第2章 科学(2)

“阿波罗”登月成功后，美国匆忙放弃了飞船路线，转而发展更具科幻感的可重复使用天地往返工具——航天飞机。20世纪70年代初，美国空军承诺帮助NASA游说国会通过航天飞机的预算，作为交换，航天飞机将按照美国空军的特定要求设计，空军拥有两架航天飞机的使用权。航天飞机的设计运载能力也从11吨提升至中央情报局期望的29吨，这样就可以满足发射下一代侦察卫星的需要。

1986年，“挑战者”号航天飞机因为一个密封圈失效而凌空爆炸后，美国空军抛弃了使用航天飞机发射军事卫星的幻想，转而投资于可靠性更高、价格更便宜的一次性运载火箭。

从此，大而全的航天飞机几乎成了NASA的一块心病，虽然曾表演过两次维修“哈勃”太空望远镜的出色太空秀，但高昂的发射费用与复杂的技术大大降低了航天飞机的使用率。

航天飞机的优势在于可以部分重复使用，但仅有飞机状的轨道器和固体助推火箭可以重复使用，设计寿命分别为100多次和20次，而固体助推火箭还要从大西洋上打捞，体积最大的外燃料舱则是用了就扔的。载人飞船及其运载火箭虽然不能重复使用，但结构简单可靠，重量较小，发射费用低也是其优势所在。

航天飞机的优势还在于发射和降落时冲击较小，普通人经过训练也可乘坐，不过价格不菲，NASA给每次航天飞机飞行商业发射标价为1.55亿美元。要发射一颗中型商业卫星，用中国的运载火箭只需1500万美元，而用航天飞机则要花费8000万美元。

如果把天地往返系统比作公路运输，那么航天飞机就像是一辆载重卡车，连司机带搭便车的7个人挤在驾驶室中，货舱里却经常空空如也——美国自己的商业卫星就交给更便宜的一次性运载火箭发射了。航天飞机技术不切实际地复杂，也异乎寻常地昂贵，以至于在运输卫星和人员方面没有任何竞争力。而载人飞船则像迷你轿车，连行李箱都做得很小，省油而且便宜，在可靠的公路上开着也很安全。事实证明，航天飞机生不逢时，大规模太空物流的时代远未到来。在受到1986年和2003年两次折翼的打击后，NASA不得不考虑雪藏这台烧钱机器，转而发展载人飞船也就顺理成章了。

未来的飞船什么样？

第四代：“猎户座”飞船

美国政府之所以要进行“太空出租车”的招标，原因在于官方主导研制的“猎户座”飞船进展缓慢，没能尽快填补航天飞机退役后的空缺。

“猎户座”飞船延续了“阿波罗”飞船的外形布局，所以有人称其为“阿波罗”飞船的2.0版。但它的一系列独到之处，使其跻身第四代飞船之列。它由乘员舱、服务舱、飞船结合段和发射逃逸系统四部分组成。乘员舱是圆锥形，服务舱是圆筒形。它与“阿波罗”的共同之处到此为止。“猎户座”太空舱直径约5米，总重量约25吨，是“阿波罗”可居住空间的2.5倍。“猎户座”可乘坐6名宇航员，而“阿波罗”只能容纳3人。“猎户座”的电子系统和各项设备都反映了21世纪的最高水平。仪表采用波音787飞机的数字式系统；控制系统是“手自一体”，在应急情况下可用手控取代自控；废物处理系统采用国际空间站男女通用的卫生设施；舱内使用1个大气压的氮氧混合空气。此外，大型太阳能电池板取代燃料电池；助推火箭燃料使用液态甲烷，可在火星、土卫六等星球上补充，彰显适航能力。

“猎户座”还是美国第一种能够在陆地上降落的飞船。它采用了降落伞与反推火箭相结合的回收系统，使乘员舱能像“神舟”飞船一样在陆地上着陆，不必像美国前三代飞船一样出动舰队打捞。为了取代昂贵且高风险的航天飞机，“猎户座”也得有些相对于航天飞机的“绝活”：例如它的乘员舱能部分重复使用，每一个乘员舱最多可重复使用10次；防热系统比航天飞机的更安全可靠，绝不会发生隔热瓦损坏造成机毁人亡的惨剧；因为飞船在发射时顶部设有逃逸塔系统，一旦在发射时出现故障，可迅速带飞船飞至安全区域。这些措施可使事故概率从航天飞机的1/220降低为1/2000。“猎户座”与NASA过去的载人飞船不同的一个特点是，增加了两个太阳能电池帆板。按照最新计划，重获新生的“猎户座”飞船将在2017年执行首次无人飞行任务，并于2021年实现载人飞行。

“罗斯”，“联盟”号的接班人

航天大国俄罗斯同样也在努力研制新一代载人飞船。新飞船名叫“罗斯”，这是俄国的古名。飞船返回舱的最大直径为4.4米，是“联盟”号飞船直径的两倍多，最多可容纳6人，同时还可在地面和轨道之间往返运输重约半吨的物资。尽管“罗斯”表面上与美国的“猎户座”相似，但是却有明显区别，体现出了俄罗斯特色。新一代飞船的乘员舱可重复使用10次，寿命15年。该乘员舱将采用可重复使用的防热瓦，这不同于传统的烧蚀性绝热系统，这种材料可以在再入地球大气期间分层燃烧。俄罗斯的这种做法与美国相反，美国的“猎户座”防热材料采用“阿波罗”时代的烧蚀性绝热系统，而已退役的航天飞机则采用防热瓦。“罗斯”飞船的造价预计将比美国的“猎户座”便宜三分之二。

与“联盟”号系列飞船一样，“罗斯”飞船可以实现完全自主和手动交会对接，并有足够的推力与空间站、低轨平台和不载人航天器舱对接或脱离，保证安全返回。“罗斯”的乘员舱顶部采用了可移动的空气动力学襟翼，一旦乘员舱到达了可辨识大气的区域，它就可以用来控制乘员舱。“罗斯”的降落与“龙2”飞船相似，它利用着陆发动机的推力实现垂直软着陆，降落伞只在紧急情况下使用。新飞船的着陆精度将会提升到两公里，仅为“联盟”飞船二十公里着陆精度的十分之一。

无论是“罗斯”还是“猎户座”，它们的目的地都不止于近地轨道，它们均具有能把宇航员送到月球并安全返回的实力；至于将宇航员运送到火星、小行星或太阳系的其他天体附近——就看哪个国家肯为这种巡游买单了。

人船合一，意念控制

航天飞机驾驶舱可能是世界上屏幕和按钮密度最高的地方。宇航员不但要熟记这些设备的位置和功能，还要带一本厚厚的使用手册备用。而在微重力环境下，厚重的宇航服又使肢体运动极其不便。如何解决控制界面过于复杂而操控动作不便展开的矛盾？英国艾塞克斯大学的一个研究小组想出一个解决方案——使用大脑-计算机界面（BCI）控制宇宙飞船。

在实验中科学家使用BCI系统模拟飞船操控，发现两个宇航员协同工作时具有较高的工作效率。模拟宇航员的测试者头戴包含66个电极的帽状装置，这是一种非侵入式获得大脑信号的方法，能够读取测试者的脑电图信号。为了放大脑信号，研究小组通过计算机在屏幕上产生特殊的视觉刺激，这将帮助被试者产生大脑信号，进而模拟飞船在太空中的状况。“飞船”在屏幕上是一个较大的圆圈，“太阳”是一个较大的白色球体，当“飞船”逐渐接近“太阳”时，白色球体就会变大。在圆圈周围的一组8个灰色圆点是控制飞船移动的光标，每个圆点代表不同的方向，这些圆点将以绿色或者红色随机点亮。

为了实现飞船沿着特定方向飞行，“宇航员”必须集中精力于这些圆点，识别圆点每次点亮时的颜色。对圆点色彩的专注将使大脑产生较强的脑电波信号。当测试者专注于飞船沿着正确轨道移动时，几台计算机将协同工作读取大脑信号并进行分析，实时呈现飞船的模拟飞行状况。科学家们希望，通过解读控制飞船姿态的特定大脑信号，可以开发出一套飞行操作系统，有朝一日能用在飞船驾驶舱中，取代现在密密麻麻的显示器和按钮。

看样子，《星际迷航》系列影片中船长发出口头指令，船员跑来跑去执行操作命令的忙碌舰桥场景很快就要过时了，毕竟那属于20世纪60年代的想象，新世纪的星舰将可以做到“身未动、心已远”。

【责任编辑：杨枫】