空天飞行前奏

时间:2022-09-24 04:59:12

空天飞机最初设想

1943年,二战期间的德国,轰炸机工程师尤金・桑格尔提出亚轨道飞机的概念,并以桑格尔的名字命名。1905年9月22日,桑格尔出生于奥地利的波希米亚,曾在维也纳技术大学土木工程系就读。学生期间,他听了火箭理论家赫尔曼・奥伯特的一堂课――“通过火箭进入太空和行星”,毅然改变专业方向,从土木工程转向航空,梦想通过火箭进入太空和行星。他加入了德国的业余火箭社团和奥伯特火箭研究中心的宇航协会。

桑格尔的一篇论文《火箭动力飞行》,由于教授们认为太不切合实际、幻想而太奇异,遭到大学拒绝。他将毕业时,提交的是一篇世俗的关于土木工程学翼桁架的论文,才允许毕业。1933年,桑格尔的标题为《火箭飞行工程》的论文,又被拒绝发表。1936年,在奥地利杂志《弗卢格飞行》发表了《火箭飞行工程》。

这篇论文引起了德国的帝国航空部、德国空军部、德国航空管理局的注意。桑格尔收到了一封电报:如果您正在寻找和实现理想,请到帝国空军部报到。桑格尔有一个潜在的方法,完成建设远程轰炸机,攻击美利坚合众国。桑格尔的惊人设想是远程轰炸机从德国起飞,进入亚轨道,越过大西洋,到达美洲大陆,直到地球东部的太平洋降落。

1936年,桑格尔在吕讷堡灌木林地区领导火箭飞机开发团队。他逐渐构思一个火箭动力滑车,将自身具有火箭发动机的轰炸机推出,上升到空间的边缘。

桑格尔与协助设计的女数学家艾琳・布雷特结婚。桑格尔与布雷特一起给希特勒秘密研究“银乌”轰炸机。桑格尔设计了火箭发动机。在空间,飞机使用火箭发动机,将产生的100万千牛的推力。他第一个建议和设计火箭发动机的冷却方式、火箭的燃料循环、火箭发动机喷嘴冷却。

1942年,德国空军部为了有利于集中设计,取消了这个项目与其他更大胆的理论和经过验证的技术。桑格尔被送往柏林的德国滑翔机研究所。在那里,他的重要工作是研究冲压发动机技术,一直到二战结束。战后,他为法国于1949年成立的宇宙航行联合会工作。

桑格尔在法国期间,苏联情报人员试图争取他为苏联服务。斯大林对”银乌”的设计报告十分感兴趣和好奇,派他的儿子瓦西里和科学家格里高利说服他投奔苏联,但没有成功。

1954年,桑格尔返回德国。3年后,他组建了著名的斯图加特喷气推进研究所。1961年~1963年,他埋头设计空天飞机的冲压火箭发动机,并担任顾问,从未离开过绘图板。桑格尔在此期间提出了创新理论:光子动力、星际与星际航天器推进等理论,包括太阳帆。

1964年2月10日,桑格尔死于柏林。他关于“银乌”亚轨道飞机和空天飞机的理论、技术对“X-15”高超声速飞机、“X-20”载人航天轰炸机等产生巨大影响,并最终影响到美国、苏联的航天飞机计划,促进了人类航天的历史进程。

“银乌”是一架可以短距离起飞、长距离奔袭的亚轨道轰炸机,主要目标是轰炸美国、苏联,摧毁军事基地、交通枢纽和军工厂。当重磅炸弹铺天盖地袭击美国时,美国人还不知道炸弹来自于何方。如果给“银乌”装上原子弹,华盛顿立刻夷为一片废墟。桑格尔与布雷特为希特勒描绘了一个理想的轰炸路线图。

“银乌”亚轨道轰炸机开始沿着3千米长的铁轨起飞。一个庞大的火箭动力“滑橇”,将“银乌”以1930千米/小时的极限速度推入空中。一旦升空,“银乌”就启动火箭发动机,并继续攀升冲出卡门线(卡门线:国际航空联合会定义的大气层和太空的界线,其高度为100千米,卡门线外即为太空),到达145千米的太空,以22100千米/小时(约6.1千米/秒)高速巡航。“银乌”应用“乘波”技术,当其逐渐滑翔下降到平流层时,随着空气密度的增加对飞机底部产生升力,最终导致它的“反弹”升高,并再次获得高度。这种“乘波”飞行模式会一次一次地重演,波浪形前进。由于空气阻力和地球引力,每次反弹将较前一次低一些。

科学家不得不佩服德国人的想象力和创造力。战后,科学家通过数学分析、控制设计、计算分析,发现了“银乌”设计上的一个错误。

“银乌”飞机表面的温度,远远高于桑格尔和布雷特的计算。如果根据两位德国科学家的计算方法建造了“银乌”,飞机的结构、工艺就会存在严重的缺陷,出入大气层时就会被摧毁。这个问题可以用隔热层得到解决,但会减少飞机的有效载荷,装载能力已经很小了。

亚轨道飞行是指航天器到达太空中,轨迹相交在大气层,因速度、高度和地球表面的引力,不能形成一圈完整的轨道。例如,一个物体从地球发射,达到海拔100千米以上轨迹,然后落回地球,被认为是一个亚轨道飞行。亚轨道飞行的特征如下:

1 高度:亚轨道飞行的一般定义为:到达高于海拔100千米以上,即卡门线以上的太空。美国军方和美国国家宇航局认为飞行高度超过50英里,即80.47千米,也认为是太空飞行。

2 速度:美国的“太空船”号飞行器进入亚轨道的最高时速是1.1千米/秒,相比于轨道飞行,亚轨道飞行的速度较低,因此不能进行环绕地球的轨道飞行。

3 轨迹:由于亚轨道飞行不能环绕地球轨道飞行一圈以上,因此亚轨道飞行轨迹是一条曲线轨迹而不是整条的圆或椭圆轨迹。

4 飞行时间:亚轨道飞行的垂直高度不太高,如速度1千米/秒,飞行3分20秒。飞行阶段之前和之后的时间能自由变化。例如洲际飞行助推阶段需要3~5分钟,自由落体的中程阶段约25分钟。以洲际弹道导弹例,它再入大气层阶段大约需要2分钟,亚轨道飞行的飞机着陆时间需更长一些时间。

一些航天器和运载火箭是先进行了亚轨道飞行测试,后来才用于真正的太空飞行:有的航天器则是专门为亚轨道飞行设计的;如美国“水星-1”号载人飞船、X-15火箭动力验证机、“太空船”号太空飞机和一些探空火箭等。由于亚轨道太空飞行速度较低,再入大气层时不会产生很高的热量。亚轨道飞行很适合洲际飞行,航天器通过自身的动力到达轨道高度,在运行不到一个完整的轨道周期而离轨。

亚轨道飞行主要用于洲际弹道导弹发射、科学实验、航天器发射、轨道交通、太空旅游等等。由于目前亚轨道飞行相对成本高,可能最初仅限于价值很高的紧迫性的飞行任务,如邮件专递航班、非常重要的商务飞行等,还有军事上的快速反应打击任务等。

1944年初,德国一枚V-2火箭测试发射,达到了189千米的高度,第一次完成了亚轨道太空飞行。1944年9月8日,世界上第一枚V-2弹道导弹由德国成功发射,击中英国伦敦。1944年9月,V-2弹道导弹下降阶段达到4马赫。

1949年2月24日,美国“保险杠-5”火箭从白沙试验场发射,达到海拔399千米高度,速度约为2300米/秒,速度近7马赫。

1987年5月15日,苏联第一枚也是唯一一枚“极地”号飞行器升空。“极地”号为黑色圆柱形,长37米,直径4,1米,重量80吨。“极地”号因惯导故障未能进入轨道,仅到达亚轨道飞行的条件,后来坠毁于太平洋。这是有史以来最重的太空武器,也是发射进入亚轨道飞行的最巨大的物体。

2010年4月22日,美国第一架空天飞机X-37B升空试飞。这是空天飞机的首次轨道飞行任务,它于2010年12月3日返航。

1961年5月5日,美国宇航员搭乘“水星-3”号宇宙飞船完成首次载人亚轨道飞行,1963年7月19日,美国宇航局飞行员约瑟・沃克尔乘坐X-15飞机升空,成为第一位驾驶飞机进入近地空间的飞行员。

2004年6月21日,美国飞行员麦克・麦尔维尔驾驶“太空船-1”号飞机进入亚轨道,这也是全球第一次商业太空飞行。

过去由普通飞机创造的各种飞行速度、高度等世界纪录,亚轨道飞行器可以轻松做到,也许一场创造新航空纪录和新航天纪录的竞赛即将拉开。

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