整性外，还提供了另一个优势：超音速航空。“它能够使飞机在四个小时内飞往世界任何地方，”邦德说。
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当空气以五倍音速撞击发动机时，温度会升高到近2000华氏度。在空气进入涡轮压缩机再进入推力室之前立即散掉这些热量，是反应发动机工程师面临的最艰巨的技术挑战。邦德的解决方案是一种热交换器，它通过将低温液态氦气通过由超薄金属壁制成的管阵列来工作。当炽热的空气流过交换器时，冷却的管道吸收能量，在不到一秒钟的时间内将空气冷却至零下238华氏度。邦德说，他的交换器可以处理约400兆瓦的热量（相当于一个中型天然气发电厂）。“如果在一个发电站，这可能是一个200吨重的热交换器，”他说。“我们建造的那个约重1.4吨。”
对于火箭科学家来说，没有什么比重量更重要。“将一磅物体送入轨道大约需要10磅燃料，”NASA的邓巴彻说。“SSTO一直面临的挑战是如何让飞行器尽可能轻便，并产生尽可能大的推力。”邦德估计，“斯凯隆”在起飞时的重量约为358吨，携带的氢燃料足以将其自身以及约16.5吨的有效载荷（与大多数在役火箭的运载能力相当）送入轨道。
如果发动机通过了飞行测试，反应发动机公司的计划之一是将其技术授权给航空航天行业的潜在合作伙伴。邦德希望热交换器的最新成功能够激发人们的兴趣。经过30年的研究，它无疑激励了他。“这代表着推进技术的根本性突破，”他说。“这是我生命中最自豪的时刻。”
本文最初发表于2013年9月的《大众科学》杂志。
