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 美國(guó)和歐洲的宇航局目前均在研發(fā)一種全新的“吸氣式”(Air-Breathing)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。與傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)能夠從空氣中吸取氧氣來(lái)支持燃料的燃燒，因此在發(fā)射時(shí)無(wú)須攜帶笨重的氧化劑，進(jìn)而大大降低航天器的重量和發(fā)射成本。美國(guó)宇航局認(rèn)為，在未來(lái)40年內(nèi)，“吸氣式”火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有望會(huì)給人類的太空旅行帶來(lái)一場(chǎng)全新的革命。
    讓發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣以產(chǎn)生助推力并不是什么想法。幾十年來(lái)，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)一直在采用這種方式工作。超音速噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)從大氣層吸取空氣作為助燃劑，來(lái)為輕型宇宙飛船提供動(dòng)力，可以從根本上降低把飛船送入軌道的成本。目前，每將約半公斤重的物體送入太空軌道，需要花費(fèi)約1萬(wàn)美元(2.2萬(wàn)美元/公斤)。以這個(gè)價(jià)格，把一位68公斤重的人送入太空要花費(fèi)150萬(wàn)美元。美國(guó)宇航局的目標(biāo)是在今后25年內(nèi)將發(fā)射成本降低到每公斤幾百美元。他們相信，卸掉目前燃燒所需的超過(guò)450噸的液體氧化劑是一條可行之路。美國(guó)宇航局的專家表示，吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有望使太空旅行走近普通民眾。
    作為一種正在研發(fā)中的新技術(shù)，人們難免會(huì)對(duì)“吸氣式”發(fā)動(dòng)機(jī)和“吸氣式”航天器存在著各種疑問(wèn)。以下是關(guān)于“吸氣式”發(fā)動(dòng)機(jī)和“吸氣式”太空飛機(jī)的簡(jiǎn)要介紹：
    1、“吸氣式”發(fā)動(dòng)機(jī)如何工作？
    吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)又稱火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)非常類似。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，首先由壓縮機(jī)吸入空氣。然后發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行壓縮，并將其與燃料混合燃燒。燃燒后產(chǎn)生急劇膨脹的氣體，從而提供助推力。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最大飛行速度只有3到4馬赫，如果速度更高，則發(fā)動(dòng)機(jī)部件將會(huì)過(guò)熱。在超音速?zèng)_壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)�？諝鈱⒃陲w行器加速穿過(guò)大氣層的過(guò)程中減速并被壓縮。形成的超音速氣流再與燃料混合并燃燒。吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最有可能使用的燃料是液氫或烴類燃料。
    吸氣式引擎的基本構(gòu)造就是在飛行器的前端留有一入口用于呼吸空氣。至于下一步如何運(yùn)作，這將依賴于具體的設(shè)計(jì)方案。噴氣引擎就是一種普通的引擎，它是利用引擎幾何學(xué)來(lái)使得空氣減速。但是，噴氣引擎的不足之處在于它只適用于相對(duì)較低的速度。而在高超音速條件下，也就是相當(dāng)于5倍的音速(即5馬赫的速度)條件下，被減速的空氣溫度太高，無(wú)法用于燃料的燃燒。解決這一問(wèn)題，流行的做法就是使用超音速?zèng)_壓噴射裝置。這種裝置不會(huì)讓空氣減速太多，相反卻可以迅速地將高速流動(dòng)的空氣與燃料相混合從而產(chǎn)生推進(jìn)力。但是，超音速?zèng)_壓噴射裝置也只適用于5馬赫的速度。這意味著，必須要有另外其他的系統(tǒng)來(lái)推動(dòng)飛機(jī)達(dá)到高超音速。
    2、“吸氣式”發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)速度有多快？
    這個(gè)問(wèn)題目前還沒(méi)有明確的答案，因?yàn)橐援?dāng)前的技術(shù)還沒(méi)法實(shí)施太多的實(shí)驗(yàn)。但是研究人員認(rèn)為，在某一特定速度下，空氣的速度不足以與燃料混合而燃燒。這樣也就對(duì)吸氣式引擎的推進(jìn)速度增加了一個(gè)限制，同時(shí)也表明它們需要依賴火箭的動(dòng)力來(lái)取得進(jìn)入軌道前的最后推動(dòng)力。比如，通過(guò)對(duì)超音速?zèng)_壓噴射飛機(jī)的速度限制評(píng)估，它們的速度大約介于12馬赫至20馬赫之間。因此，它們?nèi)匀粵](méi)有達(dá)到25馬赫的速度或者是接近軌道所必須的速度，這也意味著超音速?zèng)_壓噴射飛機(jī)飛行的開(kāi)始和結(jié)束階段都需要火箭系統(tǒng)。
    當(dāng)飛行器升空并且速度達(dá)到聲速的兩倍以后，吸氣增強(qiáng)式火箭將停止工作。此時(shí)，助推力將由吸氣式火箭提供。該火箭將在大約一半航程中吸入氧氣來(lái)燃燒燃料。這樣做的好處是：宇宙飛船不必?cái)y帶像傳統(tǒng)宇宙飛船那么多的氧氣，從而降低發(fā)射成本。當(dāng)宇宙飛船的速度達(dá)到聲速的10倍以后，它將重新變?yōu)橛沙Ｒ?guī)火箭推進(jìn)的系統(tǒng)，直至進(jìn)入預(yù)定軌道。因?yàn)檫@樣做減輕了氧化劑的重量，所以這種宇宙飛船將比目前的宇宙飛船更容易操縱。這意味著，乘坐由吸氣式火箭推進(jìn)的飛行器旅行將變得更加安全�？傆幸惶�，普通人將可以乘坐這樣的飛行器進(jìn)行太空旅行。
    3、“施格林”航天器使用何種發(fā)動(dòng)機(jī)？
    歐洲科學(xué)家目前正在研發(fā)一種可以重復(fù)使用的太空飛機(jī)，這就是著名的“施格林”(Skylon)太空飛機(jī)。這種航天器的太空發(fā)射成本比常規(guī)航天器要低很多，有望在10年內(nèi)正式投入商用。英國(guó)布里斯托爾大學(xué)工程師也參與了研發(fā)工作。“施格林”太空飛機(jī)可以重復(fù)使用，能將超過(guò)12噸的貨物送入軌道，起飛和著陸使用的跑道相同。這種飛機(jī)的成敗取決于“佩刀”(Sabre)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。布里斯托爾大學(xué)參與了“佩刀”火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)。“佩刀”是一種獨(dú)特的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)入地球大氣層后，能像傳統(tǒng)噴氣機(jī)一樣“呼吸”空氣，并在太空轉(zhuǎn)換為火箭動(dòng)力。
    在吸氣模式下，空氣首先全被冷卻并壓縮，然后同氫燃料一起進(jìn)入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。在火箭模式下，氫連同液氧一起燃燒。有科學(xué)家建議“施格林”太空飛機(jī)的引擎使用熱交換器，將進(jìn)來(lái)的空氣從5馬赫速度下的1000攝氏度降至零下100攝氏度�？諝獾臏囟纫坏┙迪聛�(lái)以后，就可以與低溫液態(tài)氫相混合進(jìn)行燃燒。與超音速?zèng)_壓噴射裝置不同的是，“施格林”太空飛機(jī)的設(shè)計(jì)方案就是直接采用吸氣式模式，以5.5馬赫的速度起飛。在26千米的高空，引擎將轉(zhuǎn)換成常規(guī)的火箭動(dòng)力，利用隨機(jī)搭載的氧氣繼續(xù)燃燒燃料推動(dòng)飛機(jī)進(jìn)入太空。
    4、“吸氣式”發(fā)動(dòng)機(jī)已取得何種進(jìn)展？
    目前，最先進(jìn)的超高音速吸氣式引擎體型很小，很適合作為火箭推進(jìn)系統(tǒng)。歷史上，飛行最快、體型最長(zhǎng)的吸氣式模式超高音速飛機(jī)是美國(guó)宇航局的X- 43。X-43超高音速飛機(jī)大約長(zhǎng)為5米，在2004年分別以7馬赫和10馬赫的速度試飛過(guò)兩次，每次大約持續(xù)時(shí)間為10秒鐘。2009年下半年，這一記錄將可能發(fā)生變化。美國(guó)空軍計(jì)劃試飛X-51。采用B-52轟炸機(jī)將其送到15千米高空。預(yù)計(jì)飛行速度將達(dá)6馬赫，持續(xù)時(shí)間大約4到5分鐘。美國(guó)宇航局的技術(shù)專家相信，如果卸掉火箭的液態(tài)氧化劑，就能很地容易降低航天飛機(jī)的發(fā)射重量，因?yàn)檫@樣做可以使航天飛機(jī)重量立刻降到約141萬(wàn)公斤。雖然減重后的航天飛機(jī)仍然很重，但已經(jīng)可以大大降低將航天飛機(jī)發(fā)射至軌道所需的成本了。
    5、哪種發(fā)動(dòng)機(jī)是最佳的選擇？
    也許有許多種方式可以飛抵軌道。如果要挑選其中最佳設(shè)計(jì)方案的話，必須要充分考慮成本、效率和飛機(jī)的可靠性。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)看起來(lái)是一種可能的引擎選擇。當(dāng)然，還有其他更多的選擇。由于超音速?zèng)_壓噴射裝置可以適用于更高的速度，也許可能達(dá)到20馬赫，因此，有科學(xué)家認(rèn)為這應(yīng)該是最有效的選擇。同時(shí)，因?yàn)槌�音速�(zèng)_壓噴射飛機(jī)需要火箭系統(tǒng)來(lái)發(fā)射升空，然而對(duì)于飛機(jī)的輪胎來(lái)說(shuō)，火箭加速太快。因此，超音速?zèng)_壓噴射飛機(jī)可能需要垂直降落或依賴某種軌道系統(tǒng)。
    吸氣式火箭的效率雖高，但還無(wú)法提供飛船起飛所需的助推力。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，目前有兩個(gè)可供考慮的選擇。美國(guó)宇航局可以使用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或吸氣增強(qiáng)式火箭(air-augmented rocket)來(lái)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。吸氣增強(qiáng)式火箭就像一臺(tái)常規(guī)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，只是當(dāng)飛行速度超過(guò)一定值時(shí)，這個(gè)值大約在2馬赫到3馬赫之間，它才能夠使燃料與大氣層中的空氣發(fā)生進(jìn)一步氧化，并且速度可以達(dá)到10馬赫，然后它又重新變?yōu)槌Ｒ?guī)火箭。吸氣增強(qiáng)式火箭安放在火箭的進(jìn)氣管道中，其性能可比常規(guī)火箭高出約15%。