科學(xué)和技術(shù)任務(wù)：空間運(yùn)輸系統(tǒng)-77航天任務(wù)18年回顧（一）

+ 美：Ben Evans

+ 劉天雄 編譯

科學(xué)和技術(shù)任務(wù)：空間運(yùn)輸系統(tǒng)-77航天任務(wù)18年回顧（一）

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圖1 美國奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)（Endeavour）發(fā)射入軌

1996年5月19日拂曉，伴隨著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的隆隆轟鳴聲，美國“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)（Endeavour）進(jìn)入空間預(yù)定軌道如圖1所示，開始了多學(xué)科的空間科學(xué)試驗(yàn)。2014年5月19日美國空間（AmericaSpace）網(wǎng)站發(fā)表了Ben Evans 撰寫的“Mission for Science and Technology: 18 Years Since STS-77”，中文直譯為“科學(xué)和技術(shù)任務(wù)：空間運(yùn)輸系統(tǒng)-77任務(wù)18年回顧”。原文作者系統(tǒng)地回顧了美國奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)執(zhí)行此次空間試驗(yàn)任務(wù)（美國國家航空航天局NASA的任務(wù)代號(hào)STS-77）背后鮮為人知的故事，風(fēng)趣地介紹了參加此次飛行任務(wù)6名航天員的成長(zhǎng)歷程，簡(jiǎn)要地說明了此次飛行任務(wù)所開展的具有劃時(shí)代意義的空間試驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)于如何認(rèn)識(shí)我們國家正在開展載人航天與空間實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)建設(shè)具有較高的參考價(jià)值，本文在原文材料的基礎(chǔ)上，引入相關(guān)背景知識(shí)，期望能對(duì)國內(nèi)讀者以啟迪。

“STS”是“Space Transportation System”的縮寫，中文譯為“空間運(yùn)輸系統(tǒng)”，“STS”是“Space Shuttle”的官方名稱，“Space Shuttle”中文譯為“航天飛機(jī)”。航天飛機(jī)是本體可再次使用的載人航天飛行運(yùn)載器，能夠到達(dá)LEO低地球軌道（low Earth orbit）。美國國家航空航天局NASA負(fù)責(zé)航天飛機(jī)的管理和運(yùn)行控制工作，航天飛機(jī)均在美國Florida州的Kennedy空間中心發(fā)射KSC（Kennedy Space Center）入軌，1981年～2011年間，航天飛機(jī)共計(jì)執(zhí)行135次飛行任務(wù)，在軌合計(jì)工作時(shí)間為1322天19 小時(shí) 21 分 23 秒，將大量衛(wèi)星送入軌道，其中包括著名的Hubble空間望遠(yuǎn)鏡、同時(shí)開展了行星際探測(cè)、在軌空間試驗(yàn)，航天飛機(jī)還參加了國際空間站ISS（International Space Station）的建設(shè)和服務(wù)工作。

航天飛機(jī)由軌道飛行運(yùn)載器OV（Orbiter Vehicle）、一對(duì)可重新使用固體火箭助推器SRBs（solid rocket boosters）以及一次性使用的外掛儲(chǔ)箱ET（external tank）四部分組成，其中外掛儲(chǔ)箱中裝載液氫和液氧推進(jìn)劑，一對(duì)固體火箭助推器與軌道飛行運(yùn)載器的三個(gè)主發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)安裝。航天飛機(jī)的發(fā)射方式與傳統(tǒng)運(yùn)載火箭類似，采用垂直與發(fā)射平臺(tái)的方式發(fā)射，如圖2所示。軌道飛行運(yùn)載器OV飛行到預(yù)定的軌道高度后，一對(duì)固體火箭助推器與航天飛機(jī)分離并被拋棄，軌道飛行運(yùn)載器進(jìn)入預(yù)定時(shí)，外掛儲(chǔ)箱與航天飛機(jī)分離并被拋棄，如圖3所示

圖2 航天飛機(jī)組成部分及垂直發(fā)射方式

圖3 Discovery號(hào)航天飛機(jī)固體火箭助推器分離并被拋棄后的圖像

當(dāng)航天飛機(jī)完成空間試驗(yàn)任務(wù)后，軌道飛行運(yùn)載器OV啟動(dòng)兩個(gè)軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)OMS（Orbital Maneuvering System）發(fā)動(dòng)機(jī)，離開運(yùn)行空間軌道并再入大氣層。軌道飛行運(yùn)載器OV在California州的Edwards空軍基地的飛機(jī)跑道著陸或者Florida州Kennedy空間中心的飛機(jī)跑道著陸，當(dāng)軌道飛行運(yùn)載器在Edwards空軍基地著陸時(shí)，軌道飛行運(yùn)載器著陸需要再由專門改裝的波音747客機(jī)運(yùn)到Kennedy空間中心，如圖4所示。

第一架航天飛機(jī)為企業(yè)號(hào)（Enterprise），僅僅用于局部演示驗(yàn)證和再入大氣層著陸試驗(yàn)，不具備進(jìn)入軌道空間能力。最初研制的四架功能完備的航天飛機(jī)分別為“哥倫比亞”號(hào)（Columbia）、“挑戰(zhàn)者”號(hào)（Challenger）、“發(fā)現(xiàn)號(hào)”（Discovery）和"亞特蘭蒂斯"號(hào)（Atlantis），如圖5所示。"挑戰(zhàn)者"號(hào)航天飛機(jī)和"哥倫比亞"號(hào)航天飛機(jī)分別于1986年和2003年在執(zhí)行空間試驗(yàn)任務(wù)時(shí)遭遇飛行事故而損毀，共犧牲14位宇航員。1991年，美國國家航空航天局NASA研制了第5架功能完備的奮進(jìn)號(hào)（Endeavour）航天飛機(jī)，以代替失事的挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)。由于多方面的原因，航天飛機(jī)現(xiàn)已不再執(zhí)行航天飛行任務(wù)，2011年7月21日亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)完成美國航天飛機(jī)歷史上的最后一次空間試驗(yàn)任務(wù)。

在美國東部時(shí)間1996年5月20日上午07點(diǎn)29分，美國“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)宇航員Mario Runco Jr操作機(jī)械手臂將一個(gè)小型自由飛行器SPARTAN-207從“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)載荷艙中取出并釋放到軌道空間，就此拉開為期10天的STS-77航天飛行空間試驗(yàn)任務(wù)。航天飛機(jī)的遙控操作系統(tǒng)RMS（Remote Manipulator System）機(jī)械手臂由加拿大研制，如圖6所示。SPARTAN是英文“Shuttle Pointed Autonomous Research Tool for Astronomy”的縮寫，中文直譯為“面向航天飛機(jī)的天文學(xué)自主研究工具”，SPARTAN能夠在航天飛機(jī)外自由飛行，已在軌道空間開展了天文和太陽物理實(shí)驗(yàn)，以及相關(guān)空間技術(shù)研究試驗(yàn)，但是在STS-77航天任務(wù)中，SPARTAN完成了迄今最具挑戰(zhàn)性的試驗(yàn)。SPARTAN-207被釋放后，STS-77航天任務(wù)的指揮官John Casper操作“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)飛行到距離SPARTAN-207飛行器250米遠(yuǎn)的位置處，并在此位置處保持了約1個(gè)小時(shí)，然后開展航天器局部繞飛試驗(yàn)，使SPARTAN-207飛行器在“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)的正下方，并在此相對(duì)位置下保持80分鐘，隨后開展了具有潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值的空間科學(xué)試驗(yàn)，包括雷達(dá)試驗(yàn)、空間移動(dòng)通信試驗(yàn)、空間天文學(xué)試驗(yàn)、空間對(duì)地球觀測(cè)試驗(yàn)、地球環(huán)境研究以及地球土壤濕度和海洋鹽度分析實(shí)驗(yàn)。十八年前，STS-77把航天飛機(jī)的許多功能整合為一體開展科學(xué)試驗(yàn)，為未來的國際空間站（ISS ）的研究工作指明了方向。

圖4 Endeavour號(hào)航天飛機(jī)由改裝的波音747客機(jī)運(yùn)到Kennedy空間中心

圖5 航天飛機(jī)發(fā)射起飛瞬間圖像（從左到右分別為哥倫比亞號(hào)、挑戰(zhàn)者號(hào)、發(fā)現(xiàn)號(hào)、亞特蘭蒂斯以及奮進(jìn)號(hào)）

圖6 加拿大研制的航天飛機(jī)的遙控操作系統(tǒng)（RMS）機(jī)械手臂

Runco釋放飛行器SPARTAN-207的2個(gè)小時(shí)后，“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)宇航員遙控SPARTAN-207飛行器完成了空間充氣展開天線試驗(yàn)IAE（Inflatable Antenna Experiment），該充氣展開天線由總部位于美國加利福尼亞州洛杉磯地區(qū)Tustin市的L’Garde公司和美國國家航空航天局NASA下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL（Jet Propulsion Laboratory）于1988年聯(lián)合研制。該充氣展開天線的是一種拋物面式反射天線，拋物面由一種聚酯薄膜材料制成，天線展開的寬度為14米，拋物面天線的反射面位于三個(gè)可充氣展開框架支撐桿的頂端。試驗(yàn)的目的是在空間微重力環(huán)境下，驗(yàn)證大型空間充氣展開結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性以及功能特性。自1971年，L’Garde公司就開始嘗試空間薄膜、多任務(wù)氣球的研發(fā)，相關(guān)產(chǎn)品包括為美國國防部研制導(dǎo)彈誘餌薄膜氣球。工程技術(shù)人員很早就認(rèn)識(shí)到，體積相當(dāng)?shù)某錃庹归_結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)，前者的重量要比后者小得多，由此可以大幅度節(jié)省航天任務(wù)的發(fā)射成本。L’Garde公司的創(chuàng)立者兼公司副總裁Alan Hirasuna后來接受媒體采訪時(shí)曾說，充氣展開天線的成本為1400萬美元，而同等規(guī)模的實(shí)體結(jié)構(gòu)天線成本則為2億美元，顯然充氣展開天線的成本僅僅是常規(guī)結(jié)構(gòu)天線成本的零頭。而充氣展開天線的結(jié)構(gòu)緊湊，重量只有60公斤，因此，可以利用小型運(yùn)載火箭將充氣展開天線運(yùn)送到近地軌道空間。

圖7 SPARTAN-207飛行器釋放并展開空間充氣展開天線

在美國東部時(shí)間1996年5月20日上午9點(diǎn)38分，美國“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)的6名宇航員注視著能夠監(jiān)測(cè)到艙外空間天線充氣展開的視頻，SPARTAN-207飛行器首先遙控充氣展開天線的三個(gè)框架支撐桿，每個(gè)支桿由芳綸復(fù)合材料制成，支桿表面涂有氯丁橡膠涂層，三個(gè)框架支撐桿完全充氣展開后的長(zhǎng)度為28米。支撐桿安裝有加壓氮?dú)夤?，利用高壓氮?dú)鈮毫ψ饔?，只需?分鐘就可以展開寬度為14米的拋物面式反射天線，天線的頂面和底面是銀色反射面，由此在隨后的90分鐘里，宇航員能夠清晰地觀測(cè)并記錄到空間天線充氣展開的全部過程，空間充氣展開天線展開過程如圖7所示。宇航員利用記錄照射天線拋物面的反射光來精確測(cè)量拋物面的平滑度。空間天線充氣展開完成后，SPARTAN-207飛行器將空間充氣展開天線釋放到軌道空間。隨后宇航員Casper啟動(dòng)奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)的小推力發(fā)動(dòng)機(jī)（推力器）“點(diǎn)火”工作，使奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)機(jī)動(dòng)到SPARTAN-207飛行器的“前方”和“上方”位置處。在隨后的兩天時(shí)間里，“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)與SPARTAN-207飛行器之間保持90～110千米之間的距離。

圖8 F-100 super Sabre（超級(jí)軍刀）戰(zhàn)斗機(jī)

圖9 F-4 Phantom（鬼怪戰(zhàn)斗機(jī)）

本次STS-77航天任務(wù)對(duì)每位航天員來說取得了巨大成功，其中Casper和Runco兩位航天員是第二次合作完成航天飛機(jī)空間試驗(yàn)任務(wù)?？哲娚闲ohn Howard Casper于1943年7月9日出生在美國S.C州的Greenville市，這是他第四次執(zhí)行航天飛機(jī)空間試驗(yàn)任務(wù)。Casper在家鄉(xiāng)高中畢業(yè)后，進(jìn)入美國空軍學(xué)院學(xué)習(xí)工程學(xué)， 1966年畢業(yè)獲得學(xué)士學(xué)位，隨后考入美國Purdue大學(xué)學(xué)習(xí)航天學(xué)，1968年畢業(yè)獲得碩士學(xué)位。隨后Casper加入美國空軍，并在美國Texas州Reese空軍基地接受飛行訓(xùn)練，學(xué)習(xí)駕駛F-100 super Sabre（超級(jí)軍刀）戰(zhàn)斗機(jī)，如圖8所示。隨后參加越戰(zhàn)，期間執(zhí)行了200多次戰(zhàn)斗任務(wù)。越南戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，Casper回到美國繼續(xù)在空軍服役，駕駛F-100超級(jí)軍刀戰(zhàn)斗機(jī)以及F-4 Phantom（鬼怪）戰(zhàn)斗機(jī)，如圖9所示。Casper曾作為英國空軍的交換飛行員，在英國皇家空軍Lakenheath基地?fù)?dān)任戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)聯(lián)隊(duì)飛行員。后來Casper在美國Edwards空軍基地試飛員學(xué)校學(xué)習(xí)，1974年畢業(yè)后擔(dān)任F-4戰(zhàn)斗機(jī)測(cè)試大隊(duì)主任，負(fù)責(zé)武器投放和航空電子設(shè)備的測(cè)試工作。隨后Casper擔(dān)任美國國防部擔(dān)任特殊項(xiàng)目辦公室副主任，負(fù)責(zé)根據(jù)冷戰(zhàn)時(shí)期的形勢(shì)要求，推演戰(zhàn)略空軍的任務(wù)、作用、結(jié)構(gòu)以及運(yùn)作概念。1990年2月，Casper擔(dān)任STS-36航天任務(wù)的飛行員，STS-54和STS-62航天任務(wù)的指令長(zhǎng)。

航天員Mario Runco Jr是美籍意大利人，他非凡的航天職業(yè)生涯起步于州警察局值班騎警，隨后是海軍海洋學(xué)家和氣象學(xué)家。1952年1月26日，Runco生于美國紐約Bronx區(qū)，因?yàn)镽unco長(zhǎng)得非常像電視劇《星級(jí)航行》中的主角Mr. Spock，由此在美國國家航空航天局NASA工作期間引發(fā)許多與此有關(guān)的軼事。Runco先在紐約城市學(xué)院學(xué)習(xí)天文學(xué)，1974年大學(xué)畢業(yè)后考入美國Rutgers大學(xué)，攻讀大氣物理學(xué)碩士學(xué)位，期間他用了兩年時(shí)間研究水文學(xué)，并為美國地質(zhì)調(diào)查局勘定長(zhǎng)島的地下水資源。1977年，Runco加入美國New Jersey州警察局，在一年多的時(shí)間里擔(dān)任州警察局值班騎警，1978年6月，Runco加入美國海軍。Runco多學(xué)科的教育背景和寬廣的知識(shí)面，使得他的職業(yè)生涯也由此豐富多彩，先在美國海軍海洋和大氣研究實(shí)驗(yàn)室研究氣象學(xué)，1981～1983，在美國海軍Nassau號(hào)航母擔(dān)任氣象官員，如圖10所示。后被任命為美國海軍水面艦艇作戰(zhàn)官，隨后在美國海軍研究生院實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任講師，期間隨美國海軍Chauvenet號(hào)測(cè)量船在Java海和Indian洋開展水文地理學(xué)和海洋學(xué)調(diào)查研究工作，如圖11所示。1987年6月，Runco被美國國家航空航天局NASA挑選為宇航員，Runco在州警察局值班騎警的職業(yè)背景給他在NASA有了“騎兵”的綽號(hào)，Runco有兩次航天飛機(jī)飛行試驗(yàn)經(jīng)歷，第一次是作為乘務(wù)員執(zhí)行STS-44空間試驗(yàn)任務(wù)，第一次是和Casper 合作執(zhí)行STS-54空間試驗(yàn)任務(wù)。

圖10 美國海軍Nassau號(hào)航母擔(dān)

圖11 美國海軍Chauvenet號(hào)測(cè)量船