未来的“空天飞机”
航空和航天是两个不同的技术领域，但随着科学技术的进步，科学家们正在逐步把航空和航天飞行器朝着有机地结合成一体的方向推进。近年来，世界上出现了一种将航空航天技术结合在一起的飞行器方案，这就是空天飞机。
1986年2月4日，也就是“挑战者”号航天飞机失事一个星期后，美国宣布研制航空航天飞机“东方快车”，以逐步取代航天飞机。顾名思义，空天飞机是一种集飞机、运载器、航天器等多重功能于一身，既能航空又能航天的新型飞行器，其奥妙之处在于它的动力装置。这种动力装置既不同于飞机发动机，也不同于火箭发动机，这是一种混合配置的动力装置。空天飞机安装有涡轮喷气发动机、冲压发动机和火箭发动机。涡轮喷气发动机可以使空天飞机水平起飞，当速度超过每小时2400公里时，就使用冲压发动机，使空天飞机在离地面6万米的大气层内以每小时3万公里的速度飞行；如果再用火箭发动机加速，空天飞机就会冲出大气层，像航天飞机一样，直接进入轨道。返回大气层后，它又能像普通飞机一样在机场着陆。
空天飞机作为一种高超音速运输机，具有推进效率高、耗油低、载重量大、飞行时间短等优点，是实现全球范围空运的一种经济而有效的工具。例如美国正在开发的新型空天飞机，在有人驾驶时，它能在普通机场水平起飞，然后在大气层内飞行。按照此时的飞行速度，从美国纽约飞往日本东京只需2小时；它还可以在地球大气层外的轨道飞行，此时的飞行速度为25倍音速，仅需90分钟就能绕地球一周。除了用作常规的民航机外，这种空天飞机还可代替现有的航天飞机进行太空飞行。其起飞重量不到第一代航天飞机总重的1/5，也就是约500吨，而运载能力则提高了两倍多，可达60吨以上，这样就可大幅度降低航天运输费用。另外，空天飞机还具有重要的军事价值，可作为战略轰炸机、战略侦察机和远程截击机使用，这对进一步发挥战略空军的作用具有重要意义。
据估计，在未来航天时代，为了开发和利用太空资源，世界各国向太空运送人员、物资和器材的任务每年将达到数千次之多，空天飞机一旦投入使用后将立即显现出其优势。
目前，航天飞机运送每公斤有效载荷进入地球轨道的费用达11607美元，而空天飞机的预计运输费用至少可降到目前航天飞机的1/10，甚至可降到1％。另外，空天飞机的发射费用也要比航天飞机低很多，这主要是因为它不需要专门的发射场，而且可以重复使用。预计第一代空天飞机可以重复使用200～500次，而且完成一次飞行任务后，经一周的维护就能再次起飞，能适应频繁发射的需要。
空天飞机可能成为21世纪最先进、最经济、最有效的航天运载工具，它将代表着今后数十年内航天运载技术的发展方向。相信在不久的将来，人类就可以方便快捷地进入太空，到那个时候，“登天”就不再是难事了。
目前设想的空天飞机有单级型和两级型这两类。单级型以英国的“霍托尔”为代表。它长162米，水平起落，发射费用为航天飞机的1/5。两级型空天飞机以德国研制的“桑格尔”为代表，它由驮运飞机和轨道器组成。发射时，驮运飞机飞30公里以后，轨道器上的火箭点火，速度加到更大。
太空之帆
1969年7月，当3名美国宇航员乘坐阿波罗11号宇宙飞船实现具有历史意义的登月之旅时，20多米高的运载火箭共携带了2500吨燃料。为了摆脱庞大的运载工具，长期以来，人们一直设想开发一种以阳光为能源的航天器——“太阳帆”飞船。
著名天文学家开普勒在400多年前就曾设想不需要携带任何能源，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙飞船驰骋太空。20世纪初，几位科学幻想小说家曾写过有关用反射镜面推动宇宙飞船的故事。但太阳帆飞船这一概念到20世纪20年代才明晰起来。1924年，俄国航天事业的先驱齐奥尔科夫斯基和同事灿德尔明确提出了利用太阳帆进行星际航行的设想。此后，许多科学家作了长期探索，直到70年代后期，美国和前苏联才开始提出太空帆设计方案，开始考虑用光能推动航天器。
我们知道，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力。因为在太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，所以只要加少许力的作用，就会改变航天器的运行方向和速度。太阳帆接受光压的作用，不仅可以在需要时改变航天器的运行轨道，而且将以每秒约1毫米的速度加速移动。如果把它当作真正的宇宙飞行器使用，那么它在展开光帆1天后，按理论计算，它的时速将提高到160公里，100天后飞船的时速将达到16000公里，如果它能持续飞行3年，速度会被提升到每小时24万公里，这可是人类任何飞行器都没有达到过的速度，要比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍！如果用它来探测冥王星的话，可以在不到5年的时间里到达，而最快的传统飞船至少需要9年。
1976年，美国喷气推进实验室的科学家提出建造一艘太阳帆飞船，与1986年返回太阳系的哈雷彗星相会。但美国宇航局认为这一方案面临的风险太大，并没有同意这个建议。1999年和2001年，俄罗斯也曾两次发射太阳能飞行器，但均以失败告终。
但科学家们对太阳帆宇宙飞行器的研究并未终止。2005年6月22日，备受瞩目的全球第一个太阳帆宇宙飞行器——“宇宙一号”要进行一次全新的尝试了。当日凌晨4时46分，“宇宙一号”从位于巴伦支海的俄罗斯核潜艇上顺利升空，踏上了遨游太空之旅。在发射最初的6分钟，地面接收到的信号表明飞船一切正常。根据预定计划，“宇宙一号”在发射升空后，首先被送入距离地面824公里的轨道接受地面控制人员的各类测试；然后，它将历时101分钟环绕地球飞行一圈；此后，地面控制人员将发出无线指令，要求“宇宙一号”开始展开八面巨大而轻盈漂亮的太阳帆。就在人们还沉浸在喜悦的气氛中时，15分钟后突然传来一个不幸的消息：“宇宙一号”与地面失去了联系。
虽然屡遭挫折，但宇航专家们坚持认为，太阳帆飞船能靠阳光漫游太空，不需携带燃料并能一直加速，是未来唯一可以送人类到达遥远的太阳系外星系的航天器。
宇航专家们预测，未来的太阳帆飞船将依靠绕地球轨道运行的一台强力激光器和一个置于土星和海王星间的巨型聚焦透镜提供能量，以1/10光速的速度飞行，在40年时间内到达距地球最近的阿尔法半人马座恒星。此后，借助另一颗恒星发出的光继续飞行。
人造“天梯”
1910年，灿德尔提出了一种空间升降机的设计方案，用一根近6万公里长的绳子从月球伸到地球，人们可以沿这条绳子运送货物，就像用索道运送货物一样；1978年，著名科幻作家阿瑟·克拉克出版了科幻巨著《天堂之泉》。他设想从位于地球静止轨道上的一颗卫星上向下伸展出一个梯子，直达地球赤道表面，人们即可像乘坐电梯一样到太空中去游览观光并运送货物；21年后的1999年，美国宇航局发表了《天梯：太空的先进基础设施》一文，标志着“天梯”将从幻想走向现实。
2004年6月30日，在华盛顿召开的第三届国际天梯会议上，专家们对天梯这一宏伟构想进行了探讨。时隔仅仅9个月，2005年3月23日，美国宇航局正式宣布太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。以研究天梯而著称的美国科学家爱德华兹在论文中写道：“天梯可以使人类历史实现跳跃性的发展。”他认为自己构想中的初版天梯可能在2019年问世，其成本大约为70亿～100亿美元，与人类其他大型太空工程相比，这项费用并不算太高。
爱德华兹是这样描述天梯的建造过程的：第一步，把一个携带天梯半成品的飞船或航天飞机发射到地球静止轨道上，使其和地球同步飞行；第二步，把这个半成品的天梯从飞船上放下来，落到赤道海面的一个平台上，这个平台类似一般的海上发射卫星的平台；第三步，把半成品的天梯锚定在平台上；第四步，用一个由激光提供能量的爬升器在这个半成品的天梯上上下移动，并把更多“缆绳”拧在天梯半成品上，进一步完成天梯。
计划是制订出来了，可用什么材料来制造既要异常坚硬又要特别轻巧，而且还能抵抗所有腐蚀的“缆绳”呢？1991年，日本科学家发明了纳米碳管，这种材料的重量虽然是钢的六分之一，但韧度要比钢高出几百倍，问题是生产成本太高。2004年，英国科学家宣布，他们成功地用纳米碳管组成的纤维织成了“纳米绳”。因纳米碳管的直径是一根头发直径的1/5000，其刚度是钢材的10倍，其硬度是金刚石的两倍，故而由它们构成的“纳米绳”虽然很细，但刚度和硬度都很大，将来可用于建造太空天梯。
我们知道，航天器围绕地球飞行而掉不下来的速度是随着距离地面的高度而变化的。轨道高度越低，地球引力就越大，所需要的飞行环绕速度也就越大，反之亦然。如果天梯上每一点线速度所产生的离心力都小于当地的地球引力的话，就无法与地球引力相平衡，最终整个天梯只能是连同飞船一块回落到地面上。如何才能防止天梯掉下来呢？办法就是从地球静止轨道的飞船上再向上建造一个上天梯，使其产生的离心力合力能够平衡下天梯受到的地球引力的合力。上天梯的受力情况正好与下天梯相反。它上面每一点获得的线速度都大于当地需要的环绕速度，所产生的离心力都大于当地的离心力。沿着上天梯向上走，点的位置越高，线速度越大，产生的离心力随之增大，而地球引力却越来越小。这就使上天梯受到一个向上的合力。当这个向上的合力与下天梯受到的向下的合力相等时，整个天梯就能悬在太空，以与地球自转相同的速度旋转，而掉不下来了。
美国宇航局预计完成“天梯”将需要50年时间，目前已经有科学家开始考虑怎样避免在乘客搭乘这座未来“电梯“时受到太空辐射的伤害。据估计，太空天梯运送一公斤物品升上太空仅需10美元，而目前运载火箭或航天飞机运送一公斤有效载荷约需1万美元。不言而喻，太空天梯一旦建成，就可以昼夜不停地开展运输工作，把旅游者和货物源源不断地送上太空了。
根据专家设想，太空天梯也可由电磁能驱动。建成后的这个天梯犹如一条上下垂直的高速公路，爬升器可沿着它把成吨重的物资或乘客缓缓运送到离地面约3.6万公里高的地球静止轨道上，用时约需7.5天。
飞船“逐日”
在太阳系里，太阳是众行星之王。虽然人类每天都能感受它的存在，享受它赐予的恩惠，但它对人类来说仍然非常神秘。为了解开这些谜团，美国宇航局和欧洲空间局决定派遣一艘探测飞船对太阳进行近距离研究，直接探测困扰科学家多年的两大太阳奥秘——日冕和太阳风。
执行这次近距离探测太阳任务的是“太阳探测器＋”，目前它仍处于早期设计阶段。按计划，该探测器将通过太阳能驱动，依靠液冷式太阳能电池板获得持久的电力供应，当阳光变得过于强烈时，太阳能板可以收缩藏在隔热板后面。探测器上还将携带一台磁力计、一台等离子波探测器、一台尘埃探测器、一些电子和离子分析仪等。但最让科学家兴奋的科技之一是它上面将携带一个半球成像仪，这虽然是一台望远镜，但却能够拍摄出太阳日冕的三维图像。
日冕的温度是困扰科学家多年的谜团之一。所谓“日冕”其实是太阳大气的最外层，其亮度只有太阳本身的百万分之一，因此只能在发生日食时才能被看到。从道理上讲，离太阳核心越远温度越低才对。可实际上，太阳表面温度是6000℃，而日冕温度竟高达200万℃。对于这种奇特的现象，科学界有两种具有代表性的解释。第一种说法是，这和太阳的震动有关。持这个观点的人把太阳比作一口震动不止的钟，热能则像声波似的穿透包裹太阳的各层气体。仔细观察拍摄精致的太阳照片就会发现，控制日冕的磁场在太阳表面形成了巨大的磁力线。热离子从太阳内部喷发后，沿磁力线以100公里/秒的速度向外运动，到达太阳表面后释放的热量被日冕吸收。第二种说法是，太阳的磁场就在日冕层下面。它持续运动，引起磁场扭曲变形。扭曲剧烈时，磁场会发生断裂现象。在它重新合拢之前，能量就通过断口，从太阳内部释放到日冕层里了。这两种理论到底谁是谁非，科学界至今仍未做定论。
太阳风是困扰科学家的第二个谜团。所谓“太阳风”是日冕以极高的速度向空间抛射出的高温带电粒子流。太阳风有两种类型：高速太阳风和低速太阳风。低速太阳风前进的速度为150万公里/小时，高速太阳风则高达300万公里/小时。当太阳风掠过地球时会使地球磁场发生变化，这有可能使地球轨道上的卫星遭到破坏、通信受到干扰、电力供应中断等。长期以来科学家一直在研究太阳风如此之高的速度从何而来，但都不能获得满意的解答。
“太阳探测器＋”发射升空后，将在长达6年时间里，先后7次借助金星之力飞进日冕进行探测。金星的引力可以轻微改变飞船轨道，让它一次比一次更深入地潜进太阳大气层。届时，飞船的碳合成抗热板将承受超过1400℃以上的高温以及高辐射的太阳风风暴。预计在2015年左右，我们就可以看到这场飞船“逐日”的大戏！
除了发射太阳探测器外，近年来，科学家们还准备将一批高精尖设备安装在国际空间站服务舱中，对太阳定期进行观测，从而掌握太阳周期性的活动对其自身物理变化的过程，以及这个过程对地球气候和人类各领域活动的影响。
神秘的“反物质”飞船
科幻小说中，大多数自主型恒星飞船使用反物质做燃料，原因是反物质是最具潜力的燃料。现在，科学家们正致力于研究开发反物质，也许未来人类真的可以借助科幻小说里描述的能源遨游太空。
