前景广阔的载人航天

□ 庞之浩

“云霄塔”空天飞机可在普通飞机跑道起飞，比航天飞机发射费用低

2012年6月16日～29日，中国圆满完成了首次载人航天交会对接任务。按照中国载人航天“三步走”的发展战略，今后中国还将发射货运飞船、天宫二号和三号空间实验室，在太空建造60吨级大型空间站，并正在论证载人登月。

从世界载人航天发展的前景来看，除了充分利用已建成的国际空间站开展各种科学实验和技术试验外，一些航天大国和强国正在积极着手研制重型运载火箭和新型宇宙飞船，目的是近地轨道以远的深空载人探索，如载人探测、登陆小行星和火星。另外，近地轨道载人航天正朝着商业化方向开展，太空旅游业也日益繁荣。能水平起降的空天飞机研制工作又东山再起，取得了重要的阶段成果。

各国纷纷打造重型运载火箭

现在，美国、俄罗斯等国，把载人航天的目标都瞄准了月球、小行星和火星。为此，首先要研制出发射深空载人飞船的重型运载火箭。载人登月飞船一般在50吨左右，而且其奔月时的速度要求为10.9千米/秒，因此必须用近地轨道运载能力在60吨～120吨的重型运载火箭才能发射，发射载人小行星或火星飞船则需要运载能力更大的重型运载火箭。当年美苏竞争载人登月时苏联之所以败给美国，最重要的原因就是苏联研制的N1重型火箭4次发射均以失败告终。

在重型运载火箭的研制方面，美国私营公司——太空探索技术公司一马当先，于2011年4月5日率先宣布了研制“重型猎鹰”的计划。“重型猎鹰”由标准的“猎鹰”9火箭捆绑两个液体燃料的“猎鹰”9第1级作为推进级组成，起飞推力为1700吨。该火箭近地轨道运载能力达53吨，每次发射成本预计为8000万～1.25亿美元。它虽然无法一次发射月球任务所需的所有设备，但可以分批发射各种不同设备。“重型猎鹰”拟于2013年首次从加州范登堡空军基地发射，随后的发射任务将转往佛罗里达州卡纳维尔角进行。

太空探索技术公司还在考虑研制更为强大的火箭——“超级载重火箭”，其运载能力将达到170吨。借助于这种火箭，无论是重返月球，进军火星或者其他更远天体都没任何问题。该公司已与美国航宇局签署一份合约，探索研制“超级载重火箭”的可能性。

2011年9月14日，美国航宇局也正式对外公布了美国新一代重型运载火箭——“太空发射系统”的方案。该火箭的研制采取了一种渐进式发展模式，其初始方案的近地轨道运载能力为70吨，改进后将达到130吨，可用于向近地轨道及更远的空间发射多用途乘员飞行器和大型有效载荷，以满足载人登陆小行星、载人进入火星轨道等深空探测的任务需求，和国际空间站商业乘员运输系统的备份运输工具。

“太空发射系统”芯级直径8.38米、采用航天飞机主发动机RS-25D/E，初始运载能力70吨的重型火箭使用3台，改进后运载能力130吨的重型火箭使用5台。其上面级由1台J-2X氢氧发动机提供动力。初始运载能力的火箭采用5段式航天飞机固体火箭助推器，改进后运载能力的火箭采用固体或液体助推器，目前多种助推器方案还在论证过程中。其首次试射计划在2017年。

一个国家进入太空的能力在很大程度上决定了其空间活动能力以及空间应用水平。我国发展重型运载火箭的初步总体方案，近地轨道运载能力130吨，具备一次发射将3人以上有效载荷送上月球，并从月球安全返回的能力。

新型飞船性能优异

目前，美国、俄罗斯正在研制新型宇宙飞船，其中新型载人飞船的共同特点是：一是用途广，一船多用，可以飞往空间站、月球、小行星和火星；二是可以重复使用，目前的宇宙飞船都是一次性使用的，所以成本高，可重复使用10次的载人飞船可以大大降低成本；三是运载能力大大增加，每次可以运送4人～7人。

美国洛马公司正在研制的“猎户座”多用途乘员飞行器采用类似“阿波罗”飞船的舱段构型，尤其是其乘员舱和“阿波罗”飞船的指令舱异常相似，为圆锥形，只是舱内空间比“阿波罗”指令舱大1倍。“猎户座”采用太阳能电池翼供电，所以功率大，时间长。“猎户座”由服务舱、乘员舱、发射异常中断系统以及飞船适配器组成，拟于2018年以后投入使用。

洛马公司拟用2艘对接在一起的“猎户座”进行载人登小行星。这2艘“猎户座”同时发射，其中1艘是载人的主“猎户座”飞船，另1艘是携带绝大部分的消费品。在到达小行星上空时，1名航天员将穿舱外航天服出舱，并通过载人机动装置漂浮到小行星上采集样本，用科学仪器进实验，另1名航天员留在舱内进行指挥。任务完成后，出舱航天员回到载人的主“猎户座”，然后主副“猎户座”飞船分离，载人的主“猎户座”飞船发动机点火返回地球，无人的副“猎户座”飞船继续进行小行星的科学观测。采用2艘“猎户座”飞船对接的方案可以节省下大量的时间和成本。

其他的美国新型宇宙飞船由私营公司研制，采用商业运输模式运营，具有效率高、成本低、功能强、周期短等特点，用于满足近地轨道天地往返的需求。

乘员航天运输—100飞船透视图

对接在一起的2艘“猎户座”飞船用于载人登陆小行星活动示意图

俄罗斯“新一代载人航天运输系统”飞向“国际空间站”示意图

2012年5月25日，世界首艘商业飞船——“龙”船正由国际空间站的加拿大机械臂2号移向与空间站对接的和谐号节点舱2对接口

俄罗斯首个太空旅馆寿命能达到5年

2012年5月25日，美国太空探索技术公司研制的“龙”飞船首次与“国际空间站”对接，送去了一些货物。“龙”飞船分载货型和载人型两种，所以既可运货物，也能运乘员。载货型“龙”飞船能向空间站运送6000 千克有效载荷，运回3000千克有效载荷；载人型“龙”飞船最多可将7名乘员送至近地轨道。 “龙”飞船头锥部装有标准的国际空间站通用停泊装置，能被空间站遥控机械臂系统捕获。这种方式减少了飞船上对接系统的重量、成本和复杂性。载货型“龙”飞船已于2012年开始使用，载人型“龙”飞船将于2015年首次升空。

美国波音公司正在乘员航天运输-100飞船。该飞船外形类似于锥形的“阿波罗”或“猎户座”飞船，但体积比“猎户座”稍小，比“阿波罗”稍大，能够乘坐7人，但空间狭小，不如“猎户座”那么宽敞。首艘乘员航天运输-100载人飞船有望在2014年从佛罗里达州发射。不过，美国航宇局不是乘员航天运输-100飞船唯一的用户，该飞船还将为比格罗航天公司正在开发的私营充气式太空旅馆提供天地往返运。

俄罗斯正在研制“新一代载人航天运输系统”，首次载人任务计划在2018年进行。它能运载6人和500千克货物到近地轨道。它易于改装进行不同组合，有“绕地型”和“月球型”两种。其乘员舱拟采用可重复使用的防热瓦，而美国的“猎户座”防热材料采用阿波罗时期的烧蚀性绝热系统。2009年10月28日，俄罗斯还宣布将研制核动力宇宙飞船，这种飞船配置的核反应堆功率将达兆瓦级，能降低飞船发射和运行时的能耗，满足载人火星探测、星际旅行和为空间站提供服务的需要。

太空旅游方兴未艾

说起到太空去旅游，不少人以为这是梦想，其实它已经开始变为现实。从2001年世界第1名太空游客蒂托乘俄罗斯飞船上天并进入国际空间站开始，已有8人次到太空旅游。但是这种到地球轨道旅游的价格可不菲，1次太空游需花几千万美元。不过别着急，太空旅游的门槛即将大大降低，因为全球首家私人太空旅游公司——英国维珍银河航天公司拟于2013年推出亚轨道旅游业务，届时太空游客乘“太空船”2号体验太空飞行只需要花20万美元就可以了。

亚轨道飞行旅游就是用旅游飞船把游客送到100千米高的太空边缘后马上返回地面，即游客乘坐飞船做近似于直上直下的抛物线飞行。采用这种飞行方式，可使游客既能感受几分钟的失重，也可目视长达数千千米的地球弧线表面，欣赏美丽的地球，而且费用比轨道飞行便宜的多，1次飞行约20万美元，并随着大规模开展，还有可能降到10万美元，现已有几百人报名，包括几名中国人。

俄罗斯还拟开展太空行走旅游和月球旅游。太空行走旅游是在轨道飞行旅游费用的基础上要再交1600万美元，就可在1名职业航天员的陪护下在太空行走90分钟。月球旅游的时间为2周，游客搭乘联盟号系列飞船升空后先前往国际空间站；在站内停留1周之后再乘坐“联盟”号系列飞船前往月球，大约1周后返回。不过，搭乘“联盟”号系列飞船的月球观光客不在月球表面着陆,只对月球进行近距离参观，费用为1.5亿美元,《阿凡达》导演卡梅隆已报名。

“太空船二号”的母机“白骑士二号”

另外，美国和俄罗斯都在计划建造太空旅馆，2020年前运营，住24小时的费用为400万美元。太空旅馆的可靠与舒适性远高于目前的空间站，每个客房不但为旅客们提供了大型观景舷窗，在旅馆的监控室中还配有双筒望远镜和相机，旅客们可以借此尽情享受美丽的地球景色和星系并拍照留念。另外，太空游客可以选择垂直床或者水平床，并有全密闭式的淋浴间，它能够有效防止水珠四处乱飞，以防止水流进不该去的地方。太空旅馆上的食物更加精细，旅客们可以便捷地吃上小牛肉炖野蘑菇、豌豆泥、土豆汤和果盘等丰盛的食物。太空旅馆内装有冰箱，旅客们可轻松喝到冰茶、矿泉水和果汁等多种冰镇饮料。旅馆内的空气总是新鲜的，因为空气过滤系统会除掉舱内的异味和细菌。

空天飞机又见曙光

近日，英国正在研制的航空航天飞机——空天飞机“云霄塔”实现了重大突破，成功测试了“云霄塔”空天飞机的发动机。“云霄塔”在大气层内飞行时，其上的发动机能将氢与空气混合燃烧；出了大气层以后，可将氢与液氧混合燃烧。所以，“云霄塔”被认为是实现人类太空旅行梦想的航天器

美国新一代重型运载火箭——“太空发射系统”

空天飞机是航空飞机和航天飞机的“混血儿”，因为它同时装有航空发动机和火箭发动机，所以在大气层内飞行时可象普通飞机一样在跑道上起飞，用航空发动机提供动力，按航空飞机方式飞行和操纵；在大气层外飞行时则由火箭发动机提供动力，按航天器方式飞行和操纵。

这样做的好处是，它在大气层内飞行时可用空气中的氧做氧化剂，因而能大大减少整个飞机的氧化剂装载量，使飞机的质量和体积大大减少，由此降低成本。此外，由于它可像普通飞机一样完全重复使用，且能水平起飞，这样就省去垂直发射所需的复杂设备。

美国“比格罗”号太空旅馆在轨飞行示意图

链接：有很多媒体将美国发射的X-37B称为空天飞机，这是不准确的。因为X-37B的发射方式和航天飞机一样，依靠火箭发动机进行垂直发射，所以它是一种小型航天飞机，而不能算空天飞机。

“重型猎鹰”发射示意图

不过，因为空天飞机的技术十分复杂，以致于各种方案都没有实质性成果，所以又都纷纷下马了，只有“云霄塔”方案在悄然进行。

“云霄塔”比美国航天飞机大许多，长90米、翼展25.4米，理论起飞质量约345吨，是世界上首个采用混合动力发动机的天地运输器，这种混合发动机在技术上已取得新的突破。 它可以搭载大约30名乘客。由于能重复使用，其每次飞行的费用约945万美元，航天飞机每次发射费用为4亿～5亿美元。

“云霄塔”在降落后两天内可以实现再次起飞，每架可以完成大约200次飞行任务。其发射成本低的成本优势将使未来的太空旅行更经济、更便捷。它有望到2016年时开始亚轨道试飞，到2018年实现轨道试飞，到2020年能够实现商业运营。

据称，“云霄塔”不仅能取代航天飞机，而且有望将太空旅行提升到新高度。“云霄塔”可在29千米高空飞行，速度是音速5倍，4个小时内可抵达世界任何角落。

此外，具有科幻色彩的太空电梯将逐渐向现实过度，有望在本世纪问世。今后还可能建造太空城、月球基地，甚至把火星改造成人类第2个家园，等等……