即將再見的航天飛機

尹懷勤（中國航天科工集團公司三院八三五八研究所天津300141）

即將再見的航天飛機

尹懷勤（中國航天科工集團公司三院八三五八研究所天津300141）

2011年2月24日，美國“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射騰空，8分半鐘后，順利進入預(yù)定軌道。此次有6名航天員隨機升空，其任務(wù)是向國際空間站送去一個永久性多功能艙、一些補給和設(shè)備，包括機器人航天員2號，航天員還要進行兩次太空行走。在完成上述使命后，“發(fā)現(xiàn)”號己于3月9日安全返回地面。這是“發(fā)現(xiàn)”號的第39次飛行，也是它服役27年來最后一次執(zhí)行太空任務(wù)。由于航天飛機是目前世界上最大的又是唯一可部分重復(fù)使用的載人航天器，加之美國現(xiàn)有的3架航天飛機今年各飛一次后將全部退役，“發(fā)現(xiàn)”號又排位第一個飛行，故而本次發(fā)射和返回引起了國際輿論的廣泛關(guān)注。

研制航天飛機的緣由

人類在掌握了一次性使用的宇宙飛船技術(shù)之后，就追求像在大氣層中多次飛行的飛機一樣能在太空重復(fù)使用的航天器，以降低發(fā)射成本和便于載人航天，于是就開始了航天飛機的研制。20世紀(jì)70年代至80年代，除美國外，前蘇聯(lián)、法國、日本等國也相繼研制航天飛機，由于技術(shù)、經(jīng)濟等原因或問題，直到目前為止，只有美國和前蘇聯(lián)制造了航天飛機，真正投入使用的僅為美國。

航天飛機是載人航天器突破一次性使用的慣例而進入可以重復(fù)使用階段的重要標(biāo)志和創(chuàng)新成果。它的突出特點是綜合運用了火箭、航天器和飛機技術(shù)，形成一種新型飛行器，既能載人載物升空入軌繞地球進行航天飛行，又能像飛機一樣下滑和著陸。1972年初，美國國會批準(zhǔn)發(fā)展航天飛機空間運輸系統(tǒng)的方案后，美國航宇局動員和組織全國有關(guān)單位和專家，耗資100億美元經(jīng)9年多的科研攻關(guān)和試驗改進，終于催生了航天飛機的問世。

1981年4月12日，世界上第一架航天飛機“哥倫比亞”號試飛成功。它從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心起飛，在航天員約翰·揚和羅伯特·克里平的駕駛下進入距地面277 km的近地圓形軌道，環(huán)繞地球飛行了36圈，航程160.9萬km，歷時54 h 30min，最后降落在加利福尼亞州愛德華茲空軍基地。到1982年11月11日“哥倫比亞”號的第5次飛行時，它便開始執(zhí)行商業(yè)搭載任務(wù)，把美國和加拿大的兩顆總重6 t的衛(wèi)星送上了太空。

繼“哥倫比亞”號之后，美國分別花費20億美元依次制造并投入使用的航天飛機是：1983年首飛的“挑戰(zhàn)者”號，1984年首飛的“發(fā)現(xiàn)”號，1985年首飛的“阿特蘭蒂斯”號和1992年首飛的“奮進”號。1986年“挑戰(zhàn)者”號爆炸，2003年“哥倫比亞”號墜毀，目前只剩下其他3架航天飛機。由于前蘇聯(lián)研制的“暴風(fēng)雪”號航天飛機僅于1988年進行了一次未載人的繞地飛行試驗，后來停飛，因此現(xiàn)在只有美國擁有航天飛機。

航天飛機外形類似于普通飛機，在完成航天飛行任務(wù)后，能在一般機場滑行降落。這種有翼式載人航天器，在起飛和入軌的上升階段使用火箭技術(shù)；在軌道飛行階段運用航天技術(shù)；而在再進入大氣層后的滑翔飛行和水平著陸階段卻采用航空技術(shù)。它是當(dāng)代最先進最復(fù)雜的載人飛行器。

由三大部分組裝而成

美國的航天飛機由軌道器、兩個固體火箭助推器、推進劑外掛貯箱3部分組成，起飛總質(zhì)量為2 022 t。飛機全長56m，高23m，通?？沙俗?～8人，飛行時間為一周至一個月。它豎立在發(fā)射臺上時，兩個助推器和外掛貯箱像3根巨大的立柱，貯箱位于中央，助推器分列兩側(cè)，軌道器像個趴在柱子上的龐大飛蛾。

軌道器是進入軌道飛行和返回地球的裝置，形同飛機，長為37.2m，翼展為23.8m，重68 t，從前至后分為駕駛艙、貨艙、動力服務(wù)艙3段，能把29.5 t重的有效載荷送上185～1 100 km的繞地軌道，并可以從太空運回14.5 t的貨物。后艙尾部裝有3臺均為液氫液氧火箭的主發(fā)動機，它們每次工作約8.5min，要求使用50次以上。軌道器其他部分要使用100次以上。

掛在貯箱兩旁的固體火箭助推器，高45m，每個重585 t，由4節(jié)直徑為3.66m的柱形無縫鋼管筒連接而成，里面澆鑄著固體推進劑。發(fā)射時，它們與軌道器的3臺主發(fā)動機一起點火，總推力約3 140 t。兩個固體助推器為軌道器的垂直起飛和沖出大氣層提供78%的推力，要求使用20次以上。它們點火工作兩分鐘后，同時關(guān)機并與軌道器和貯箱分離，然后靠降落傘徐徐掉在大西洋海面上，用回收船回收，重新充填推進劑后供下次再用。

推進劑外掛貯箱，直徑8.4m，高47m，是一個龐大的固體柱，用鋁合金制造。它分為液氫箱和液氧箱，依次裝有100 t液氫和600 t液氧，同時分別為3臺主發(fā)動機提供推進劑。航天飛機起飛約8.5min后，3臺主發(fā)動機關(guān)機，貯箱即與軌道器分離，成了太空垃圾，隨即墜入大氣層燒毀。然后軌道器在自身攜帶的變軌發(fā)動機、姿態(tài)控制發(fā)動機的推動下，進入預(yù)定軌道運行。正因為推進劑外掛貯箱是一次性使用的，故稱航天飛機為部分重復(fù)使用的航天器。

由于航天飛機系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜、技術(shù)難度大、零部件易耗損，故而返回地面以后要進行大量維修工作，致使每次發(fā)射費用高達(dá)4～5億美元。同時造成每架航天飛機發(fā)射時間的間隔予以拉長，每年僅能進行大約5架次的發(fā)射。

優(yōu)越性能和主要貢獻(xiàn)

航天飛機既是可載人載物多次往返于地面與太空之間的飛行器，又是能夠進入近地軌道執(zhí)行多種任務(wù)的航天器。與載人飛船相比，它具備著更多的功能：一是能在太空直接釋放近地軌道衛(wèi)星；二是可捕獲并修理發(fā)生故障的近地軌道航天器，修復(fù)后予以重新釋放；三是可回收出了問題的近地軌道衛(wèi)星，送回地面進行修理；四是可將高軌道衛(wèi)星送入近地軌道，然后啟動衛(wèi)星本身攜帶的火箭發(fā)動機讓它進入高軌道；五是可在近地軌道釋放深空探測器，使后者依靠本身攜有的動力裝置進入預(yù)定軌道遠(yuǎn)航；六是載人數(shù)量多，單獨飛行時間長；七是可運載多種精密儀器，在太空開展科學(xué)試驗；八是可將太空艙段送入近地軌道，并進行在軌組裝；九是可與空間站對接進行聯(lián)袂飛行，接送航天員和各種物品等?？傊?，航天飛機兼有運載火箭、人造衛(wèi)星、載人和貨運飛船甚至小型空間站等多種功能。

5架航天飛機的輪番飛行取得了突出的成就，共向近地空間運送了約150萬kg的物資和700多人次的乘客。在載人航天器中，它是運載航天員進入太空人次最多的一種。航天員共計在航天飛機上釋放和回收了上百顆不同用途的人造衛(wèi)星，向地球軌道發(fā)射了哈勃、康普頓、錢德拉3座太空望遠(yuǎn)鏡，向深空發(fā)射了麥哲倫號金星探測器、伽利略號木星探測器、尤利西斯號太陽探測器等，在太空多次維修哈勃望遠(yuǎn)鏡，還進行了繩系衛(wèi)星的發(fā)電試驗。它們多次運載組件飛赴建設(shè)中的國際空間站，使空間站具備了航天員長期居住和工作的基本條件。如果沒有航天飛機巨大的運載能力，國際空間站是建不起來的。正因為航天飛機鑄就了多項太空輝煌，才被美國視為是繼“阿波羅”飛船載人登月之后空間時代的第2個里程碑。

航天飛機在太空特殊條件下開展了地面無法實現(xiàn)的多種科學(xué)試驗。由中國科學(xué)院電工所和中國運載火箭技術(shù)研究院合作研制的意在尋找宇宙中的反物質(zhì)和暗物質(zhì)的阿爾法磁譜儀，于1998年6月3日至13日搭載“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機在太空遨游了10天且工作正常。按照發(fā)射成本來說，航天飛機把航天器送入太空軌道的費用僅是地面起飛一次性使用的運載火箭費用的三分之一或一半。如果將發(fā)生故障的航天器在太空予以捕獲、修理和重新釋放，那還可節(jié)約從地球上再次發(fā)射的費用，并避免了大量周折時間。

出勤率最高的“發(fā)現(xiàn)”號

“發(fā)現(xiàn)”號是美國航天飛機中執(zhí)行任務(wù)最多、將航天員送上太空最多一架。

它在代號為sts-41D的首次飛行中，就成功地將3顆通信衛(wèi)星送入軌道，并對一個試驗性太陽能電池翼進行了測試。截止代號為sts-133的此次飛行，它共執(zhí)行了39次升空任務(wù)，在5架航天飛機中是出勤率最高的。排在第2位的是飛行32次的“阿特蘭蒂斯”號，排在第3位的是飛行28次的“哥倫比亞”號，排在第4位的是飛行24次的“奮進”號，排在第5位的是飛行10次的“挑戰(zhàn)者”號。以18世紀(jì)一艘遠(yuǎn)征南太平洋的英國探險船命名的“發(fā)現(xiàn)”號，用出色的實際業(yè)績展現(xiàn)了探索未知世界的勇氣。

在39次飛行中，“發(fā)現(xiàn)”號總計運送過252名航天員進入太空，其中包括世界上第一位女性航天飛機駕駛員柯林斯、世界上年紀(jì)最大的77歲的航天員格倫。它共在太空度過了365個日夜，環(huán)繞地球運行5 830圈，總飛行里程2.38億km，相當(dāng)于往返月球310次。它曾在太空釋放哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、上大氣層研究衛(wèi)星、國際微重力實驗室1號、大氣實驗室2號、先進通信技術(shù)衛(wèi)星、第七顆跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星等航天器。它是第一個與俄羅斯“和平”號空間站實現(xiàn)對接的航天飛機，曾給國際空間站運送過日本“希望”號實驗艙主體部分等構(gòu)件。尤為突出的是，在“挑戰(zhàn)者”號和“哥倫比亞”號分別于1986年和2003年發(fā)生爆炸事故之后，都是“發(fā)現(xiàn)”號打頭陣，之后恢復(fù)了航天飛機的太空飛行。

這次它給國際空間站送去的萊昂納多永久性多功能艙，是由萊昂納多多功能后勤艙改造而成的。后者原本是從2001年開始裝在航天飛機貨艙中為國際空間站提供后勤運輸服務(wù)的。由于航天飛機即將退役，所以美國和意大利就將其改造成可以永久安裝在國際空間站上的多功能艙，作為儲藏室和試驗室使用。該艙可以提供額外的研究工作空間，航天員能在其內(nèi)進行流體物理、材料科學(xué)、生物技術(shù)等領(lǐng)域的試驗。同時送去的價值250萬美元的機器人航天員2號，身高約1m，臂長約0.85m，體重約100 kg，全身遍布350多個電子傳感器，不僅外表像人，而且擁有類似于人的手和胳膊，能使用空間站航天員的工具，與人共同工作，已成為國際空間站上的“永久居民”。這是首個被送入太空軌道的類人機器人。其主要任務(wù)是協(xié)助航天員在站上完成維修任務(wù)和零星工作。國際空間站要運行到2025年，不排除今后還會運送機器人航天員上站的可能性。

2月26日“發(fā)現(xiàn)”號與國際空間站實現(xiàn)對接后，2月28日機組兩名航天員出站進行了約6個半小時的第一次太空行走。他們接通了一段電源延長線，為空間站移動機械臂額外配了一對軌道，并清洗了站外的一部攝像機。3月1日機組兩名航天員將重達(dá)14 t的永久性多功能艙與站上“團結(jié)”號節(jié)點艙成功對接，安裝在國際空間站面向地球一側(cè)。至此，空間站美國部分的建設(shè)也告一段落。3月2日機組兩名航天員進行了第二次太空行走，完成了維修空間站外部的一些預(yù)定作業(yè)。3月7日“發(fā)現(xiàn)”號與國際空間站脫離，接著先繞后者飛行一圈進行拍照，然后踏上返回地球的歸程。3月9日“發(fā)現(xiàn)”號穿過云層，由遠(yuǎn)至近，調(diào)整方向，水平降落在佛羅里達(dá)卅肯尼迪航天中心跑道上，隨即打開降落傘，平穩(wěn)減速，最終停止滑行。

完美落幕的“發(fā)現(xiàn)”號，雖然預(yù)定2011年秋天由被改裝后的波音747客機馱著送往位于華盛頓的航空航天博物館展出，但美國航宇局的科研人員先要把3臺主發(fā)動機系統(tǒng)拆除，進行深入分析，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，為研制下一代載人航天器提供借鑒。一些硬件也將被卸下，以供研究使用。為購買“發(fā)現(xiàn)”號并清除其有毒化學(xué)物質(zhì)和對它進行全面整修，博物館將花費約4 200萬美元，以確保展出安全。

兩次機毀人亡的大悲劇

美國最早毀掉的航天飛機是“挑戰(zhàn)者”號，事故發(fā)生在發(fā)射升空階段。1986年1月28日，“挑戰(zhàn)者”號從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射進行第10次飛行時，開始一切正常，誰知升空73 s后，突然一聲爆炸，出現(xiàn)了機毀人亡的悲慘景象，致使7名航天員全部喪生，成千上萬的觀眾痛哭流涕。這一可怕事故在世界航天史上留下了深沉的烙印。

經(jīng)過仔細(xì)調(diào)查分析，最終確認(rèn)是由于航天飛機右側(cè)固體火箭助推器連接處的合成橡膠O型密封圈性能失效而引起爆炸。這種密封圈，因設(shè)計上存在缺陷和當(dāng)日發(fā)射環(huán)境氣溫過低，沒有起到應(yīng)有作用，致使助推器兩節(jié)鋼套接口處出現(xiàn)裂縫，讓固體推進劑燃燒時產(chǎn)生的火焰漏射出來。溫度高達(dá)3 000多℃的火焰越竄越長，最后加熱了推進劑外掛貯箱，引起了液氫箱和液氧箱劇烈爆炸，航天飛機瞬間被炸成碎片，造成了空前悲劇。本來計劃在太空授課的女教師克麗斯塔·麥考利夫，也與搭機升空的其他6名航天員一塊罹難。

事過17年之后，美國又毀掉了“哥倫比亞”號航天飛機。2003年2月1日，“哥倫比亞”號在第28次飛行的返回地面歸途中，于德克薩斯州上空63 km處突然解體，致使5男2女共7名航天員全部遇難。令人痛心和遺憾的是，事故發(fā)生在它遨游太空16個晝夜后，離回家僅差16分鐘的時間。這是航天飛機又一次機毀人亡的大悲劇。

經(jīng)事故調(diào)查委員會的全面分析認(rèn)為，造成“哥倫比亞”號失事的直接原因是該機1月16日發(fā)射升空81.7 s后，推進劑外掛貯箱表面脫落一塊泡沫材料。這塊材料撞擊導(dǎo)致航天飛機左翼前緣的熱保護系統(tǒng)形成裂孔。“哥倫比亞”號在太空運行時，幾乎處于真空狀態(tài)，裂孔無關(guān)大礙，可到返回途中再入大氣層時由于摩擦產(chǎn)生的氣動加熱使受損部位溫度高達(dá)1 300～1 600℃，造成內(nèi)部線路和金屬部件熔化，終致結(jié)構(gòu)破壞而解體。

接受“哥倫比亞”號失事的教訓(xùn)，美國航天專家對外掛貯箱的泡沫材料作了改進，但仍未取得理想效果。為解決這種材料脫落問題，雖花了13億美元，但收效不大。這在此后的兩次“發(fā)現(xiàn)”號飛行、一次“阿特蘭蒂斯”號飛行和一次“奮進”號飛行中都表現(xiàn)了出來，只是脫落的材料未直接擊中航天飛機的要害部位而已。正因如此，2007年8月搭乘“奮進”號巡天的女教師航天員芭芭拉·摩根才完成了21年前麥考利夫未能實現(xiàn)的夙愿。按照美國原來計劃，航天飛機壽命最長為20年，每架應(yīng)飛行100次，但由于成本高、風(fēng)險大，至今30年來5架累計才飛行了133次。

“暴風(fēng)雪”號的悲慘命運

1988年11月15日，蘇聯(lián)耗資100億美元研制的“暴風(fēng)雪”號航天飛機從拜科努爾發(fā)射場發(fā)射騰空，在距離地面250 km的圓形軌道上繞地飛行兩圈歷時3個多小時后順利返回，完成了原設(shè)計載人而未載人的首次也是最后一次飛行任務(wù)。

“暴風(fēng)雪”號與美國航天飛機比較起來，功能相同，形狀和大小相似，有效載荷和起飛質(zhì)量也很接近。不同的是，“暴風(fēng)雪”號軌道器未裝主發(fā)動機，服務(wù)艙攜有兩臺小型火箭發(fā)動機，幫助自身最終進入預(yù)定軌道飛行。它的主發(fā)動機是安裝在能源號運載火箭上的。

能源號運載火箭由芯級和周圍捆綁的4個助推器組成。4個以煤油和液氧為推進劑的液體火箭助推器組成第一級，工作完畢分離后乘降落傘墜地，可以回收重復(fù)使用。芯級為第二級，由4臺以液氫和液氧為推進劑的液體火箭組成，僅能一次使用。發(fā)射時，兩級同時點火工作，只是第一級先關(guān)機分離，第二級后關(guān)機分離。第二級的作用相當(dāng)于美國航天飛機軌道器攜帶的3臺主發(fā)動機。雖然第二級不能重復(fù)使用，但就能源號火箭來講，回收的第一級重新加注推進劑后，再配上新的第二級，不僅可以再次發(fā)射總質(zhì)量為2 400 t的“暴風(fēng)雪”號航天飛機，還可以發(fā)射其他大型航天器，能夠一箭多用。這又是優(yōu)于美國航天飛機之處。

“暴風(fēng)雪”號能在無人駕駛的情況下進行繞地飛行，說明自動駕駛控制方式與美國航天飛機不同，其技術(shù)難度要大得多。它在返回地面時，假如第一次著陸失敗，還可以啟動兩臺小型發(fā)動機重新拉起來再次進行著陸，安全系數(shù)比較高，這也是美國航天飛機做不到的。

航天飛機造價昂貴，耗資龐大，沒有雄厚的經(jīng)濟實力是難以為繼的。前蘇聯(lián)/俄羅斯雖然有技術(shù)水平，卻無財力支撐，致使“暴風(fēng)雪”號航天飛機終未能逃脫被廢棄的厄運。1996年7月，一架“暴風(fēng)雪”號樣機被運到莫斯科高爾基公園建成了娛樂中心，后因管理不善，內(nèi)部設(shè)施受損很大，1999年2月還遭遇一場火災(zāi)，隨之即破爛不堪。

獵戶座”將代替航天飛機

美國航天飛機推進劑外掛貯箱表面包裹的泡沫塑料絕緣材料，是為保證液氫和液氧的低溫必不可少的保護層。由于航天飛機發(fā)射時這種材料脫落問題尚未徹底解決，極易撞壞軌道器外表面的隔熱層，致使其在返回途中有可能出現(xiàn)危險情況，故而目前的飛行仍具有一定的冒險性。有鑒于此，美國航宇局已經(jīng)決定，在2011年建成國際空間站之后，讓已有的航天飛機全部退役。航天飛機存在的這種先天不足，迫使美國不得不忍痛割愛。盡管如此，它的多項先進技術(shù)還會在未來一段時間發(fā)揮重要作用。

這次“發(fā)現(xiàn)”號的發(fā)射原定于2010年11月5日進行，就是因為外貯箱泡沫塑料出現(xiàn)裂縫而被迫推遲的。隨后工作人員加固了外貯箱的絕緣材料。在其發(fā)射升空過程中，飛行控制人員密切監(jiān)視固定在外貯箱上的攝像機拍攝的畫面，以觀察是否有緣絕泡沫脫落可能對軌道器脆弱的隔熱層造成威脅。結(jié)果發(fā)現(xiàn)有幾大塊脫落的碎片擊中了隔熱層。它們是在大氣密度較低的高度上脫落的，這對航天飛機的威脅最大，好在飛行控制人員并未發(fā)現(xiàn)碎片對“發(fā)現(xiàn)”號造成明顯傷害。人們盼望著隨后分別于4月19日和6月28日發(fā)射升空的“奮進”號和“阿特蘭蒂斯”號的最后一次飛行能夠平安無事。至于這兩架航天飛機退役后的去向，美國航宇局正在與有關(guān)博物館和教學(xué)研究機檔進行磋商。

代替航天飛機的載人航天器，將是名為新一代可重復(fù)使用的乘員探索飛行器“獵戶座”。這原本是美宇航局根據(jù)美國總統(tǒng)布什2004年1月14日提出的最早于2015年載人重返月球、2020年左右建立月球基地、2030年后派人登陸火星的進軍太空計劃而研究的載人航天器，在其載人飛登月球之前，先作為近地軌道載人航天器使用。

早在2005年7月23日，美國眾議院就通過議案，要求盡可能接近2010年的時候發(fā)射乘員探索飛行器。當(dāng)年9月美國航宇局透露的消息說，這種飛行器首次載人飛抵國際空間站的時間將不早于2012年。后來，將其首抵國際空間站的時間推遲至2014年。2007年初，美國航宇局“獵戶座”項目科學(xué)家同主承包商洛馬公司一道完成了系統(tǒng)技術(shù)要求評審，為這種載人飛船的設(shè)計、研制、建造和安全飛行奠定了基礎(chǔ)。該飛船將用于向地球軌道、月球乃至火星運送航天員。

“獵戶座”飛船將用美國新研制的戰(zhàn)神1運載火箭發(fā)射到近地軌道運行，并能與國際空間站進行對接，完成太空飛行任務(wù)后再返回地面。它一次可以運載6名航天員，完全可以完成航天飛機飛往國際空間站執(zhí)行的一切任務(wù)，比俄羅斯現(xiàn)在的“聯(lián)盟TMA”號載人飛船要大得多，且在近地軌道上飛行也比航天飛機更為安全。至于“獵戶座”載人飛往月球的時間，美國計劃安排在2020年，那時它還要與登月艙、地球出發(fā)站在近地軌道上組成聯(lián)合體后才能奔月。后兩者到時候?qū)⒂眯卵兄频膽?zhàn)神5運載火箭發(fā)射升空。2010年初美國總統(tǒng)奧巴馬雖然停止了航天員重返月球計劃，而改為載人先登陸小行星和火星，但并未改變“獵戶座”飛赴國際空間站的安排。除“獵戶座”外，還有正在研制的其他飛船準(zhǔn)備飛往國際空間站，但時間將要更晚一些。

在2011年下半年至2013年末之間，航天飛機退役，“獵戶座”飛船尚未問世，接送國際空間站的人員和物資問題只能靠俄羅斯載人飛船和貨運飛船來解決了?！吧裰邸碧栵w船雖有這方面的能力，但由于我國不是國際空間站的參建國，所以有力用不上。何況，我國還要實現(xiàn)載人航天的第二步和第三步計劃，同時實施嫦娥探月工程后續(xù)任務(wù)，繼續(xù)鑄就自己的太空輝煌?！?/p>

2011-03-10