關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道: 訂閱。透過購買訂閱,您將有助於確保未來能夠繼續釋出關於塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的報道。
當盧克·天行者在《星球大戰》電影中跳進X翼戰鬥機並飛向太空時,他所做的壯舉在今天是不可能實現的。目前的軌道運載火箭都是大型多級裝置,它們結合了一系列拋棄式火箭級的推力,以擺脫地球引力的束縛,並將少量有效載荷送入上方的虛空。
如果有一種飛行器能夠完成同樣的任務並一次又一次地完整返回,那將是多麼簡單和廉價。這樣一種可重複使用的單級入軌 (SSTO) 飛行器可能最終實現定期、真正經濟實惠的太空通道。但實用的 SSTO 飛行器絕非易事。幾十年來,它一直是許多火箭科學家和工程師夢寐以求的目標,他們曾嘗試開發但都失敗了。
主要困難在於設計和製造一種足夠輕巧且動力足夠強大的飛行器,使其能夠攜帶可行的有效載荷進入軌道,後者時代的聖盃追尋者之一艾倫·邦德解釋道。“現有技術無法做到這一點,”邦德斷言,“但差距不大。”
大約二十年前,邦德和兩位資深研究同事在英國牛津郡成立了一家小型研發公司。他們的公司 Reaction Engines, Ltd. 著手開發一種名為 Skylon 的 SSTO 太空梭。這項雄心勃勃的設計基於一種新型混合噴氣發動機-火箭發動機概念,該概念可能恰好提供必要的推力。如今,十幾位 Reaction 研究人員正在努力完善該發動機的關鍵技術。
儘管許多航空航天觀察家認為,考慮到所涉及的艱鉅技術和經濟障礙,這項努力完全是堂吉訶德式的,但其他人則謹慎地抱有希望。“混合發動機概念可以追溯到近半個世紀前,沒有人能使其高效工作,”北達科他大學 (U.N.D.) 空間研究系主任 大衛·惠倫 說。“但如果能成功,你將在進入近地軌道空間方面迎來一個新時代。”
大多數傳統運載火箭助推器都使用笨重的低溫推進劑——液氫和液氧——但邦德早在 20 世紀 80 年代就意識到,大氣中的氧氣可以為旅程中較低海拔高度部分的噴氣發動機提供燃料。
他說,根本問題在於,傳統噴氣機在速度超過約 2.7 馬赫(音速的 2.7 倍)時變得不切實際;流入的空氣在進入發動機時迅速減速,併產生比大多數可用材料所能承受的更多的熱量。
此外,在速度高於 2.7 馬赫時,進入的空氣非常熱,“你無法對其進行任何有用的功,”邦德說。標準的噴氣發動機採用旋轉式壓縮機風扇來壓縮流入的空氣,以便在與燃料混合並燃燒時釋放大量能量。“熱空氣無法完成這項工作,”他繼續說道,“因此你必須在空氣進入壓縮機之前對其進行預冷,這個概念自 20 世紀 60 年代以來就一直存在。”邦德構思了使用超冷液氫燃料作為散熱器來帶走進入空氣中的多餘熱量,並使用一些熱空氣來支援燃料燃燒的想法。在太空邊緣,雙模動力裝置將切換到傳統的火箭發動機,利用液氫和少量液氧將帶翼飛行器推進到軌道,最終速度達到 25 馬赫。
混合推進概念足夠有吸引力,以至於在 20 世紀 80 年代中期,英國的 BAE 系統公司 和 勞斯萊斯公司 為一個名為 HOTOL(水平起飛和著陸)的 SSTO 太空梭專案抓住了這個概念。但在 HOTOL 在 20 世紀 80 年代後期被取消後,邦德、理查德·瓦維爾和約翰·斯科特-斯科特成立了 Reaction Engines 以繼續進行。邦德擔任公司總經理,瓦維爾擔任技術總監兼首席設計師,斯科特-斯科特擔任工程總監。
該團隊很快將開始使用按比例縮小的預冷器單元和 Viper 渦輪噴氣發動機進行一系列里程碑式的地面測試。如果試驗成功,它們可能會為全面開發吸氣式火箭發動機鋪平道路。
按照目前的設想,Skylon 的開發成本估計為 100 億美元,但邦德聲稱,其每公斤軌道有效載荷的運營成本將是目前飛行器的五十分之一。到目前為止,該專案已消耗約 700 萬美元的私人和公共資金,本週歐洲航天局 又投入了 125 萬美元。“我們希望在三年內完成關鍵技術的演示,”瓦維爾表示。在那之後,Reaction Engines 將尋求建立公私合作伙伴關係以建造原型機。
巴勃羅·德萊昂是惠倫在 U.N.D. 的同事,他與同事的觀點相同:“這個概念可能行得通。如果成功,Reaction Engines 將比其他任何人都先達到 SSTO 飛行器。”他說,發動機的開發似乎最近取得了進展。但德萊昂指出,為高空測試提供資金將極其困難:“為達到成熟水平的資金將是一個與技術挑戰一樣困難,甚至更嚴峻的挑戰。”