一个多世纪以前,莱特兄弟驾驶他们的飞行器首次升空的那一刻,恐怕怎么也想不到航空旅行会在后来的岁月里变得如此普遍。
如今全球每天大约有十万架次航班起降,机票价格也随着行业的持续发展越来越亲民。
人类在征服天空、把飞行变成稀松平常之事以后,自然而然地把目光投向了下一个前沿——太空。而当工程师们绞尽脑汁设计出各种新型航天器时,总有人会疑惑:既然飞机已经能飞那么高,为什么不干脆让它飞得更高一点,一路飞到太空去呢?
从技术上讲,答案是不行,而且是绝对不行。但要把其中的道理掰开讲清楚,就得稍微复杂一些。
商用喷气客机通常在28,000到35,000英尺的高度巡航,最高可达40,000英尺左右。大多数客机的结构设计并不支持它们飞得更高,当然也有例外,比如已经退役的协和式超音速客机,其巡航高度就能达到60,000英尺。
NASA还曾经设计过一款名为Helios的试验飞机,能爬升到惊人的97,000英尺,不过它由电动机驱动,外形也完全不像一架普通飞机。
而要真正离开地球大气层、进入轨道空域,所需的最低高度大约是62英里,换算过来约为327,360英尺——这个数字几乎是普通客机巡航高度的10倍。换句话说,无论是日常的商用飞机,还是一些专门为高空飞行而生的科学原型机,都没有办法把高度拉到足以进入太空的位置。
那原因究竟在哪里?为什么不能揣着一颗冒险的心,从洛杉矶国际机场登上一架普通航班,就此飞向浩瀚的宇宙?
理由其实有好几个,而且每一条都足以把这个浪漫的想法钉死在图纸上。首先要说的是飞机起飞的基本原理:它主要依靠两种力量来维持飞行,一是机翼切割气流所产生的升力,二是发动机工作时输出的推力。
整架飞机的所有设计,都围绕着升力、重力、推力和阻力这四种力展开,它们之间的微妙平衡,是成功飞行的关键。
可一旦进入太空,这些力中的大部分都会消失。没有空气,就没有升力;重力也被飞行速度所抵消,变成持续的失重状态。让飞机能够正常工作的那些前提条件,到了太空里统统失效,飞机就等于被扔进了一个完全陌生的环境,它的翅膀和控制面根本派不上用场。
紧接着是温度的问题,重返大气层的过程中会产生极为可观的热量,航天飞机专门配备了昂贵的防护隔热层,可以在数千度的高温炙烤下保持结构完整,而普通客机根本没有这种韧性。
即便你有办法把一架客机硬生生送进太空,再入大气层时的高温也会把舱内的乘客烤成焦炭。所以说,别为去太空而买什么经济舱票了,怎么算都不值得。
另一个难以逾越的障碍是空气密度,越接近太空,空气就越稀薄。
而发动机在运行过程中,需要源源不断地吸入大量空气,把空气和燃料在燃烧室里充分混合后点燃,才能释放出巨大的尾喷能量来推动飞机前进。可一旦空气稀薄到某个程度,氧气跟不上,燃料就烧不起来,推力自然也就没了,飞机想继续爬升就成了无米之炊。
在空气稀薄到飞机已经无法维持升力的时候,飞行器会进入一个被业内称为"棺材角"(coffin corner)的危险区域——既无法加速,也无法减速,更无法继续向上爬升。
想从这个尴尬的处境里脱身,唯一的办法就是通过小心翼翼的可控下降,在增速的同时谨慎地降低高度。而且商用飞机的发动机本身,也根本无法产生足以把飞行器推出大气层所需的那种量级的推力。
这就要说到火箭和飞机真正的分水岭了,火箭之所以能一路冲进太空,关键在于它的动力来源完全不依赖大气。
火箭自带氧化剂,发射时燃料与氧化剂被同时送入燃烧室,剧烈反应瞬间生成的高温高压气体以极高速度向后喷出,依靠反作用力把整个飞行器向前推进。整个过程根本不需要吸入外界空气,哪怕是在真空环境中也能照常工作。
速度是另一个决定性因素,火箭依靠多级燃料持续助推,必须让飞行速度突破每秒7.9公里的第一宇宙速度,才能挣脱地球引力的束缚进入轨道。
而普通客机的巡航速度只有每小时八九百公里,连火箭入轨所需速度的零头都够不上。可以这样概括:飞行器想要进入太空,一方面取决于发动机采用什么样的燃烧方式,另一方面取决于它能被加速到多快。
那么有没有一种飞机,既长得像飞机,又能飞到太空?答案是有的,航天飞机就是最典型的例子。
它的外形与客机颇为相似,但内部装的却是和火箭如出一辙的推进系统。起飞时,两侧的固体助推器先出力,中段那个巨大的铁锈色外储箱会继续为主发动机输送燃料,推着机身向上攀升,一直到接近预定轨道后才与飞机本体分离,完成自己的助推任务。
除了航天飞机这种成熟的方案,还有一些新颖的概念正在被工程师们一点点变成现实。比如一种通过火箭发射、入轨后自动膨胀的充气式栖息舱,充气完成后能达到三层楼高、直径27英尺的规模。
虽然距离正式投入使用还需要一段时日,但其规划相当宏伟:三层生活和工作区域可以容纳4到12人,具备调节气压、湿度、温度和氧气水平的生命保障系统,多层防护罩可以抵御太空中的恶劣环境,甚至还有可以种植新鲜植物的"太空花园"。
他们已经建造出了地面原型机,也许用不了多久,"居家办公"就会扩展成"太空办公"。
当技术允许把乘客送入太空以后,紧接着又出现了一个问题:登上太空飞行器之后,到底该去哪里,目的地又是什么?也许只是"太空"本身,但何必止步于此?
既然把飞机都搬进了太空,为什么不把地面飞行的其他元素也一并带上去,比如机场本身——包括各种商店、餐厅以及奢华的贵宾厅?这方面也有人在做,那就是"轨道礁"(Orbital Reef)项目。
它目前还停留在构想阶段,设想是一座位于近地轨道的太空混合用途商业园区,也将是首个由商业公司拥有和运营的空间站,以商业、研究和太空旅游为核心定位。
轨道礁承诺纳入充气式栖息舱和追梦者太空飞机,并提供从商业办公到物理、生物、地球科学研究实验室、产品开发直至纯粹太空旅游等多种用途与体验。
所以,归根结底,为什么客机即便一直往上飞也到不了太空、而火箭却可以?核心就在于两者的动力逻辑截然不同:客机起飞后15到20分钟就能爬升到万米高空,但它依赖机翼升力和吸气式发动机,一旦空气稀薄到一定程度,升力和推力就同时失效。
而火箭自带燃料和氧化剂,不需要外界供氧,再借助多级助推把速度拉到第一宇宙速度以上,才有可能摆脱引力束缚进入轨道。
你无法通过商用喷气机实现太空梦,大多数人目前也很难抢到稀缺的太空飞行座位,但随着飞行器形态和推进技术的持续改进,普通人用一张商务舱的价钱奔赴星辰的那一天,或许并不像想象中那样遥不可及。
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