漫談太空旅行

在20世紀(jì)開始時(shí)，人們經(jīng)常問：“人類能不能去太空旅行？”現(xiàn)在，21世紀(jì)開始了，過去的問題有了肯定的答案?，F(xiàn)在的問題是：“人類什么時(shí)候經(jīng)常去太空旅行呢？”

對(duì)于這個(gè)問題，不同的人有不同的答案，有的說要2年后，有的說要30年后。英國布里斯托航天飛機(jī)公司把太空旅行分為兩種。一種是亞軌道太空旅行，即達(dá)到太空的高度，繞地球軌道飛行不到一圈的短暫旅行；另一種是環(huán)繞地球軌道的太空旅行，就像衛(wèi)星一樣在太空中沿著軌道飛行。根據(jù)該公司的分析，6年后可能會(huì)開始亞軌道太空旅行，而環(huán)繞地球軌道的太空旅行則要等到10年以后。太空旅行的費(fèi)用很高，只有富人才承受得起。等到把費(fèi)用降到中等收入而且愛儲(chǔ)蓄的人也能承受得起時(shí)，則要等到15年以后了。

工程技術(shù)上的基本要求

設(shè)計(jì)要求

到過太空旅行的許多宇航員都說太空旅行是令人終生難忘的體驗(yàn)。在太空中觀看地球、月球、太陽以及各個(gè)天體，在微重力條件下行走和活動(dòng)，這些都令人心曠神怡。太空旅行聽起來如此令人神往，難怪許多人都想去親身體驗(yàn)一番，前提當(dāng)然是要既安全又經(jīng)濟(jì)。

目前，把一個(gè)人送入太空軌道的費(fèi)用是1000萬美元以上。太空旅行出致命事故的概率是百分之一，這個(gè)概率還是太大。目前坐飛機(jī)旅行出致命事故的概率是百萬分之一，而體育跳傘的致命事故概率是十萬分之一。顯然，太空旅行載人航天器的設(shè)計(jì)要求主要是降低旅行費(fèi)用，提高安全系數(shù)。

飛機(jī)和火箭的對(duì)比

現(xiàn)在的太空旅行為什么如此昂貴而且危險(xiǎn)呢？美國從20世紀(jì)40年代就開始火箭發(fā)射，最初使用繳獲的V－2彈道火箭，后來研制自己的火箭，80年代開始使用航天飛機(jī)，見美國各階段的運(yùn)載火箭外形圖。它們都采用彈道火箭技術(shù)，其主要部件只能飛行一次。這是太空飛行費(fèi)用高并且危險(xiǎn)性大的基本原因。即使是成批生產(chǎn)的火箭，只要它只能使用一次，對(duì)于大規(guī)模的商業(yè)使用來說，依然是太昂貴了。迄今為止，私營公司投資發(fā)射的的航天器只有通信衛(wèi)星。費(fèi)用的昂貴導(dǎo)致火箭發(fā)射很少進(jìn)行，每年僅有100次左右，這很難使太空運(yùn)輸成為“空中的航線”。每次太空飛行都需要幾百名工程技術(shù)人員準(zhǔn)備好幾個(gè)月甚至好幾年，技術(shù)文件也堆積如山。美國航天飛機(jī)是目前世界上唯一 投入使用的、在地球與太空之間往返飛行的載人航天器（見右下圖）。但在18年中它也只飛行了100次，平均每年也就5次左右，而全世界的客運(yùn)飛機(jī)每年飛行1000萬次以上。一種新型的民航客機(jī)一般要求進(jìn)行1000次試飛，才能獲得正式運(yùn)送旅客的飛行證書。

為了使太空旅行既安全又經(jīng)濟(jì)，需要研制出實(shí)用的航天飛機(jī)，使之能夠像民航班機(jī)那樣定期運(yùn)送旅客。目前，美國航天飛機(jī)還不盡如人意，無論是飛行費(fèi)用還是出事故的風(fēng)險(xiǎn)，都要比民航班機(jī)高很多。

太空旅行的基本設(shè)施

太空旅行除了需要航天飛機(jī)以外，還需要太空旅館以及發(fā)射太空旅館的火箭等一整套太空旅行基本設(shè)施，以支持在軌道上的太空旅館，見左下圖。這種設(shè)想早已有之。早在50年代初，就有人對(duì)此進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的研究。美國國家航空航天局在60年代采用“土星”重載火箭將“天空實(shí)驗(yàn)室”送上太空，并試圖采用X－15型高速實(shí)驗(yàn)機(jī)為未來航天飛機(jī)運(yùn)送補(bǔ)給品，以便建立一套初步的太空旅行基地。他們沒有進(jìn)一步改進(jìn)X－15，但其研制經(jīng)驗(yàn)為80年代問世的美國航天飛機(jī)所借鑒。

從實(shí)驗(yàn)到成熟

為了實(shí)驗(yàn)新的航空技術(shù)，有時(shí)需要建造實(shí)驗(yàn)飛機(jī)。實(shí)驗(yàn)飛機(jī)在飛行前后需要進(jìn)行大量維護(hù)，其壽命也可能很短，還可能得不到運(yùn)送旅客的許可證書。在飛行實(shí)驗(yàn)成功之后，新技術(shù)才應(yīng)用到飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，這時(shí)的設(shè)計(jì)即所謂的“成熟的”設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出來的飛機(jī)只需要少量的維護(hù)，壽命也長，并能取得運(yùn)送旅客的許可證書。

一般情況下，研制實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的費(fèi)用是未來成熟飛機(jī)的10％。實(shí)驗(yàn)飛機(jī)不需要成套的生產(chǎn)圖紙和工藝夾具，甚至可以手工制造，而且也不必為了取得客運(yùn)許可證而進(jìn)行飛行。

未來的航天飛機(jī)也必須像民航客機(jī)一樣，具有較長的壽命，能迅速返航，維護(hù)費(fèi)用較低。其技術(shù)上的關(guān)鍵是擁有耐久的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，良好的隔熱保護(hù)，簡易的維護(hù)。在目前航空航天技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過10年的逐步發(fā)展，將可以研制出新型的航天飛機(jī)。

從亞軌道飛行到軌道飛行

前文說過，太空飛行分為亞軌道飛行和環(huán)繞地球的軌道飛行兩種。亞軌道飛行較容易實(shí)施，這是由于其需要的最高速度相對(duì)低一些，而軌道飛行要求速度達(dá)到音速的25倍。亞軌道飛行所需要的燃料重量也少得多，使用目前效率最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，單級(jí)火箭所需要的燃料重量占起飛重量的50％，而軌道飛行的火箭則占87％。由此可見，要實(shí)現(xiàn)太空旅行，比較節(jié)省經(jīng)費(fèi)的方法是建造小型亞軌道航天飛機(jī)。其體積和技術(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于環(huán)繞地球軌道飛行的航天飛機(jī)。

軌道飛行最可行的方法是采用兩個(gè)飛行階段。在第一飛行階段，用貨運(yùn)飛機(jī)把航天飛機(jī)送上高空，達(dá)到一定的速度后釋放航天飛機(jī)，讓它開始第二階段的飛行，并達(dá)到環(huán)繞速度。采用這種方法比較容易，每個(gè)飛行階段所需要的技術(shù)要求也比較容易達(dá)到，把亞軌道航天飛機(jī)稍加改進(jìn)即可。

太空旅館

已有的幾個(gè)太空實(shí)驗(yàn)室和空間站的成功運(yùn)行表明，建立太空旅館在技術(shù)上已沒有問題。但是，現(xiàn)有的空間站還是非常昂貴，主要是由于以下四個(gè)因素：1貝表國家的政治形象。2泵扛隹占湔徑際切虜品。3鋇拖碌納產(chǎn)率。4蔽修費(fèi)用高。重大的修理要發(fā)射航天飛機(jī)送人去修理，而美國航天飛機(jī)的發(fā)射費(fèi)用是大約5億美元。民航飛機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)都有標(biāo)準(zhǔn)可遵循，而空間站都是單件設(shè)計(jì)，單件生產(chǎn)，技術(shù)要求也高得多。

如果航天飛機(jī)的成本能夠降下來，則空間站的成本也能相應(yīng)地降下來，就可以作為太空旅館使用，其成本將與同樣規(guī)模的民航機(jī)大致相同。例如，一個(gè)內(nèi)部容積與波音747飛機(jī)相同的空間站，其成本將降到2億美元。目前研制的國際空間站的成本約為500億美元，龐大的成本是建造大型空間站的障礙。由此可見，研制出低成本的航天飛機(jī)之后，也隨之能研制出低成本的太空旅館了，其壽命應(yīng)在20年以上。

重載火箭

大型太空旅館將設(shè)計(jì)成模塊拼裝式。各個(gè)模塊分別發(fā)射，到軌道上再組裝到一起。這樣，每次發(fā)射所用重載火箭的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國航天飛機(jī)的成本。未來向太空旅館運(yùn)送供應(yīng)品的任務(wù)很重，估計(jì)每隔幾天就要運(yùn)送一次?，F(xiàn)有的大型運(yùn)載火箭，如美國航天飛機(jī)和“阿麗亞娜”火箭還可以使用，其成本在采用了未來航天飛機(jī)的技術(shù)之后將大大降低。

安全

航天飛機(jī)的安全性應(yīng)該有可能達(dá)到民航機(jī)的水平。太空旅行面臨四個(gè)傷害因素：射線輻射、太空碎石、重返大氣層時(shí)的高溫和嚴(yán)重的機(jī)艙效應(yīng)。這些傷害因素有些是太空旅行特有的，有些則是民航飛行也有，但程度較輕。通過充分的技術(shù)實(shí)踐，這些傷害因素應(yīng)該得到控制，可以采取的技術(shù)措施包括：盡量減少暴露、屏蔽、系統(tǒng)冗余、充分培訓(xùn)飛行人員、充分的統(tǒng)計(jì)分析以及艱苦而詳細(xì)的開發(fā)研制。

一次性使用的火箭和飛船不能充分保證安全。由于它們只能飛行一次，因而無法在正式飛行之前作飛行試驗(yàn)。而新型號(hào)的民航機(jī)往往要試飛1000次左右，才能取得客運(yùn)許可證。運(yùn)載火箭由于造價(jià)昂貴，很少進(jìn)行試驗(yàn)飛行。

成本

據(jù)推算，每位旅客乘未來航天飛機(jī)的飛行成本為5000美元左右，比乘長距離民航班機(jī)的飛行成本高多了。這是由于航天飛機(jī)要攜帶更多的燃料，從而減少了能夠運(yùn)送的旅客數(shù)量，另外燃料多也增加了成本。除此之外，由于初期的航天飛機(jī)的飛行要分為亞軌道飛行和軌道飛行兩個(gè)階段，其設(shè)計(jì)要比民航飛機(jī)復(fù)雜得多。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)、結(jié)構(gòu)、材料等技術(shù)的發(fā)展，會(huì)研制出只有一個(gè)飛行階段的、更簡單的航天飛機(jī)。對(duì)太空旅行的總體成本作出的初步測算，航天飛機(jī)的成本占總成本的70％。再把太空旅館的成本、管理費(fèi)和利潤也包括進(jìn)去，去太空旅行幾天的費(fèi)用約為1萬美元，中等收入的人可以承受得起，而且比目前運(yùn)送一個(gè)人進(jìn)入太空的費(fèi)用要便宜約1000倍。

太空旅游的商業(yè)經(jīng)營

日本進(jìn)行過旅游市場的調(diào)查研究，結(jié)果表明，日本每年有大約100萬人愿意花1萬美元到太空去旅游幾天。美國和加拿大也進(jìn)行了調(diào)查，愿意花1萬美元去太空旅游的人口比例與日本大體相同。如果全世界按此比例計(jì)算，每年有太空旅游需求的人數(shù)將達(dá)到1500萬。考慮到太空旅游畢竟是未來計(jì)劃的事情，市場調(diào)查肯定會(huì)有局限性。按謹(jǐn)慎估計(jì)，每年也有100萬人要去太空旅游。即使這樣，如果航天飛機(jī)能乘坐50位旅客，也需要50架航天飛機(jī)每天飛行一次，整個(gè)太空旅游市場的規(guī)模將達(dá)到每年100億美元。

假設(shè)世界工業(yè)化國家的人口為10億人，平均壽命為75年，則每年100萬太空游客，相當(dāng)于工業(yè)化國家的人口中有75％的人一生中要到太空去旅游一次，以上市場預(yù)測還是保守的。在調(diào)查中有許多人表示，花幾個(gè)月的收入到太空去進(jìn)行一次獨(dú)特的革命性的旅游是值得的，他們希望多次去太空旅游。

大衛(wèi)·阿斯福特著陳思信譯

責(zé)任編輯：兆 然■