美國肯尼迪航天中心及其航天飛行

顧世敏

從奧蘭多驅(qū)車向東南,大約45分鐘,就可以到達肯尼迪航天中心(KSC)了。它位于佛羅里達州卡納維拉爾角,南北最大距離55公里,東西向最寬10公里,是美國重要的載人航天中心,擁有各種獨特裝備和設(shè)施。不過,親臨現(xiàn)場感覺到的不僅僅是現(xiàn)代科技和人類建筑物,還有原始狀態(tài)的地理環(huán)境和眾多的野生動植物。頭上有老鷹在盤旋,附近有羽毛鮮艷的水鳥在覓食,路邊的沼澤里時常漂浮著懶洋洋的鱷魚,象一段段長年拋棄的朽木。原來,這里還是美國規(guī)模龐大的瀕危野生動植物及生態(tài)環(huán)境保護地。當然,人們長途跋涉來到這里,并不是觀賞這里的野生環(huán)境,而是被這里的航天事業(yè)所吸引。題圖照片為肯尼迪航天中心飛行大樓,航天飛機在這里與火箭助推器及推進劑組合在一起,然后送往發(fā)射臺。

美國的航天運輸系統(tǒng)

1972年1月5日,美國總統(tǒng)尼克松批準美國國家航空航天局(NASA)研制可重復使用的航天飛行系統(tǒng),稱之為“航天飛機”。它不同于火箭和飛船體系,但也不只是飛行器,而是整個“航天運輸概念”,其飛行任務(wù)代號即為航天運輸系統(tǒng)(SpaceTransportationSystem,簡稱STS)加上系列號。比如,1999年7月23日第一次由一位名叫艾琳·柯林斯女士擔任指令長的飛行任務(wù)命名為STS-93。美國航空航天局代表美國政府,全面負責國內(nèi)外的航天飛行業(yè)務(wù)。

航天運輸系統(tǒng)整個合同由德州休斯頓的美國航空航天局約翰遜航天中心(JSC)負責組織實施,它由四大單元組成:一套軌道飛行器即俗稱航天飛機,兩套火箭助推器(SRB),一套推進劑箱和三臺主發(fā)動機。航天飛機由位于加州的洛克韋爾國際集團航天運輸系統(tǒng)部制造,它也負責全機系統(tǒng)集成及整套航天運輸系統(tǒng)?；鸺破饔瑟q他州的馬頓集團設(shè)計制造,但在肯尼迪航天中心完成總裝和系統(tǒng)集成。推進劑箱由新奧爾良的馬丁·馬瑞塔集團制造。發(fā)動機系統(tǒng)由美國航空航天局馬歇爾航天飛行中心負責,由洛克韋爾集團的加州洛克代尼分部制造。

航天運輸系統(tǒng)主要用于近地軌道往返運輸,其指揮控制中心在約翰遜航天中心?？夏岬虾教熘行呢撠煱l(fā)射升空、返航著陸和地面周轉(zhuǎn)及保障。

第一架航天飛機代號為OV-101,正式命名為“企業(yè)”號,用于地面各類實驗和飛行驗證。正式用于升空的是OV-102即“哥倫比亞”號,于1979年3月25日由波音747馱載到肯尼迪航天中心。之后,改進過的OV-099命名為“挑戰(zhàn)者”,于1982年7月5日交付,OV-103命名為“發(fā)現(xiàn)者”,1983年11月9日抵達肯尼迪航天中心。1985年4月3日交付的OV-104命名為“亞特蘭蒂斯”。這些名字來源于美國歷史上著名的航海艦艇:“哥倫比亞”號是1836年投入使用的掛帆快艇,為美國海軍環(huán)球航行的主要艦船之一。“挑戰(zhàn)者”也是海軍艦艇的名字,它參加過1872年至1876年間的大西洋和太平洋遠洋探險。“發(fā)現(xiàn)者”在1610年至1611年間探索大西洋和太平洋西北方向的捷徑,并發(fā)現(xiàn)了夏威夷群島等地。“亞特蘭蒂斯”為美國海洋地理研究所1930年到1966年間使用的一艘雙桅帆船。

當前,美國有兩個航天運輸系統(tǒng)發(fā)射中心,肯尼迪航天中心負責赤道軌道、加州范登堡空軍基地負責兩極軌道發(fā)射任務(wù)。它們也是航天飛機的正常著陸點。加州愛德華茲空軍基地作為主備降基地,白沙空軍基地供緊急返航著陸使用。如在外地著陸,需用特制的波音747把它馱載回到肯尼迪航天中心,再次飛行準備時間增加一周,費用也增加100萬美元左右。但愛德華茲擁有獨特的先天條件:11400公頃堅硬廣闊的干涸湖床作為基本跑道,長達12公里,還建有一條水泥跑道,用于夜間著陸,以免沙塵過多影響燈光引導系統(tǒng),天氣條件也比肯尼迪航天中心好,特別是航天飛機較重或肯尼迪航天中心天氣變化時,只要在著陸之前提前一段時間,都可以臨時備降到愛德華茲。目前,在這里著陸次數(shù)多達半數(shù)以上。

為了獲得著陸飛行和地面保障經(jīng)驗,航天飛機頭三次返回著陸,也在愛德華茲空軍基地進行。1983年6月,由“挑戰(zhàn)者”號航天飛機完成了代號為“航天運輸系統(tǒng)-7”的航天飛行,原計劃首次實現(xiàn)在肯尼迪航天中心著陸,因天氣原因,依然在愛德華茲著陸。之后的兩次也是如此。一直到了1984年2月11日,代號“41-B”的飛行任務(wù)才實現(xiàn)了在肯尼迪航天中心的第一次著陸。但在1985年的一次著陸中,由于剎車過度,一個機輪爆破,導致有關(guān)方面再次考慮肯尼迪航天中心著陸的安全性。在加裝了前輪操縱系統(tǒng)和改進了剎車系統(tǒng)后,1986年元月,“挑戰(zhàn)者”代號“61-C”的飛行計劃才重新安排肯尼迪航天中心作為返航著陸點,但因天氣惡劣再次改降愛德華茲。兩周后,“挑戰(zhàn)者”自身在發(fā)射中不幸損失,因此重新考慮肯尼迪航天中心的著陸設(shè)施是否足夠安全。之后,改進了航天飛機的主起落架和碳剎車,增強了前輪操縱性,更換了輪胎型號。1991年交付的“奮進”號就是第一架改進后的航天飛機。同時,重新設(shè)計了肯尼迪航天中心的跑道表面摩擦性,減少了兩端頭1066米正常接地區(qū)域?qū)喬ギa(chǎn)生的磨損,加長了安全道長度。1991年,肯尼迪航天中心得以重新作為返航著陸基地使用。

復雜繁多的準備

發(fā)射前的準備工作在肯尼迪航天中心飛行保障中心大樓內(nèi)進行,在那里,航天飛機與火箭助推器組合在推進劑箱上,姿態(tài)垂直向上,然后,用履帶式平板運載車把它們整體運往指定的發(fā)射臺?？夏岬虾教熘行牡谝粋€用于航天運輸系統(tǒng)任務(wù)的發(fā)射臺代號為39-A。在正常情況下,機組人員通過旋轉(zhuǎn)懸臂式通道進入航天飛機,該通道高44.8米,回轉(zhuǎn)幅度70度,時間30秒,航天飛機在點火前7分24秒與它脫離。機組的緊急撤離通道為封閉式消防撤離滑梯,一共有7套,每套里面有一個直徑1.5米、高度1.05米的撤離籠,可搭載3人,經(jīng)4組纜索吊落到發(fā)射臺下,然后,機組通過臺下的防爆斗,撤離可能爆炸的發(fā)射臺。在正常情況下,它在發(fā)射前30秒脫開。

專門為航天運輸系統(tǒng)設(shè)計了著陸設(shè)施,于1976年完成。跑道長度4571米,寬91米。中間高,兩側(cè)低,以形成良好的排水能力。此外,有300米延長道。跑道南停機坪為常規(guī)停機坪,東北停機坪為裝卸停機坪,用于將航天飛機裝在波音747機背上,或者從該機機背上卸下來。專用的裝卸臺長45米,寬28米,高32米。在跑道中段外側(cè),設(shè)有指揮塔臺、救護隊和消防隊,還有一個供輿論界和賓客觀賞著陸過程的看臺。

航天飛機相當于DC-9飛機大小。從這個角度說,并不需要這么長的跑道。但它沒有動力,又以超音速大速度下滑,以及沒有復飛能力,必須盡量為其著陸操作創(chuàng)造便利條件。

跑道異物對這樣大速度著陸的飛機十分危險。因此,在飛機接地前15分鐘,地面人員要對跑道進行最后檢查。然而,飛鳥很容易打傷航天飛機表面的隔熱瓦。作為野生自然保護區(qū),這里的鳥類有300多種。工作人員使用驅(qū)鳥廣播,經(jīng)常修剪跑道兩側(cè)草坪,以免鳥類接近跑道。

飛機接地后,由于它沒有動力,需要用柴油牽引車把它拖回飛行保障中心。訓練用的航天飛機飛行模擬器也坐落在這里。航天飛機的飛行技能也通過T-38教練機來訓練。這些飛機也停放在這個區(qū)域。此外,用于保障工作的其它運輸機和直升機也在這里作業(yè)。

此外,還有一套由電子控制的精密著陸燈光輔助系統(tǒng)。從高度2285米起,如果航天飛機高于預定的下滑道,機組人員看見的燈光是紅色的,反之,是白色的。只有飛機處于預定的下滑道之內(nèi),他們才可以同時看見紅白兩色的燈光信號。整個著陸機動階段均有燈光引導信號,機組人員只要調(diào)整飛機姿態(tài),同時看見紅白相間的燈光信號,就說明飛機處于正確的下滑道上。在離地面高度676米左右時,可以看見4組,每組各24個燈源的接地指示信號。如果機組人員看見它們?yōu)榧t白兩色,就可以放下起落架,使飛機進入接地狀態(tài)。夜間著陸時,跑道燈光呈背光照明狀態(tài),以免機組人員感覺眩目。

在氣象條件要求方面,在航天飛機處于軌道上,要決策是否開始著陸時,從時間上說,大約距離著陸點90分鐘時,要求肯尼迪航天中心當?shù)氐陀?047米的云不多于20%,能見度不小于8公里,側(cè)風不大于22公里/小時。如果本次著陸重量較大,則還需要把側(cè)風條件提高到不大于19公里/小時。同時,在著陸地帶55公里范圍內(nèi),不得有雷暴條件,在19公里內(nèi),不得有降水的可能。

氣象預報由約翰遜航天中心航天飛行氣象中心發(fā)布,也需要肯尼迪航天中心現(xiàn)場觀測小組的實際數(shù)據(jù),并與相鄰的美國空軍卡納維拉爾角空軍基地的氣象預報中心協(xié)調(diào)。同時,美國航空航天局的氣象探測飛機在空中進行實際數(shù)據(jù)探測。對所有這些數(shù)據(jù)進行綜合分析比較后,才能做出是否可以開始著陸的氣象預報。

著陸后工作

在著陸前兩小時,著陸保障部門就投入了工作。這涉及到150多人,30輛專用車輛。他們對機組的引導和護航不僅僅在飛機落地后,而是從航天飛機脫離軌道就開始了。無論航天飛機在哪里著陸,都由這些保障人員負責。

在飛機著陸后,飛機停在跑道上,首先由身著全封閉保護服的探測人員對飛機外圍進行探測,檢驗分析是否有高度可燃或有毒氣體及濃度如何。如果探測到有關(guān)氣體濃度很高,而且當時無自然風,就需要使用專用車輛對航天飛機吹風。之后,由凈化冷卻車輛接上補給管,通過這根管道,以檢測氫的濃度。如果濃度高于3%,應(yīng)立刻對航天飛機停車關(guān)機,并對機組實施緊急撤離。反之,著陸后的行動繼續(xù)按正常程序進行,即通過補給管道,向飛機內(nèi)注入凈化空氣和冷卻劑,進一步除去飛機各艙位或腔體內(nèi)可能存在的有害或可燃氣體。這些都在著陸后45分鐘內(nèi)進行,當然,地面空調(diào)系統(tǒng)接通后,就可以關(guān)閉機上冷卻系統(tǒng)了。

當確認一切無誤后,機組舷梯車靠上航天飛機艙門,打開“安全檢查間”,機組人員進入這里,由醫(yī)生進行短暫的體檢,通常,這種檢查工作需在飛機著陸后60分鐘內(nèi)完成。

接下來便是機組人員撤離飛機。他們從“安全檢查間”直接走向機組接送車。這個接送車是用普通機場旅客擺渡車改裝過來的。所以,在外面觀看著陸的人看不見機組人員下機。

在機組人員離開飛機后,整個引導和護航行動結(jié)束,約翰遜航天中心則把后繼工作交給肯尼迪航天中心。地面保障人員登上航天飛機,準備把它牽引回飛行保障中心。輪胎系統(tǒng)冷卻需要45分鐘,這個期間的工作是把各種開關(guān)關(guān)閉并打開保險,從實驗裝置上取下實驗數(shù)據(jù)記錄和存貯器。還需要把起落架徹底鎖定在“放下”位置上,卸下前輪減速裝置,連接好牽引桿。通常,在著陸后4小時開始牽引,整個牽引工作在6小時之內(nèi)結(jié)束。

雖然航天飛行任務(wù)由約翰遜航天中心指揮,但肯尼迪航天中心的工程測試小組位于發(fā)射控制中心內(nèi),一直在監(jiān)測航天飛機上的數(shù)據(jù)。在約翰遜航天中心把航天飛機控制權(quán)移交給肯尼迪航天中心后,該小組開始指揮后續(xù)工作,直至把航天飛機拖回到指定的飛行保障中心。那里,也是它下一次飛行的準備地點?？夏岬虾教熘行哪壳坝腥齻€飛行保障中心,將根據(jù)任務(wù)不同決定在哪里準備下一次升空。

中斷起飛和緊急返航

象普通飛機要考慮緊急迫降一樣,航天運輸系統(tǒng)必須考慮發(fā)射后,遇到緊急情況航天飛機如何中斷起飛或者緊急返航。

在上升階段,如果飛行性能受到影響,如主發(fā)動機故障,或姿態(tài)控制發(fā)動機故障,就要考慮中斷起飛。入軌飛行后,如果發(fā)生艙體泄漏、環(huán)境系統(tǒng)故障、人員或者實驗本身發(fā)生意外影響到飛行安全等,需要縮短日程,緊急返航。無論哪種非正常返航,都可歸結(jié)為“返場著陸”和“就近著陸”兩類,前者是返回預定著陸點,后者則為了盡最大努力拯救機組人員的生命安全,在來不及返回預定地點情況下實施。由于“就近著陸”保障條件差,風險相對比較大,因此,這個方案往往是在最后抉擇。只要條件允許,應(yīng)首先采用“返場著陸”方案。

在“返場著陸”方案中,又可分為四種情形:如果在上升過程中發(fā)現(xiàn)問題,應(yīng)立刻降低預定飛行軌道高度,立刻減少所需功率,提前進入平飛,抓緊時間評估故障情況,決定是否繼續(xù)上升,還是立刻返航。因此,需要研制繼續(xù)上升或者立刻返航下降這兩套臨時機動推力程序。這套程序稱之為“中斷入軌程序”(ATO——AborttoOrbit)。這時,如果可以返回發(fā)射地,則執(zhí)行“返回發(fā)射地著陸程序”(RTLS——ReturnToLaunchSite)。與正常著陸程序不同的是,與緊急著陸時飛機需要空中放油以減輕著陸重量類似,首先降低軌道,繼續(xù)飛行,以便盡快消耗燃料,然后再返航。第三種情況是,入軌后需要返航,即需要立刻縮短后續(xù)日程,則按正常返航程序脫軌,再入大氣層。這套緊急返航程序稱之為“中斷任務(wù)程序”(AOO——AbortOnceOrbit)。第四,如已錯過執(zhí)行“返回發(fā)射地著陸程序”(RTLS——ReturnToLaunchSite)點,則按彈道軌跡飛越大西洋下降著陸,稱之為“飛越大西洋著陸程序”(TAL——TransatlanticLanding)。預定的備降點設(shè)在沿著飛行軌跡預定的有關(guān)機場,以盡量減少航天飛機的機動飛行。

如果兩臺主發(fā)動機發(fā)生故障,或其它系統(tǒng)也相繼發(fā)生故障,無法完成任務(wù),就必須考慮“就近著陸”方案了。這時,首先考慮如何保障機組人身安全,并不在乎航天飛機在哪里著陸。尤其在發(fā)動機相繼故障或者引起其它系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)后,無法很好地控制住飛行姿態(tài),這時,可能需要實施“俯沖返航方案”,即機組人員使用救生逃逸裝置脫離航天飛機。

肯尼迪航天中心未來的發(fā)展

自從第一次發(fā)射火箭以來,肯尼迪航天中心已經(jīng)運轉(zhuǎn)了半個世紀。如今,這里已是世界上規(guī)模最大、發(fā)射品種最多的航天發(fā)射場。當前,它由美國空軍第45航天聯(lián)隊和肯尼迪航天中心工作隊共同支持發(fā)射任務(wù)。在這里,還從事相關(guān)科研工作,包括研究今后的太空港技術(shù),這里也是美國在阿拉斯加州卡迪亞克島新建的火箭發(fā)射基地的主要技術(shù)支持者。當前的商業(yè)飛行主要是把價值幾百億美元的衛(wèi)星送上預定軌道,將來有哪些運輸需要呢?

計劃之一是,在今后10年內(nèi),可以為科研、制造和國際運輸、商務(wù)旅行,甚至普通旅游業(yè)提供航天飛行。在旅游業(yè)方面,目前最具實用情景的是在近地軌道上小住。也許在不遠的將來,就會有普通旅游者來到肯尼迪航天中心,搭乘航天飛機去近地軌道上的太空旅館。

因此,首先要考慮在肯尼迪航天中心如何部署相應(yīng)的太空港。開發(fā)航天運輸系統(tǒng)大致與航空運輸系統(tǒng)類似,首先,需要一個機場。這個機場應(yīng)該是什么樣子,在沒有先例可供參考的情況下,主要靠科學和藝術(shù)的想象力?？梢灶A計,如果航天技術(shù)繼續(xù)保持現(xiàn)有的發(fā)展增長,在不久的將來,太空旅行也會成為一種大眾運輸方式。航空運輸之所以從探險演變?yōu)榇蟊娺\輸工具,主要歸功于技術(shù)進步。肯尼迪航天中心的科研目標正是如此:努力開發(fā)航天運輸技術(shù),使之更安全、更便捷,更便宜。

新型航天飛行器由美國航空航天局的其他科研中心研制,肯尼迪航天中心則負責先進的太空港技術(shù),以全面降低飛行器的運行成本。當前,送一位體重僅30公斤的孩子上近地軌道的成本是60萬美元,大多數(shù)家庭無力負擔。美國航空航天局的目標是,未來20年內(nèi),大幅度降低航天運輸成本,當前是20000美元/公斤,今后10年內(nèi)降低到2000美元/公斤,接下來的10年,降低到200美元/公斤。

太空港技術(shù),包括用于準備空間貨物、航天飛行器、發(fā)射和回收航天飛行器的方法、機械和運轉(zhuǎn)機構(gòu)。今天的航天運輸不僅僅是火箭技術(shù),它也是一種改進人類生活的科學技術(shù)。比如說,已經(jīng)從肯尼迪航天中心發(fā)射上天的衛(wèi)星降低了長途電話的成本,提供了更多更好的電視頻道和節(jié)目,提供了更便捷的個人信用卡交易,還有非常便宜的個人衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)、全球范圍的互連網(wǎng)絡(luò),以及全球范圍的氣象監(jiān)測能力。當然,未來的太空港應(yīng)該便于洲際旅行,首先是在郵遞和貨物運輸方面。也許在將來,他們還應(yīng)該是人類前往近地軌道旅館的起點。說得更遠一點,也是人類飛往火星的起飛機場。

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