航天飛機： 輝煌一個時代的

■ 梁曉鵬

航天飛機是為人類太空飛行任務(wù)而開發(fā)并運行的一種集火箭發(fā)射、軌道飛行器及攜帶標準組件的再入太空飛機為一體的可重復使用發(fā)射系統(tǒng)。（通常所說的航天飛機只是其中的軌道飛行器，有點用詞不當。）迄今為止，只有美國與蘇聯(lián)有能力制造能進入近地軌道的航天飛機，并曾實際成功發(fā)射并回收。蘇聯(lián)解體后，相關(guān)的設(shè)備由哈薩克斯坦接收，但由于經(jīng)費不足致使航天計劃陷入停頓。目前，世界上只有美國的航天飛機可以實際使用并執(zhí)行任務(wù)。

美國研制的航天飛機執(zhí)行美國航空航天局、美國國防部、歐洲航天局、日本以及德國的軌道飛行任務(wù)，發(fā)射地均為佛羅里達州的肯尼迪太空中心。按計劃，該系統(tǒng)在完成發(fā)射135次任務(wù)之后于2011年卸任，主要任務(wù)包括發(fā)射衛(wèi)星和星際探測器、執(zhí)行太空科學實驗、保養(yǎng)并建設(shè)空間站等。該系統(tǒng)總共有五個軌道飛行器：“哥倫比亞”號、“挑戰(zhàn)者”號、“發(fā)現(xiàn)”號、“亞特蘭蒂斯”號和“奮進”號。

航天飛機發(fā)射時由外艙、固體燃料助推器和搭載宇航員及輜重的軌道飛行器組成。它在二個助推器和三個主引擎的作用下升空，使用的燃料為裝載于外艙的液態(tài)氫和氧。航天飛機二級升空，起飛到達一定高度時助推器被拋入大海，供回收再利用。軌道器和外艙借助主引擎動力繼續(xù)升空，速度達到7.8千米/秒時主引擎關(guān)閉，進入近地軌道，外艙被拋向大氣層燒毀，軌道操作系統(tǒng)引擎可用來調(diào)整軌道。

航天飛機通常搭載7人，可載重量20多噸。軌道器頂端順長設(shè)置帶門貨艙，因此可以裝卸像哈勃空間望遠鏡之類的大號衛(wèi)星，也方便將大量貨物帶回地球。

航天飛機的設(shè)計及建造早在20世紀70年代就已開始，其概念在“阿波羅”計劃之前就已形成。1954年，美國國家航空咨詢委員會將其作為一個實驗項目由瓦爾特·道恩伯格提出，代號為X－15。這一項目到1958年發(fā)展為另一X系列飛船議案，稱為X－20，但沒有執(zhí)行，取而代之的是1966年提交的HL－10。值得注意的是，它們都挑選阿姆斯特朗做領(lǐng)航。

20世紀60年代中期，美國空軍開始秘密研究新一代太空運載系統(tǒng)，認為最廉價的選擇是部分再利用。經(jīng)過反復醞釀、討論和競爭，最后提出一種由大助推器和小軌道器組成的二級驅(qū)動系統(tǒng)，稱為DC－3。1969年尼克松總統(tǒng)決定實施航天飛機研制計劃，1973年在比利時召開的歐洲部長會議批準了西歐載人航天計劃和太空站項目，直接促成了航天飛機的誕生。

航天飛機是第一批重復使用的軌道飛行器，往返于地球與太空及國際空間站之間，執(zhí)行運送、回收和維修保養(yǎng)等任務(wù)。它的核心因素為運載商用和軍用衛(wèi)星的能力，設(shè)計壽命為100次發(fā)射和10年運營，總設(shè)計人是馬克西姆·費格特。航天飛機的各個部件分工負責，肯尼迪太空中心負責赤道環(huán)行的發(fā)射、著陸和轉(zhuǎn)向，美國空軍范登伯格基地負責環(huán)行二極的發(fā)射、著陸和轉(zhuǎn)向，林頓·約翰遜太空中心為飛行操作中心，馬歇爾太空飛行中心負責主引擎、外艙和火箭助推器，史泰尼斯太空中心處理主引擎試驗，高達太空中心負責全球跟蹤網(wǎng)絡(luò)。

航天飛機最早使用可靠的計算機化半自動數(shù)碼飛行控制系統(tǒng)，使用的是類似PL/I的高級語言HAL/S，共五臺相同冗余共用IBM32比特AP－101計算機。其中四臺同步運行初級航空電子軟件系統(tǒng)，即使二臺出現(xiàn)失誤，立即會被清除；如果四臺都出現(xiàn)故障，第五臺飛行備份系統(tǒng)就會啟動。這樣設(shè)計的目的是：若出現(xiàn)一次故障，航天器可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，出現(xiàn)二次故障，仍可安全著陸。1990年，原來的主機被更換，升級為AP－101S，增大了儲存量和數(shù)據(jù)處理速度。

航天飛機研制于20世紀70年代，經(jīng)過多次升級和調(diào)整，性能、可靠性及安全性能都得到改善。從航天器內(nèi)部看，除了航空電子計算機之外，與原來設(shè)計大體相似。原來的模擬首航儀器更換為現(xiàn)代全色平板顯示器，像空中巴士A380和波音777那樣。隨著國際空間站的建立，軌道器的內(nèi)部氣閘更換為外部對接系統(tǒng)，這樣便可儲存更多的貨物以備后用。

航天飛機發(fā)射的氣候條件包括降水、溫度、濕度、云層、閃電預報及風力，當然也不限于這些。航天飛機的主要材料是鋁，它可以保護飛船內(nèi)部系統(tǒng)，但起飛時尾部排出的煙柱直通地面形成接地，因而會誘發(fā)閃電，因此只要有閃電的可能，就得取消發(fā)射。即便已經(jīng)進入倒計時狀態(tài)，只要發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵性問題，控制中心的地面發(fā)射定序器也會停止計數(shù)而終止發(fā)射。

航天飛機一旦進入運行軌道，就開始作業(yè)，往往多個任務(wù)同時進行。20世紀八九十年代多為空間站任務(wù)，或發(fā)射各種衛(wèi)星及科學探測器；世紀之交其重心轉(zhuǎn)移到維護空間站，發(fā)射衛(wèi)星的次數(shù)減少。大多數(shù)任務(wù)需要在軌停留數(shù)天至半個月。

航天飛機再入的整個過程基本上是由計算機自動控制，當然在緊急或意外情況下也可以人工操作；接近和著陸階段可以自動操作，但通常是人工控制。軌道操作系統(tǒng)引擎點火后，機尾向前，離開軌道大約3分鐘，航天飛機速度降到大約322千米/小時，其結(jié)果是航天飛機降低近地點而進入大氣層，開始滑翔飛行和水平著陸階段。

著陸后，航天飛機必須在跑道停留幾分鐘以便冷卻，工作人員檢測首尾是否有氫、肼、甲肼、二氧化氮和氨。一旦發(fā)現(xiàn)氫，立即進入應(yīng)急狀態(tài)，馬上關(guān)機并撤出該區(qū)域。40分鐘～60分鐘之后，由25種特制儀器和150名熟練工程師及技術(shù)人員組成的護衛(wèi)隊到達現(xiàn)場，通過凈化和通風管道清除燃料管道和貨艙的有毒氣體。飛行醫(yī)護人員登機對機組人員進行離艙前的初步檢查。機組人員出艙后，航天飛機轉(zhuǎn)運到肯尼迪太空中心，準備再次發(fā)射。

航天飛機的理想著陸地是肯尼迪太空中心。如果氣候不利，可推遲降落，當然也可降落在別處，但必須由航天器運載機背回卡納維拉爾角。

航天飛機 飛行次數(shù) 飛行日數(shù) 飛行圈數(shù) 最長飛行哥倫比亞 28 300日17小時46分鐘42秒 4808 17日15小時53分鐘18秒挑戰(zhàn)者 10 62日07小時00分鐘00秒 5830 15日02小時48分鐘08秒亞特蘭蒂斯 32 282日00小時56分鐘15秒 995 08日05小時23分鐘33秒發(fā)現(xiàn) 39 365日00小時奮進 24 280日09小時00分鐘28秒 4602 13日20小時12分鐘44秒39分鐘44秒 4429 16日15小時08分鐘48秒

對于航天飛機來說，致命因素包括：軌道微型流星碎片，主引擎災難性故障，固體火箭失靈，攀升產(chǎn)生的殘片撞擊熱保護系統(tǒng)，機組人員登陸失誤，高壓容器故障等。2011年年初，美國航空航天局的風險評估研究表明，操作航天飛機的風險不容低估，但隨著安全系統(tǒng)的改善，事故發(fā)生率從先前的1/9下降到后來的1%。

隨著科技的發(fā)展，美國決定終止航天飛機計劃，這是由多方面的原因造成的。在航天飛機服役的數(shù)十年中，設(shè)計者最初設(shè)想的以航天飛機大載荷、可重復使用等特點來節(jié)約經(jīng)費的目的并沒有達到，因為航天飛機的自重、回收后必須徹底檢修等原因，航天飛機運載453克物資的花費達到2萬美元！而且航天飛機最初100次飛行任務(wù)的設(shè)計壽命根本不可能達到，目前執(zhí)行任務(wù)最多的是“發(fā)現(xiàn)”號，也只完成了39次。

在美國新的航天器誕生之前，宇航員只能通過俄羅斯的航天器往返于國際空間站。20世紀八九十年代，美國曾計劃研制第二代航天飛機。進入21世紀后，美國航空航天局開始研制新的航天器，不但計劃搭載游客并向國際空間站運送物資，而且還超越了環(huán)地軌道飛向月球和火星。這個航天器的概念后來演化為“獵戶座”號太空飛船，這個項目也被命名為“星座”計劃。美國航空航天局原計劃于2010年之前啟動“星座”計劃，但是2010年2月，奧巴馬總統(tǒng)的美國政府提議不再使用公共資金進行“星座”計劃，并把這個負擔推給了私營企業(yè)。2010年10月11日，美國航空航天局授權(quán)法的簽訂取消了“星座”計劃，這標志著航天飛機退役時將會留下一個空白。

此外，還有一個名為HLV的項目在利用航天飛機發(fā)射系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上計劃研制一種高重量級的發(fā)射器，按照設(shè)計可以將載重90噸的航天器送入近地軌道，其成本將是“星座”計劃1/5，到2015年可以完成。