人间特使

航天飞机

　　飞机不能进入太空，而火箭使用一次就报废。人们在思索，能否研制一种能进入太空的飞机呢？

　　利用火箭发动机使飞机进入高空 （没有空气阻力）的想法由来已久。早在1933年德国人桑格尔就写了一本书，叫做《火箭飞行技术》，提出制造用液体火箭发动机做动力的超级轰炸机的可能性。第二次世界大战中他设计了一架火箭轰炸机，推力约1000千牛，用6000吨固体火箭助推起飞，可飞高145千米，航程达2万多千米，最大速度21240千米/小时 （5.9千米/秒），绕地球一圈需150分钟。但计算表明，要求发动机比推力400秒·质量比（总重对空重之比）等于10才行。而且研制费要300万英镑，故未能成为现实。德国人便把重点放在设计火箭歼击机上，最有名的是1940年研制的MC—163

　　2原型机，这用两个109—509A火箭发动机（推进剂为过氧化氢）做动力，速度达965千米/小时。但发动机只能工作4.5分钟，在空中仅能停留20分钟，很显然是不能打仗的。第二次世界大战期间美国也制成了贝尔X—1火箭飞机

　　（推进剂用液氧和酒精），于1944年12月飞行时最大速度达到1280千米/小时。1946年用B—29轰炸机把X—1带入高空抛放，然后自飞，创造了时速达1600千米。后来道格拉斯公司在50年代又研制了D－558—2MK—1和D－558—3MK—2火箭飞机。但没有实际应用，可经验是宝贵的。

　　美国人搞航天飞机的想法由来已久。50年代初贝尔公司的道伦博格（前纳粹研制火箭的负责人）根据桑格尔的设想提出“波米”计划，为二级火箭航天飞机，形状和发射方式与“哥伦比亚”号航天飞机相差无几。可惜因技术关键太多未能开展研制。布劳恩此时曾在《柯里尔》杂志上撰文倡议研制航天飞机，我国火箭专家钱学森也曾研究过带翼的太空飞机问题，对美国朝野影响很大。1957年在前苏联卫星的刺激下空军提出用“大力神”Ⅲ发射“迪纳—索尔”航天飞机的方案 （又称X—20）。搞了6年，终因耗资过大，而被更简单的航天飞行器所代替。

　　进入70年代之后，情况已远非昔比，1969年美国航宇局和国防部共同提出研制航天飞机的计划。

　　开始，美国人雄心勃勃，计划采用法盖特提出的方案，搞全部可回收的航天飞机系统。简单地说，就相当于用一个和波音747尺寸大小相当的航天飞机从机场起飞，母机把航天飞机送入高空后，航天飞机脱离母机自己继续飞入太空，而母机则重新返回机场降落。为了节省氧化剂，发动机在大气中可由空气助燃飞行。这个方案当然理想，但要花费120亿美元以上，而且技术上难点也多，遭到国会反对，航天飞机计划也几乎夭折。由于尼克松总统力排众议，大力支持，才通过了一个半回收航天飞机系统计划，就是现在的第一架航天飞机（“哥伦比亚”号）。它实际上是用两个巨型固体火箭代替母机，把航天飞机（也叫轨道器）送上天后，固体助推器脱落用降落伞回收。由于想使航天飞机结构紧凑，多装有效载荷，便把入轨前使用的液氢、液氧另外装在一个大容器中，液氢、液氧用完后容器即抛弃，这很有点像飞机用的副油箱。这个方案约需60～80亿美元。本来计划1978年试飞，因经费不足的和技术问题到1981年4月12日第一架航天飞机“哥伦比亚”号才第一次试飞，并获得成功。

　　迄今为止，进入太空的航天飞机共6架，其中美国5架，前苏联1架。它们是“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“阿特兰蒂斯”号、

　　“奋进”号及“暴风雪”号。

　　航天飞机是通向太空的理想交通工具之一。人类没有停止在汽车、轮船、飞机之中，而是不断前进，向茫茫的宇宙进军，开发宇宙资源，为人类造福。

　　太阳能飞机

　　飞机在天空飞，可以说是“近天楼台先得日”。太阳有无穷的能量，能不能用太阳能来开动飞机呢？

　　人类利用太阳能的历史，已经有千万年了，但主要是直接用它的光能和热能，如照明、取暖、烧热水等。直到近代，才有人把它的能量转变成电能。1983年，在意大利西西里岛，建立了一台塔式镜面反射发电站。180面大镜子把太阳光集中到一个装水的塔上，使水温升到500℃变成蒸汽，再推动涡轮发电机发电，电能可达1000千瓦。不过这种方法在飞机上是行不通的，飞机上没有那么大的地方，也不能承受那么大的重量。因此，要在飞机上利用太阳能，还得寻找别的办法。

　　50年代初，由于半导体技术的发展，人们研制成功了能将太阳光直接转换成电能的太阳能电池。这种电池小得只有2厘米见方、零点几毫米厚。它不只轻便，而且光电转换效率高，可以达到15％。这就为飞机采用太阳能作动力打下了基础。

　　世界上第一架以太阳能为动力的飞机就是由第一架人力飞机的设计者美国麦克里迪设计，由美国国家航空航天局和杜邦公司制造的。它基本上就是在人力飞机的基础上改造而来的，叫“蝉翼企鹅”号。在它的翅膀上装的是太阳能电池。电池发出电，供给电动机，电动机带动螺旋桨，使飞机得以飞行。1980年8月，这架飞机由一个瘦小的女驾驶员布朗操纵，在14分32秒钟内，飞行了3.2公里。整架飞机22.7公斤，驾驶员体重为45千克。

　　1980年12月，美国又专门设计了一种太阳能飞机“太阳挑战者”号，它的机翼和尾翼上都装有太阳能电池，总计达1.6万多片。它的重量为 90千克。可在4360米高空，于8小时内飞行370公里。1981年7月7日，这架飞机由美国人普达塞克驾驶，从巴黎起飞，以每小时40英里的速度，飞行了5小时19分钟，飞越英吉利海峡，成功地降落到英国东南部的拉姆斯盖特。

　　太阳能飞机不仅在能源危机的情况下，开辟了新的、取之不尽的能源，而且它没有废气、废油，不会造成环境污染；它没有发动机的轰鸣，不会有噪声污染。它还有飞行平稳、舒适的优点，是一种十分有前途的新机种。但是它也有许多缺点，一是太阳能电池目前还十分昂贵，飞机成本高。据估计，一架单座太阳能飞机，仅太阳能电池费用就达数千美元。还有，太阳能电池的效率还是太低，产生的电能有限，而且在夜晚和天阴时就没法工作。所以，太阳能飞机要进入实用阶段，还得解决许多难题。目前，科学家已在研究一种新型的太阳能电池。也许不久的将来，太阳能飞机会有更大的功率，载重更多，飞得更快、更高、更远。

　　微波飞机

　　用微波的能量作飞机的动力，是航空学家多年来的理想。但是，由于技术的问题，一直未能实现。目前，美国和加拿大等国家，已经开始对这种飞机进行实质性的研制，使这一理想的实现出现了曙光。

　　微波是一种波长较短的无线电波，早在19世纪，德国物理学家赫兹和美国科学家特斯拉就对它进行过研究。这种波有一个特点，它可以聚集成一个很窄的波束，定向向外界发射。这样，它的能量不会分散，而且可以集中到一处去使用，这就为远距离使用无线电的能量提供了可能。

　　1899年，特斯拉在高楼上进行了微波发射的试验。第二次世界大战后，由微波传输能量的试验获得成功。接着，就有一些国家开始研究，怎样从地面发射微波能，供飞机作为发动机的动力。为了使飞机能得到足够的动力，可以多设一些微波发射站。通过定向天线，把各个发射站发出的微波集中到一起，对准飞机发射。而且要随着飞机的飞行，地面定向发射天线也要跟着一起运动，以便微波能可以持续不断地集中到飞行的飞机上。

　　微波飞机目前有两种设计方案。一种是螺旋桨飞机。这种飞机上装有半导体整流设备，它可以把地面射来的微波能，转变为直流电，直流电带动电动机，电动机带动螺旋桨旋转；另一种是喷气式飞机。这种飞机可以将接收到的微波，直接加热喷气发动机的压缩空气，然后从尾喷管中喷出去。

　　1978年10月，加拿大设计了一种高空无人驾驶飞机。它的翼展长为4.57米，双翼呈V字形往上翘。机体后面装了一个大圆盘。在大圆盘和机翼上，装着一层薄薄的半导体硅整流二极管，类似太阳能飞机上的光电管。这架飞机的用途是准备作为微波通讯的中继站，以代替通信卫星。

　　美国也设计了一种这样的飞机，它的翼展为46米，总重量为270千克，上面装有40马力的电动机来带动螺旋桨。供应这架飞机微波束的地面天线阵列分布面积为91米×91米，足以使飞机在2万米的高空，作“8”字形的航线飞行80天。这架飞机是为环境监控用的，上面装有68公斤重的遥感设备，可拍摄地面交通和农作物、森林情况，采集大气中二氧化碳浓度等。

　　美国设计的“阿波罗”号轻型飞机，则是一种用微波作动力的喷气飞机。它是一种有人驾驶的飞机，可以爬高1.2万米。这种飞机还备有自带燃料，以便在大气层外飞行。

　　微波飞机的优点是可以大大节省传统的燃料，减少燃气的污染。但是，它却带来了另外一种污染，即电磁波污染，微波是一种对人体和环境都十分有害的电波。此外，目前这种飞机的造价（主要是地面微波发射设备）较大，而且飞机的载重也有待提高。

　　空天飞机

　　航空是飞机的“专利”，飞机只要携带足够的燃料，它就可以在大气层中纵横驰骋，从东半球的中国北京到西半球的美国纽约，只需要17至18个小时。

　　航天，则是火箭的“专利”了，因为火箭既带着燃料又带着助燃剂，它不依赖空气，可以到大气层以外自由飞翔。由于大气层外十分接近于真空，因此火箭在飞行时几乎没有任何空气的阻力，飞行速度可以很容易地提高，而且可以长期保持不减速，特别适合于环球航行。但是火箭在降落返回地面时可就麻烦了，如果让它直接降落下来，非粉身碎骨不可！

　　航天飞机呢？虽然航天飞机功能齐全，能布放卫星、发射航天器，观天测地，进行材料、药物和生命科学的实验，但也有不尽如人意之处。因为它还是用发射火箭的方式来发射的，然后以轨道器绕轨道运行的方式在空间执行任务，再以飞机的飞行方式降落地面。因此，航天飞机不仅需要大型发射设施，还需要4000至5000人为发射服务，另外，由于发射准备工作时间很长，每月最多只能发射2次。

　　有什么办法取飞机和火箭两者之长、补两者之短呢？ 20世纪80年代，开始研制的空天飞机，正是这种新型的飞行器。空天飞机的全称应该是“航空航天飞机”，它是航空技术和航天技术的结合，既可以在飞机场水平起飞和降落，又可以在外层空间远距离地高速滑翔飞。如果让空天飞机运货载客，它只要个把钟头，就可把货物从欧洲运到澳洲，花2个小时，就可把乘客从华盛顿送到东京；如果让空天飞机飞出大气层，它也可以把几吨重的人造卫星送上近地轨道。

　　德国科学家设计的“森格尔”空天飞机，看上去像是一架大飞机背着一架小飞机，大飞机确实是装着航空发动机的巨型飞机，小飞机则是用火箭发动机推进的轨道飞行器。开始，大飞机背着小飞机沿着机场跑道水平起飞、爬高；当达到预定的飞行高度和飞行速度时，大小飞机互相分离，大飞机由驾驶员操纵着返回机场，小飞机就开动火箭发动机继续加速、升空，以高超音速进入外层空间，借助惯性远距离滑行；最后，小飞机返回大气层，滑翔降落到地面机场。

　　德国人在设计这种“森格尔”空天飞机的时候，英国人则在设计另一种称为“霍托尔”的空天飞机。这种空天飞机采用了航空发动机和火箭发动机两者兼有的新型混合发动机。在低空稠密大气层中飞行时，它像航空发动机那样，吸取大气中的氧气作为助燃剂，与它带的液氢燃料燃烧而产生推力；而在高空，在大气层以外飞行时，就改用机上自带的液氧和液氢，像火箭发动机那样独立地工作。

　　英国科学家设计的“霍托尔”空天飞机是从1982年开始准备的，原计划1996年底进行飞行试验，2000年提供使用，用它来搭载宇航员、运送物资器材、施放回收人造卫星等。

　　但是，“霍托尔”空天飞机的研制并不一帆风顺，就像历史上许多其他的发明创造一样，它也遇到了许多困难和麻烦。就以它的发射方式来说，就已经作了多次变动。

　　“霍托尔”空天飞机开始采用地面火箭滑车助飞的方法来使它升空，由于它的起飞重量是着陆重量的5倍，如果用起落架滑行起飞，这个起落架必定又大又粗又笨重；而用火箭滑车起飞，单单起落架一项就可以减轻5吨左右的重量，如果加上其他重量，预计可减重70吨左右呢！

　　火箭滑车有轮式与轨道式之分，“霍托尔”空天飞机原来打算采用结构相对较简单的轮式火箭滑车助飞升空，即采用火箭发动机为动力，沿着专设的轨道运行。但是，由于缺乏研制大型轮式火箭滑车的经验，要确保火箭滑车在500多千米的时速下不失控，车轮不离开地面，不产生飘移，能可靠地定向行驶，并能及时纠控，保持稳定，按遥控指令及时释放“霍托尔”空天飞机，所遇到的难度是很大的。因此，英国宇航公司转而考虑用大飞机驮着

　　“霍托尔”空天飞机在空中发射，这样，“霍托尔”空天飞机或许也就像德国的“森格尔”空天飞机一样了。

　　使用哪一种大飞机来驮“霍托尔”空天飞机呢？有人建议用“波音747—500”型宽体喷气客机，因为这种飞机有较好的性能，美国宇航局也已用同类波音飞机成功地改装成空天飞机的运载母机。但是，“波音747—500”型宽体喷气客机只能装211.3吨物体，“霍托尔”空天飞机只有经过“减肥”，才有可能实现空中发射的目标。也有人建议用“安—225”巨型喷气式运输机来驮“霍托尔”空天飞机，因为它可以装250吨物体。

　　如果“霍托尔”空天飞机直接从地面机场起飞，它会怎样呢？它开始会加速爬升，2分钟后飞行速度就超过了音速；9分钟时，飞行速度达到5倍的音速，高度迟26千米；从此，它由航空发动机转入火箭发动机工作，继续加速飞行；达到90千米高空时，飞行速度达到了7.9千米/秒的“第一宇宙速度”，这是任何物体若要摆脱地球引力必须具有的最小速度，这时，指令关闭火箭发动机，空天飞机沿着弹道轨迹依靠惯性飞行，在高度为300千米处进入近地空间轨道，继续高速滑行；飞行要结束时，使用机上的轨道机动系统控制飞机减速、下降，并改换姿态，准备返回；进入大气层的时候，“霍托尔”空天飞机抬头挺胸，就像一只斗胜了的大公鸡，迎着大气阻力从天而降；当下降到距离地面25千米高空时，改变飞行姿态，转入滑翔飞行，进行着陆准备；最后，它将以16°的进场角和88米/秒的着陆速度飞进机场跑道，减速滑行1800米距离以后，便可以平稳地停住了。