近几十年,虽然人类在计算机、远程控制、通讯、飞行器状态自适应、航天材料等领域进步神速,但是航天发射领域,传统的化学能火箭发射仍然会在今后很长一段时间内占据绝对的主要地位。众所周知,以传统火箭的荷载效能,我们无法太大规模地将物资运上轨道。所以很多人轨道观日出,月球滑雪,火星登山的梦想依然遥遥无期。虽然现在的燃料在燃烧效能、环保参数等方面已今非昔比,但是化学能火箭的发射效率仍然难以令人满意。其复杂程度、操作困难程度、使用稳定性等方面的限制使其一直给人高耗能、高风险、高成本、低可重复使用的印象。特别是成本这块,目前,把1克的荷载发射到低轨道大概需要人民币2.5万元左右,这种情况下想要大规模的太空开发肯定不太现实。那么,除了space-x最近开发的可回收助推段火箭这种缩减成本,提高效能的探索外,还有什么法子让人类爬上轨道的成本降下来,效能提上去,让大规模的太空旅行与开发离我们更近呢?
其实,一直以来世界各国都在这个领域悉心探索,产生过很多充满想象力的,革命性的空天运输解决方式,脑洞大开,异彩纷呈,但可实施性则各有千秋。不过,话说回来,有的时候想象力比知识本身更重要。先有想法,才能验证可行性。对于新一代的航天发射/运输方式,归结起来有几个“流派”,下面我们梳理一下:
首先是“匀速航天”,也就是在世界各地颇有呼声的“太空电梯”类方案。电梯的主体结构以纳米真空管为“基材”,建成后牢固耐用,安全稳定,效率超高,运输成本可大幅度降低。但是对材料的要求极高,跨越平流层、同温层、近地轨道等多个层级,差异极大的温度、湿度、冲击力等对材料的韧度、牢固度、耐受力都提出了难以想象的苛刻要求,故至今为止概念提了不少但还未见原型机。
第二类是固定翼航天飞机的改进方案,也就是俗称的近轨道可返回式飞行器,或者直接叫空天飞机。技术要求是可以在普通机场起降,利用先进的超燃冲压可变循环发动机和火箭发动机的组合实现正常起降和跨轨道飞行的结合。个人一直看好这类方案,可实施的基础较牢固,实验数据的积累也较扎实,机体材料上可沿用现有飞船和航天飞机的部分成熟材料。技术攻关的难点则在于发动机构型和使用的配合/切换方式上,相信以后会越来越成熟。这种运输方式的成熟也将大大降低空天飞行的成本,提高运输效率,极有可能在短期内大幅度提升建设轨道空间的速度。
NASA在X-37前的一个方案“冒险星”
单体空天飞机方案
合体方案,上图为德国“桑德尔”
这种其实是在平流层上发射轨道飞行器的一种方案
还有一类是对于非传统飞行器发射方式的研究和试验,包括电磁发射、激光发射等。这些方面目前的数据有限,故不过多展开讨论。总之,洒家相信,随着大数据时代的到来和新型材料加工方式的兴起(比如3D打印),一些以前难啃的骨头:数据采集、虚拟模拟、特殊的,高强度的材料成型等都将获得良好的解决方案。而且,高度的信息共享和快速交流有利于科研项目操作扁平化,使得以前难以想象的跨领域交流和合作变得不再困难。综合这些有利的条件,相信新的“太空大航海时代”离我们越来越近。
NASA电磁发射理论样机
光帆,远航的器具
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