一台與機身分離的噴射發動機，連接著一個巨大的通風口，靜靜地佇立在英國牛津郡卡勒姆科學中心的戶外測試設施中。當引擎轟鳴啟動時，蒸汽柱從通風口噴湧而出，宛如一座工業煙囪。工程師艾倫邦德卻看到了更具未來感的景象。 「我們正在見證一場交通運輸的革命，」他說。在邦德看來，這台引擎標誌著世界上第一艘完全可重複使用的太空船的誕生，這種新型飛行器有望實現前所未有的壯舉：提供可靠、經濟且定期往返近地軌道的交通服務。
邦德和他在Reaction Engines公司（他與兩位同事於1989年共同創立的航空航太公司）的工程師們將這款未來飛行器稱為「天龍」（Skylon）。飛行器的機身外型酷似協和式飛機，起飛方式與傳統客機類似，加速至5.2馬赫後，像火箭一樣衝出大氣層。返程時，「天龍」將降落在它起飛的同一條跑道上。
邦德公司的協同吸氣式火箭發動機（Sabre）——一種結合了化學火箭和噴氣發動機特性的發動機——將使Skylon火箭成為可能。 Sabre引擎的獨特之處在於它可以直接利用空氣中的氧氣，而無需像太空梭那樣依賴外部液態氧罐。這種引擎如果安裝在太空船上，將無需使用一次性助推器，從而大大降低載人和貨物的太空發射速度和成本。 「Skylon火箭著陸後兩天內即可再次升空，」反應發動機公司未來項目主管馬克·亨普塞爾表示。相較之下，太空梭需要外部燃料箱和兩個火箭助推器，由於發射和濺落後會受到損傷，其飛行任務耗時約兩個月，成本高達1億美元。亨普塞爾指出Skylon火箭結構簡單，估計單次任務的成本可能低至1,000萬美元。這個價格甚至低於私人航太公司SpaceX計畫使用其兩級獵鷹9號火箭發射貨物的5,000萬美元費用。
引擎在向太空推進的過程中會產生極高的熱量，而熱量是一個棘手的問題。高溫空氣難以壓縮，燃燒室壓縮不足會導致引擎動力不足、效率低。 「佩刀」引擎必須能夠在空氣進入渦輪壓縮機之前迅速冷卻它。去年11月，反應引擎公司取得了關鍵里程碑式的成就：他們成功測試了原型機吸入高溫空氣並迅速冷卻的能力，且未產生足以終止任務的霜凍。英國大學與科學大臣戴維·威利茨稱這項成就「意義非凡」。
Skylon概念也給歐洲太空總署（ESA）留下了深刻印象。 ESA去年對Reaction Engines的設計進行了審核，並未發現建造該飛行器有任何技術障礙。更大的挑戰或許在於資金籌措。儘管ESA和英國政府已為該項目共投資9,200萬美元，但邦德及其團隊計劃向公共和私人投資者尋求剩餘的36億美元資金，以完成引擎的研發。他們表示，該引擎預計在未來四年內進行飛行測試。而建造飛行器本身則需要更龐大的投資：140億美元。
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單級入軌太空船（SSTO）的研發一直是困擾航空工程師數十年的難題。邦德對這一主題的探索始於上世紀80年代初，當時他還是勞斯萊斯公司的一名年輕工程師，參與一個為英國宇航公司開發可重複使用航天器的團隊。正是在那時，他提出了混合動力引擎的想法。但團隊苦苦思索如何在超音速飛行時冷卻發動機，同時又不增加過多的重量。 「當飛機達到2馬赫左右的速度時，空氣會變得非常熱，而且極難壓縮，」邦德說。勞斯萊斯公司和英國政府懷疑是否有簡單經濟的解決方案，最終取消了該計畫的資金。
同時，美國國家航空暨太空總署（NASA）和洛克希德·馬丁公司也制定了自己的完全可重複使用太空船計畫——「冒險之星」（VentureStar），旨在以經濟實惠的方式取代部分可重複使用的太空梭。 「冒險之星」的驗證機名為X-33（曾於1996年登上本雜誌封面），它是一個矮胖的三角形火箭，可以像太空梭一樣垂直升空並滑翔返回地球。理論上，省去將太空梭送入太空所需的一次性火箭可以將發射成本從每磅1萬美元降低到每磅1000美元。但到了2001年，在投入超過10億美元後，NASA以技術上的反覆挫折和成本飆升為由終止了這個計畫。 「我們放棄是因為我們認為應該將精力集中在其他成本更低的有效載荷入軌方式上，」NASA探索系統開發副局長丹·鄧巴赫（Dan Dumbacher）說道，他曾參與X-33項目兩年。
隨著太空梭退役，以及SpaceX等公司與國際太空站（ISS）簽訂補給合同，NASA加大了對一次性運載火箭的投入，將其作為將人類和探測器送入地球軌道以外更遠太空的手段。 NASA用於深空探索的新平台——太空發射系統（SLS）——將是有史以來建造的最強大的火箭。 NASA專注於太空探索，並且需要大型火箭來實現這一目標，這意味著NASA不再需要建造自己的平台來將貨物送入軌道。 “從純粹的技術角度來看，我們都很想進行單級入軌飛行（SSTO），”鄧巴赫說，“但我們專注於確保將人類送入更遠的太空，而這是一項耗資巨大的工程。”
對於近地軌道以外的任務而言，一次性火箭是理想之選。與單級火箭相比，它們可以攜帶更多貨物和燃料。火箭還具有可靠性——平均而言，每20次發射中只有1次失敗，部分原因是它們不會因重複使用而產生磨損。最後，火箭的研發成本更低，因為許多相關技術自20世紀60年代以來就已經存在。
但對於前往國際太空站的常規任務，或將小型觀測衛星送入軌道而言，成本控制就成了至關重要的考量。 SpaceX 執行長馬斯克在 2011 年於美國國家新聞俱樂部向聽眾表示，私人太空飛行需要遵循更接近航空公司的模式。 「如果飛機不能重複使用，很少人會選擇飛行，」他說。 SpaceX 計畫使火箭級可重複使用，但這也存在一些弊端：雖然回收火箭級是可行的，但要設計出能夠經受住重返大氣層考驗並保持良好工作狀態的各個部件，會增加複雜性和成本。
不到四小時即可飛抵世界任何地方。
亨普塞爾表示，Skylon每年潛在飛行次數可達100次——如果屬實，那麼它在第一年就能收回研發和建造費用，僅需支付燃料、維護和管理費用等開支。邦德的引擎技術除了確保運載火箭從頭到尾保持完好無損外，還提供了另一個優點：超音速飛行。 「它可以讓飛機在不到四個小時內飛抵世界任何地方，」邦德說。
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當空氣以五倍音速撞擊引擎時，溫度可高達華氏2000度。如何在空氣到達渦輪壓縮機和推力室之前瞬間散去這些熱量，是反應引擎公司工程師面臨的最艱鉅的技術挑戰。邦德的解決方案是一種熱交換器，其工作原理是讓低溫液態氦流經一系列壁薄如紙的金屬管。當滾燙的空氣流經交換器時，冷卻後的管道會吸收熱量，在極短的時間內將空氣冷卻至華氏零下238度。邦德表示，他的交換器可以處理約400兆瓦的熱量（相當於一座中型天然氣發電廠的發電量）。 “如果把它安裝在發電站裡，它可能是一個重達200噸的熱交換器，”他說，“而我們製造的這個只有大約1.4噸。”
對火箭科學家來說，重量至關重要。 「每將一磅重量的物體送入軌道，就需要大約10磅左右的燃料，」NASA的鄧巴赫說。 「單級入軌飛行器（SSTO）的挑戰始終在於如何盡可能減輕飛行器的重量，同時產生盡可能大的推力。」邦德估計，天龍號火箭起飛時的重量約為358噸，並攜帶足夠的氫燃料，可以將自身和約16.5噸的有效載荷（與大多數現役火箭的運載能力大致相同）送入軌道。
如果引擎順利通過飛行測試，Reaction Engines公司的計畫之一是將這項技術授權給航空航太產業的潛在合作夥伴。邦德希望熱交換器的最新成功能激發人們的興趣。經過30年的研究，這無疑令他倍感振奮。 “這代表著推進技術的一項根本性突破，”他說，“這是我一生中最引以為豪的時刻。”
本文原刊於 2013 年 9 月的《大眾科學》雜誌。
