「混血兒」空天飛機
雖然世界上唯一投入使用的美國太空梭已於2011年7月全部退役，但許多人希望，隨著技術的發展，在研究出提高太空梭可靠性和降低成本的方法後，它能夠復活。人們甚至還夢想能研製出能像普通飛機一樣完全重複使用且可以水平起降的空天飛機。因為太空梭是垂直發射、水平降落的，所以升空時很麻煩，並且風險很大，美國挑戰者號和哥倫比亞號太空梭都是因發射時出現故障而失事的。
近日，英國正在研製的航空太空梭——空天飛機「雲霄塔」實現了重大突破，成功測試了「雲霄塔」空天飛機的發動機，此後還將進行更多試驗以確保其完美無瑕。「雲霄塔」在大氣層內飛行時，其上的發動機能將氫與空氣混合燃燒；出了大氣層以後，可將氫與液氧混合燃燒。所以，「雲霄塔」被認為是實現人類太空旅行夢想的太空飛行器。那麼，什麼是空天飛機呢？研製空天飛機有哪些難關？
看起來很美
早在美國太空梭投入使用不久的20世紀80年代，航天專家就開始構思空天飛機的方案了。空天飛機是航空飛機和太空梭的「混血兒」，因為它同時裝有航空發動機和火箭發動機，所以在大氣層內飛行時可像普通飛機一樣在跑道上起飛，用航空發動機提供動力，按航空飛機方式飛行和操縱；在大氣層外飛行時則由火箭發動機提供動力，按太空飛行器方式飛行和操縱。
這樣做的好處是，它在大氣層內飛行時可用空氣中的氧做氧化劑，因而能大大減少整個飛機的氧化劑裝載量，使飛機的質量和體積大大減少，由此降低成本。此外，由於它可像普通飛機一樣完全重複使用，且能水平起飛，這樣就省去垂直發射所需的複雜設備。
由於這一設想看起來很美，似乎可以像航空飛機那樣自由出入太空，想航空就航空，想航天就航天，所以曾在20世紀80年代紅極一時，有不少國家提出了多種空天飛機的方案，其中最有名的當屬英國的「霍托爾」、美國的「東方快車」和德國的「桑格爾」空天飛機方案了。
不過，因為空天飛機的技術十分複雜，以至於各種方案都沒有實質性成果，所以又都紛紛下馬了，只有「雲霄塔」方案在悄然進行。
「雲霄塔」是從「霍托爾」方案演變過來的，所以先了解一下「霍托爾」對認識「雲霄塔」的前世今生是有益的。
溫故而知新
英國的空天飛機方案叫「霍托爾」，採用單級入軌，即外形和普通飛機基本一樣，可完全重複使用。它採用4台吸氣式噴氣發動機和液氫-液氧火箭發動機的組合動力裝置。起飛時吸氣式噴氣發動機首先啟動，速度達到5倍音速、高度為26公里時停止工作，這時火箭發動機啟動，直至進入200公里高的近地軌道。
「霍托爾」空天飛機的概念是1982年10月英國宇航公司提出的，主要原因是國際上日益增長的衛星市場和尋求降低發射成本、提高競爭力的途徑；同時，也是受美國太空梭的感染；另外，在未來的地球旅行方面，還需要極大地提高速度。英法聯合研製的協和式超音速客機油耗大、噪聲大，但速度只有2倍音速。而「霍托爾」從倫敦飛到雪梨只需45分鐘，所以能為未來的高超音速民航機提供必要的技術儲備。
1984年8月，英國宇航公司又提出了「霍托爾」的方案；同年9月，在世界航展上正式展出「霍托爾」模型，在當時引起了國際宇航界的很大興趣。1987年，「霍托爾」的概念研究和論證工作大致結束。
「霍托爾」的起飛方式不同於美國太空梭，也不同於普通飛機。它採用火箭發射車輔助，採用這種起飛方式可降低起飛重量達70噸。「霍托爾」的起飛重量為196噸，著陸重量為34噸，起飛速度為540公里/小時，有效載荷為7～11噸，起飛距離為2300米，載荷規格為7.5米×4.6米；著陸速度為315公里/小時，著陸距離為1800米，軌道飛行時間為50小時。
發動機是「霍托爾」最關鍵的技術，原定採用羅•羅公司設計的RB545吸氣式氫氧發動機,它是高度先進的單一機體式發動機，總重2.5噸，兼有噴氣發動機和火箭發動機的功能和優點,有兩種工作狀態：空氣噴氣發動機工作狀態和液氫液氧發動機工作狀態。在吸氣方式下，其推力為34.7噸，在純火箭方式下，其推力為75噸。
RB545發動機的獨特之處是它在大氣層飛行時，依靠吸入空氣中的氧工作，因此可以大大降低液氧的攜帶量，進而降低了空天飛機的起飛重量。但經過幾年的詳細研究，英國宇航公司和羅•羅公司都感到無論從經費上還是從技術上，都無力獨立承擔「霍托爾」的研製開發工作。加之國際形勢的變化和世界航天發展方向的改變，最終於1988年決定放棄「霍托爾」計劃。
不過在1991年10月的第42屆國際宇航聯合會會議上，英國宇航公司又報告了英國與蘇聯合作研究的新「霍托爾」空天飛機方案的設想。新「霍托爾」方案採用2級發射方式，即用蘇聯安-225大型運輸機作為第1級把「霍托爾」馱運到高空，然後分離，「霍托爾」靠自身安裝的俄羅斯氫氧火箭發動機進入太空。其結構形式簡單得多，也可行得多，技術風險少。但該方案後來也杳無音信。
美國也不行
美國空天飛機的方案與英國的類似，最大特點是以超音速燃燒衝壓發動機為主發動機，是航空、航天兩用運輸系統。20世紀60年代中期，美國馬夸特飛機公司和美國航空航天局蘭利研究中心曾同時開展了超音速燃燒衝壓發動機的試驗研製工作。
1981年起，美國國防部高級研究計劃局、空軍、星球大戰計劃組織、航空航天局和海軍先後投資研究超音速燃燒衝壓發動機。這樣，空天飛機計劃變成了由5家單位聯合的計劃，並很快得到了時任國防部長溫伯格的批准。
1986年2月4日，里根總統向美國國會發表國情咨文，此時正是挑戰者號太空梭悲慘事故發生的一周之後。里根總統強調，他繼續支持美國的載人航天計劃，包括太空梭計劃和已經提出的永久性載人空間站計劃。同時，他還批准了國家空天飛機計劃（俗稱新的東方快車計劃）。里根說：「我們計劃研究新的『東方快車』，它能從杜勒斯機場起飛，加速到25倍音速後進入地球軌道，或在2小時內飛抵東京。」里根的講話標誌著美國官方的空天飛機計劃正式開始。
根據美國國防部和航空航天局提出的定義，東方快車計劃是一項發展重複使用的吸氣式高超音速跨大氣層飛行器技術的計劃，該計劃是要通過技術發展和技術演示，為研製高超音速飛行器提供基礎。
這種飛行器原定有3大用途：高性能軍用飛機，高速民航飛機，空間運輸系統。東方快車計劃的第一期目標是研製兩架X-30試驗型飛機，它能夠在跑道上水平起飛，加速到入軌速度，然後返回大氣層並水平著陸。但主管東方快車計劃的人一再強調，X-30隻是一架研製機，而不是未來空天飛機的原型機。
1986年4月，美國國防部和航空航天局分別與5家公司簽訂了X-30的預先設計合同，同時與2家公司簽訂了發動機和發動機一體化初步設計合同。1987年7～8月，東方快車計劃管理辦公室對發動機概念進行了評審。1987年8～10月，又對機體設計進行了評審，並選擇了3個公司進一步從事機體發展。
美國國會和政府原計劃在1990年底做出決定是否研製X-30全尺寸試驗機。但由於技術、經費和政治等方面的原因，決策時間一推再推，直到1993年夏，美國決定放棄X-30試驗機計劃，並將東方快車計劃調整。後來，東方快車計劃也「流產」。
德國兩級式
德國空天飛機的方案叫桑格爾號，採用2級入軌方式。它的第1級是一架大型超音速航空飛機；第2級是軌道器，類似於美國太空梭軌道器，但要自帶液氫-液氧。桑格爾號可在普通機場起飛，第1級飛機上面馱著第2級進入空中，當速度達到2200米/秒、高度為37公里時，第1級和第2級分離，第2級在火箭發動機推動下入軌。
從某種意義上說，德國是太空梭的故鄉，早在1943年德國工程師歐根•桑格爾就提出過以火箭推進的環球轟炸機的設想。1967年，根據桑格爾的建議，德國（當時叫西德）MBB公司和容克斯飛機公司開始研究2級空間運輸系統。
1985年，德國為謀求在歐洲空間運載技術方面的領先地位，經過近一年的研究論證，提出了一種比英國霍托爾號冒險性小的空天飛機方案，以作為歐洲當時研製的赫爾墨斯號太空梭（後來中途下馬了）的後繼型。為了紀念太空梭的先驅者歐根•桑格爾，德國把這一方案定名為桑格爾號空天飛機。1986年6月，德國向歐洲航天局提交了該方案，希望作為與英國霍托爾號方案競爭的另一個可供選擇的方案。
桑格爾號空天飛機是一種以渦輪衝壓發動機和火箭發動機為動力的水平起降的2級方案。第1級馱運飛機的動力裝置是吸氣式衝壓發動機；第2級小型有翼軌道器以火箭發動機為動力，起飛時，軌道器置於馱運飛機背部。馱運飛機的大小與波音747相當，裝有4～6台渦輪衝壓發動機，每台推力為40.8噸，可使用100次；第2級軌道器重約50噸，其中35噸為推進劑，呈三角翼布局，發動機採用液氫液氧發動機，置於軌道器尾部，推力約30.6～51噸。
德國之所以提出桑格爾號方案，是因為他們懷疑霍托爾號的可行性，認為它需要很長的研製周期，特別是霍托爾號方案所採用的發動機將成為最大障礙。
桑格爾號空天飛機的飛行過程是：馱運飛機把軌道器推進到30公里高，速度達到6倍音速後，兩者分離。馱運飛機返回地面著陸。軌道器在自身的液氫液氧發動機推進下，繼續爬升，直到進入402公里的近地軌道。在完成軌道飛行任務後，桑格爾號軌道器像美國太空梭軌道器那樣再入大氣層並水平著陸。按設想，桑格爾號太空梭返場休整時間只需幾天。
雖然桑格爾號的發射能力和空間適應能力都比較小，但它的技術風險不大，發展成本較低，地面適應能力高，而且更誘人的是它有改裝成高超音速客機的潛力。據稱，桑格爾號的馱運飛機很容易改裝成載客400名以上的高超音速洲際旅客機。德國方面還宣稱，桑格爾號每年可進行6次載人飛行，每次費用為1500～2000萬美元。
德國曾計劃在2006年進行桑格爾號全尺寸機首次飛行，但後來由於歐洲載人航天戰略和統一後的德國對宇航投資的態度發生了很大變化，桑格爾號也中止研製了。
總之，從目前來看，空天飛機技術太複雜，即使是相對簡單的2級空天飛機技術也很難在現階段攻克，所以又紛紛下馬。於是，這些方案都被束之高閣。但這些探索是很有意義的，為今後的發展奠定了基礎。
東山似再起
英國一直不甘心放棄「霍托爾」空天飛機的研製，曾參與「霍托爾」研製的三名工程師於1989年成立了英國反應發動機公司，低調實施名為「雲霄塔」的空天飛機計劃。「雲霄塔」是根據「霍托爾」水平起降概念設計而成，繼承並應用了「霍托爾」項目已取得的成果，但是在整體結構、機體以及發動機等方面進行了大量的技術創新，並於1995年完成了初步方案設計工作。
「雲霄塔」比美國太空梭大許多。它長90米、翼展25.4米，理論起飛質量約345噸，是一種採用混合動力、可重複使用、水平起降的單級入軌運載器。
其氣動外殼採用被動輻射冷卻技術，機身蒙皮採用簡單的波紋板衝壓技術，隔熱系統由多箔片隔熱氈、空氣隙和貯箱泡沫隔熱材料組成，機身採用復合材料桁架結構和懸掛非承力式燃料箱，發動機採用「佩刀」噴氣/火箭混合發動機。在飛行最初階段，它像噴氣機一樣，從大氣中吸入氧氣與液氫混合燃燒；當飛到26公里高時，速度達5倍音速。此後，發動機以火箭模式工作，消耗自身攜帶的氫氣和氧氣，進入太空。在重返大氣層時，「雲霄塔」通過一層層的反射箔將熱量釋放出去。
「雲霄塔」是世界上首個採用混合動力發動機的天地運輸器，這種混合發動機在技術上已取得新的突破。其另一創新是採用半硬殼式結構，主要承力結構採用碳纖維增強塑料復合材料製成的桁架結構。它還採用了全新的冷卻技術，所以能夠在吸氣飛行階段提高發動機的效率。「雲霄塔」採用的排氣噴嘴，可增大發動機功率，使運載能力增加10%。
「雲霄塔」按照「先載貨後載人」的原則發展，最初用途是發射人造衛星，但隨著技術的成熟，它經過較小幅度的改進後可以搭載大約30名乘客，屆時一個乘客艙將被安裝於「雲霄塔」的貨艙內，為「國際空間站」接送航天員和物資。目前預計「雲霄塔」的成本超過60億英鎊。與空客A380客機的研發費用相比，「雲霄塔」的費用並不高。據悉，由於「雲霄塔」能重複使用，其每次飛行的費用約630萬英鎊（合945萬美元），而目前運載火箭每次發射費用為5000萬美元左右，太空梭每次發射費用為4～5億美元。
「雲霄塔」未來的目標是將近地軌道運載能力提高到16.5噸。它在降落後兩天內可以實現再次起飛，每架「雲霄塔」可以完成大約200次飛行任務。其發射成本低的成本優勢將使未來的太空旅行更經濟、更便捷。它有望到2016年時開始亞軌道試飛，到2018年實現軌道試飛，到2020年能夠實現商業運營。
據稱，「雲霄塔」不僅能取代太空梭，而且有望將太空旅行提升到新高度。「雲霄塔」可在地面以上29公里高度飛行，速度是5倍音速，4個小時內可抵達世界任何角落。
重大新突破
據美國拋物線網站2012年11月28日報道，英國反應發動機公司11月28日公布了自發明噴氣發動機以來航空航天推進技術領域最大的突破，「佩刀」噴氣/火箭混合發動機完成了重要技術的關鍵試驗。該發動機將能使飛機在4小時內到達地球的另一端，或直接飛入軌道並單級返回，能在跑道上起飛和著陸。
「佩刀」噴氣/火箭混合發動機採用噴了氣式渦輪和火箭技術。其創新的預冷器技術能在百分之一秒（比眨眼速度還快6倍）內將氣流從1000攝氏度冷卻到零下150攝氏度，但不會造成霜凍堵塞。近期的試驗驗證了製冷技術在零下150攝氏度的關鍵性低溫下的免冷凍情況。
歐洲航天局評價了「佩刀」的預冷器熱交換機，並對試驗結果給出了官方確認：預冷器試驗目標已全部完成，歐洲航天局對此表示滿意，試驗驗證了「佩刀」發動機發展所需的技術。
反應發動機公司在完成100多次試驗後，已經在其牛津郡的設施廠，將名為飛行重量（flight-weight）的開創性製冷技術和冷凍控制系統與噴氣發動機和創新的氦冷卻迴路集成在一起，從而驗證了「佩刀」發動機的新技術，推動了高度創新和有效的熱動力循環。
除此之外，反應發動機公司還進行了其他「佩刀」技術演示驗證，包括對轉渦輪、燃燒室、火箭噴嘴、吸氣口等，這標誌著向研製「雲霄塔」空天飛機又邁近了一步。這些成功的試驗是推進技術領域的一次基礎性突破。該公司的輕質熱交換機將推動對航空發動機的基礎熱動力循環進行根本性的重新考慮。這種新的循環方式將形成完全不同的運行特徵，如高速巡航、低成本、可重複使用的太空進入。
研製吸氣式火箭發動機最大的困難，在於輕質高性能的熱交換機。隨著反應發動機公司這項驗證試驗的成功，「佩刀」發動機項目可以順利進入下一階段研發工作。
從20世紀80年代以來，單級入軌重複使用運載器一直是運載器研製的發展方向和追求目標。當年，「霍托爾」項目是由英國政府投資的，後因英國政府拒絕投資而被迫下馬。「雲霄塔」採用官方、民間投資者和研究機構三方合作的模式，這樣可以發揮官方的資源優勢、民間投資者的資金優勢和研究機構的技術優勢，具有投資靈活性強、對項目進度要求嚴格等特點。
不過，由於空天飛機技術太複雜，因此在當代科技水平的條件下，「雲霄塔」是否能研製出來還很難說。但這種探索是很有意義的，即使不成功也可為今後的發展奠定基礎。最後，還是希望空天飛機美夢成真。