本文系《科学美国人》杂志约请从事航天技术的专家撰写的一组有关太空推进技术的文章（共6篇），分别介绍了美国太空推进技术的研究现状及其发展前景。本刊先刊发其中的两篇，余文日后陆续刊出

——编者

吸气式发动机

多年来，工程师们梦想制造特超音速即速度大于5马赫（声速的5倍）的航天器。早在40多年前，人们就考虑一种可能性：用一种特殊的吸气式（air-breathing）喷气发动机来推动，使高性能的特超音速航天器“飞”入轨道。近来，技术条件已经成熟，对发展更有效的地球至轨道推进器的呼声在增高，在这样的情况下，科学家已开始认真考虑让这样的系统进入太空的问题。

吸气式发动机有几个胜过火箭的长处。因为前者利用大气中的氧气，需要的推进剂（燃料）较少，这样就可制成重量较轻、体积较小、价格又低的发射飞船产生相同的推力（吸气式发动机所需的推进剂只有火箭的七分之一）。再者，由于吸气式飞船靠的是空气动力而不是火箭推力，因此它们具有较大的机动性，随之就有较大的安全性。飞行中可以紧急停机，让飞船滑翔返回地球。飞行任务还有更大的适应性。

但是用吸气式发动机发射飞船的技术与火箭技术相比还不太成熟。火箭技术在过去40年中已得到不断改进，而特超音速吸气式推进器的年代则刚刚来临。

当然，喷气发动机的工作过程是：压缩大气层中的空气，与燃料混合，点燃混合物，让膨胀产物提供推力，这不是新鲜事物。但是涡轮喷气发动机在商用和军用航空器上所看到的，其速度限于3或4马赫。超过这个限度，压缩空气的涡轮和叶片就会因过热而损坏。

幸好，在这样的高超音速下，不再需要涡轮机，只要把发动机设计得能使空气受到冲压式（ram）的压力就行了。这样的发动机有一个空气进口，它是为飞船快速通过大气层时，用来减缓和压缩空气而特别设计的。由于冲压喷气机（ramjet）只有飞船在高速下才能工作，所以已经把它们结合到与涡轮喷气机同一个发动机支架上去了。如1959年法国Griffon Ⅱ实验飞机的速度纪录是每小时1，640公里。在地对空和空对地导弹中冲压式喷气机也已经与火箭结合起来。不过冲压式喷气机限于约6马赫的速度，超过这个速度，燃烧室过热，燃烧产物（水）就分解了。

为了使超音速燃烧冲压式发动机（scramjet）获得较高的效率，让它在进口处减少对气流的压缩，使得气流的减慢不是那样快。由于气流仍然是超音速的，它的温度并不像冲压式喷气机那样戏剧性地增大。燃料注入超音速气流，在这里混合起来，并且必须在1毫秒（千分之一秒）内燃烧。超音速燃烧冲压式喷气发动机的速度上限尚待测定。不过理论上它高于轨道速度（20至25马赫）。但是在这样的极端速度下，超音速燃烧冲压式喷气机胜过火箭的好处就很少了。由于严重的结构应力，就可能引起技术上的争议。

特超音速吸气式发动机能用各种各样的燃料源工作，包括氢和碳氢化合物。液氢（它是美国太空飞船的动力）被选作太空发射，因为它可以在被燃烧之前冷却发动机和飞船。而碳氢化合物不能达到如此高的效率，它的速度限制在小于约8马赫。

对用超音速燃烧冲压式喷气发动机推动的飞行器来说（它必须设计来捕获大量的空气），发动机和飞船的区别是模糊不清的。即将到来的气流，主要靠飞船的下部被偏转，因而增加了被偏转的空气的压力。这种改变一般都很大，足以形成压力的突跃，称为冲击波。它产生于飞船的端部，然后通过大气来传播。飞船底部和冲击波之间的大部分受压缩空气引向发动机。当气流减慢，燃料在燃烧区燃着时，空气变得更热。最终反应产物膨胀通过喷咀的内部和外部时，就产生了推力。飞船底部的高压还提供了升力。

为了拓宽超音速燃烧冲压式喷气发动机的作用范围，工程师们已设计出既可用冲压模式飞行也可用超音速燃烧冲压模式飞行的飞船。要得到双模式，可以建造不同几何形状的燃烧室，也可以在不同位置的各注入器之间转变燃料的流动。

由于在运行速度低于2或3马赫时，无论是超音速燃烧冲压式喷气机还是冲压喷气机，都不能有效运转，因此需要有第三种类型的推进器（也许是涡轮喷气机或火箭）用于起飞。所谓火箭基联合循环发动机（可以用于太空飞船）是依靠火箭，它整合在超音速燃烧冲压式喷气机内，用来为起飞、亚音速飞行、低音速飞行提供推力。跟随冲压喷气之后，由超音速燃烧冲压式喷气来推进。速度不小于10或12马赫。在这之后，再一次用火箭来补充超音速燃烧冲压式喷气机的推力，速度达到18马赫以上，用火箭自身把飞船推进到轨道，使它能在太空中作机动飞行。美国航空航天局（NASA）目前正在对这样的系统作若干改动的试验。

然而，先要明确认识，要批准超音速燃烧冲压式喷气机还有许多工作要做。精密的计算流体动力学和工程设计方法可能使它发展成一种发射飞船，在这种飞船中，超音速燃烧冲压式发动机就建造在结构之中。此外，还有这样挑战：开发重量轻的耐高温材料；保证快速有效的燃料混合和燃烧；把不需要的热量集结减至最小。

20世纪70年代，NASA的兰来研究中心用超音速模型飞船和风洞来验证基本的超音速燃烧冲压式喷气技术；更多样品发动机的地面测试也已在许多地方完成，其中包括美、英、法、德、俄、日本和澳大利亚等国家；与之相关的研究正在中国、意大利、印度进行。现在科学家做这种发动机的地面实验是用高达15马赫的模拟速度。俄罗斯已在飞行实验中验证一种双模式超音速燃烧冲压式喷气机的冲压喷气运转，其速度达6.4马赫。

虽然至今还没有这样的飞船，但是NASA通过兰来和特拉飞行研究中心的超-X研究计划，现在正在制造X-43A。它是长3.6米的航天器，将在未来3年中验证以7-10马赫速度飞行的超音速燃烧冲压式喷气机。如果进展顺利，这个测试将铺平用超音速燃烧冲压式喷气作为动力的未来应用的道路——可能设计出一架飞船以特超音速飞向太空。

——Charles R. Mcllinton

太空系链

在人类开始离开地球到月球或其他行星上去居住时，也许不必用现代的火箭技术。他们在太空航行和移居时可能依靠很久以前发明的有历史记载的一种古代技术——绳索。

光靠绳索怎么能在太空中推动物体呢？可以考虑两种情况：第一，将一条很粗的多股绳把两颗人造卫星连接起来，就能让其中一颗卫星把另一颗卫星“投掷”到另一条轨道上去。很像猎手用一根绳子投掷石块一样。这样的概念适用于运送有效载荷到月球以至月球之外去。第二，如果绳索是一根导线，有电从它这里流过，这时就会与地球上的磁场相互作用，从而产生推进力。以上两种系链（tether）——动量传递和电动力——的极大优点就是它们的运转非常经济。它们不消耗大量的推进剂，而只靠从一个轨道上的物体直接放出它的少许动量，或者应用由太阳能板供应的电能来工作。

迄今为止，已有17项飞行任务用到系链。大部分飞行任务是成功的，但是公众传闻的则主要是两次失败。1992年，意大利太空公司制造的人造卫星是从离开地球的太空飞船“亚特兰蒂斯号”上，用一条长长的系链的一端把它向上释放出去的。这条系链是有绝缘层的铜线制成的。但因线圈故障，试验只好停止。

4年之后，NASA再度试验。在那次飞行任务中，系链长达20公里，飞船通过地球磁场的运动，在系链中产生3，500伏的电压。飞船上的电子装置和意大利人造卫星提供的到电离层的电导管使安培级电流通过系链。这个实验证明，这样的电动力系链能把飞船的动量转换成以千瓦计的电功率。反之亦然。

令人遗憾的是，绝缘层的裂痕使高功率电弧从系链跳到散开的构架上，然后沿着系链烧了起来。虽然这个故障使计划中的电动力部分流产，但却在无意中触发了动量传送的惊人表演。这时意大利的人造卫星在飞船上面20公里处被拉动，速度比这个较高的轨道速度还大。这样，当系链断裂时，过多的动量使卫星在飞船上面滑翔，距离达到系链长度的7倍，即140公里。

别的工作已取得了更大的成功。1993年，为了给圣地亚哥系链应用公司的J · A · 卡罗尔（J. A. Carroll）提出的建议做试验，将一有效载荷连接在一个很大的人造卫星下面20公里长的系链上。由于有效载荷的速度比在降低了高度的这个轨道上运行的物体的速度慢，就在这时系链切断，就会使载荷降落到事先确定的地面的某一点上。现在系链应用公司正在生产重返大气层的密封仓和系链，以便国际太空站用它来向地球紧急递送物品，包括不能等待下一次飞船前来提取的科学载荷。

1994年，在一个相关的飞行任务中，一个有效载荷悬挂在20公里长的系链的一端，以便看一看这样（像风筝的绳子一样粗）的连接在遭到小殒石或太空碎片碰撞时能支持多久。系链的预期寿命只有12天，因为它很容易被砂粒那样大的颗粒所割断。实际上却只有四天就被割断了。

这个实验说明，系链需用许多分股的绳索做成，使得一个颗粒的碰撞不能把它们全部都割断；一条绳索断了，另外的绳索仍然系住载荷。考虑到这一点，海军研究实验室（NRL）和国家勘探局（NRO）制造了直径2.5毫米中空的系列纤维（一种高强度的聚合物）编织物，用细股线把它们松散地捆扎起来。一条这样的系链，连接着1996年发射的两颗人造卫星，至今在太空轨道上已经保持3年了，仍然没有被割断。

1998年10月，NRL和NRO在接着的实验中测试一种设计完全不同的系链：一条3厘米宽的薄塑料带子，外绕强纤维股绳。系链长6公里，可在太空存留多年。不过塑料带子加重了它的份量。我们的系链无限公司和卡尔松制造公司、弗来明纺织公司联合制造了多股系链，是打开成鱼网状的，重量较轻，而且在太空可留存几十年。

此外，NASA的马歇尔太空飞行中心正在研究电动力系链，它是在无推进剂的太空推进器上用的。系链无限公司正在生产按NASA概念制作的商用系链：一只包裹可以在发射前系在人造卫星或多级火箭的第二三级上。当航天器完成它的使命或者发生故障时，导电的系链就会展开并对着磁场拖曳，使航天器急速下降，直到在大气层上层烧毁。

NASA还在研究用于向上推进器的电动力系链。在这个系统中，太阳能板供应通过系链的电流，再让它通过地球磁场。它的合力可以拖着有效载荷无限地绕着地球运行。这项研究可用来使太空站保持在轨道上运行而不必再加燃料。

将来系链能把人带到多远的地方去呢？我们（还有别的人）已经分析了一个急速转动的系链系统，长几百公里，绕轨道运行，让它递送有效载荷到月球以至更远的地方去。观念是简单的：想一想“人猿泰山”（丛林探险影片中的主人公）从一条蔓藤摆荡到另一条蔓藤上就行了。先是一条低地轨道系链从一枚可再次使用的运载火箭上捡起有效载荷，再把它递送到更远的椭圆形轨道上的另一条系链上去；第二条系链把物体再摆荡到月球，并在那里被轨道上的Lunavator系链所截获。

Lunavator环绕月球翻滚，使其速度正好能在截获物体后翻滚半圈时将物体和缓地放置在月球表面上。与此同时，系链还可以不要推进剂，接受与被递送物体质量相等的一个返回载荷。这样的运输过程可能成为到月球去的公路，频繁的月球旅行从此成了家常便饭。

显然，在这样的系统成为现实之前，必须克服众多技术上的挑战。作为开启太空中的高速公路，其潜力是很大的。也许有朝一日会出现许许多多翻滚系链，运行在众多行星及其卫星周围，它们将带来繁忙的行星际商务。一切都会有的，就从一条绳索开始。

——Robert L. Forward