淺談航天飛機
2003-12-29 00:00:00肖業倫
中國科技術語 2003年1期
今年2月1日，世界上第一架航天飛機，美國的Columbia（哥倫比亞號）在返回地球途中解體，7名航天員遇難，這一震驚世界的悲劇，引起了世人對航天飛機的密切關注。本文簡要介紹一下航天飛機。
航天飛機是往返于地面和太空軌道之間運轉旅客、給養或設備的飛行器。在上世紀60年代Apollo（阿波羅）登月工程接近完成時，美國NASA（國家航空航天局）就尋求美國航天計劃的未來發展。當時把航天員和設備送上太空的火箭都是一次性使用的。于是可重復使用的航天器，即“航天飛機”（spaceshuttle）的概念想法就提出了。1972年Nixon（尼克松）總統宣布開發可重復使用的航天飛機，即太空運輸系統（STS）的計劃。NASA決定航天飛機由軌道器、固體火箭助推器和外置燃料箱組成，因為這個方案是比較安全和經濟的。
經過許多年的試驗，美國建造了四架航天飛機，分別命名為Columbia、Discovery（發現號）、Atlantis（阿特蘭蒂斯號）和Challenger（挑戰者號）。1981年4月Columbia航天飛機由航天員JohnYoung和RobertCrippen駕駛進行了第一次成功的飛行。隨后其他航天飛機也相繼進行了飛行。1986年Challenger航天飛機發生爆炸，此后又建造了Endeavour（奮進號）航天飛機來替代Challenger。
航天飛機的預期壽命是100次飛行。迄今航天飛機已經歷了許多次設計修改，其目的是更加安全，運載能力更大。
一、航天飛機的構成
航天飛機的總長度①是56m，翼展是24m。起飛總質量是2000t。航天飛機由以下三個部分組成（圖1）：固體火箭助推器（2個）、外置燃料箱、軌道器。
固體火箭助推器2個。在升空初期提供推力。長度46m，直徑3.7m，質量590t。推力11700kN，在升空中占總推力的71%。在使用后分離出去，依靠降落傘減速，降落在海上，可以回收再用。
外置燃料箱。儲存主發動機所需的燃料。長度48m，直徑8.4m，總容積2×106L，可容納燃料719t。箱內分隔成兩部分：前儲箱容納液體氧，后儲箱容納液體氫。采用渦輪泵式輸送系統。在使用后被拋棄，最后在大氣中燒毀。
軌道器（orbiter）。航天飛機的主體。外形像飛機（圖2）。在固體火箭助推器和外置燃料箱分離出去以后，航天飛機就是軌道器。所以往往也把軌道器叫做航天飛機。它主要由以下幾部分組成。
1.機身。分為前機身、中機身和后機身三段。
2.機翼、垂直尾翼、舵面。
3.航天員艙。位于前機身，容積為74m3，可容納至多8名航天員。
4.主發動機。是液體火箭發動機，共3臺。位于后機身，安裝在球形接頭上，可調節推力方向，控制飛行。每臺發動機長4.3m，直徑2.3m，質量3040kg。燃料是液體氧和液體氫。燃燒產物水蒸氣以2780m/s的速度排出。每臺發動機的推力是1668~2091kN。為航天飛機升空提供29%的推力。在固體助推器分離后，主發動機繼續工作，直到把軌道器送入軌道，隨后外置燃料箱就脫離。
5.軌道機動系統2個。在軌道器的后段，尾翼的兩側。該系統使軌道器精確進入軌道，進行軌道機動以及在最后使軌道器減速而脫離軌道。它們也是液體火箭發動機，利用氦氣將燃燒劑和氧化劑從各自的儲箱擠壓到燃燒室，一接觸就自動燃燒。每個軌道機動系統可產生推力26400N。可以起動和關機1000次，總工作時間可達15小時。
6.反作用控制組件。在前機身和后機身各有一個，互相配合工作，實現軌道器姿態控制或軌道微調。由38個固定噴嘴和6個游動噴嘴組成。可控制軌道器移動以及滾轉、俯仰和偏航轉動。
由于當航天飛機（軌道器）返回過程中，再入大氣層時速度非常高，Mach（馬赫）數高達20，產生的溫度高達1650℃，為了保護航天飛機的結構和航天員，航天飛機的表面覆蓋了陶瓷絕熱材料，俗稱絕熱瓦。
二、航天飛機的運行過程
航天飛機一次飛行任務的時間是7~14天，必要時可以延長。典型的飛行任務分為三個主要階段。
第一階段：發射和入軌。
1.在發射臺上預先點燃主發動機（液體火箭發動機）。當點燃固體火箭助推器時，總推力才超過重力，此時航天飛機離開發射臺上升。
2.升空20秒，航天飛機轉身，達到滾轉角180°，俯仰角78°。
3.升空2分，固體火箭分離出去（此時高度45km），打開降落傘，降落在海上，將回收再用。
4.升空8.5分，主發動機關機。
5.升空9分，外置燃料箱被拋棄（將在再入大氣層過程中燒毀）。從此以后，航天飛機就是軌道器。
6.升空10.5分，軌道機動發動機開動，使航天飛機進入低軌道。
7.升空45分，軌道機動發動機再次開動，使航天飛機進入較高的圓軌道。
第二階段：在軌道上執行任務階段。
航天飛機的典型軌道參數是：軌道高度350~650km，軌道傾角（即軌道平面與地球赤道平面之間的角）39°~51.6°。航天飛機可執行的任務包括：進行科學實驗、對地球和天體觀測、向太空站運送人員和物資、釋放衛星、回收失效的衛星，修理其他航天器（例如Hubble(哈勃)太空望遠鏡）等。在執行這些任務時要進行許多次軌道機動和姿態機動。在正常情況下航天飛機的姿態是：機頭向前，艙頂在下（近地球）。
第三階段：返回和著陸。
在完成任務后航天飛機返回和著陸是十分復雜的過程。
1.在離著陸場（Kennedy航天中心）大約半圈軌道距離時，地面控制中心發出返回指令。
2.把飛機的姿態轉成尾部向前，并開動軌道機動發動機，使航天飛機減速，從而離開運行軌道，進入返回軌道（這個動作叫做離軌）。
3.經過大約25分，航天飛機到達大氣上層。再次改變姿態，使得頭部向前，且具有40°俯仰角。
4.在大氣中航天飛機能像飛機-滑翔機那樣（沒有動力）飛行，由機載計算機控制飛行。
5.當航天飛機距離著陸場225km（高度45.7km）時，捕獲到無線電信標，以后就由機長控制飛行，他要把航天飛機保持在一個直徑為5.5km的虛擬管道內，因而能對準跑道。
6.在放下起落架后不久，航天飛機就觸地，除機輪剎車外，還利用垂直尾翼上的減速板和從尾部張開的減速傘，促使航天飛機停止。這樣整個飛行任務就完成了。
三、幾點思考
美國航天飛機的兩次大的災難性事故引發了人們對這類航天器的思考。目前，天地往返載人航天器有兩個基本的類型：美國的航天飛機是一類，俄羅斯的Soyuz（聯盟號）飛船是另一類。當然，全面地比較這兩類飛行器的優點和缺點是十分困難的。這里作者想談談粗淺的看法。
航天飛機是航空與航天技術圓滿結合的產物，是杰出的技術成就。
航天飛機的優點，第一是可部分重復使用。除外置燃料箱被拋棄和燒毀外，固體火箭助推器殼體可以回收再用，軌道器則返回地面，經過修理后可以重復使用，預計可以飛行100次。這樣就可以降低載人飛行的成本。但事實上航天飛機每次飛行后的維護和修理費用很高，所以經濟性并不像原來預期的那樣好。第二是承載能力大，可乘坐8名航天員，還能運送大量物資。而Soyuz飛船只能乘坐3名航天員。第三是具有強大的軌道機動能力，能執行許多功能任務。
航天飛機的缺點是構造太復雜，飛行過程也太復雜。這不僅造成研制費用的極其高昂，而且也引起可靠性的降低。這兩次重大事故的發生本身是偶然的，但是否也暗藏著某種必然性呢？
作者注：本文順便反映了作者關于處理外國人名、地名及飛行器名字的主張。作為嘗試，希望得到編者和讀者的理解。
①由于現有航天飛機型號不同，有些數據相互稍有差別，本文技術數據均為概數。
