別了，航天飛機(jī)

今年8月21日，美國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)完成了為期13天的太空飛行任務(wù)后，在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心安全著陸。這是“奮進(jìn)”號(hào)的第20次太空飛行，也是美國(guó)5架航天飛機(jī)的總計(jì)排序的第117次飛行。由于航天飛機(jī)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，故而它的每次發(fā)射和返回都引起了國(guó)際輿論的廣泛關(guān)注。不過，也許幾年之后，人們就只能在航空博物館里一睹其身影，傾聽它們充滿傳奇與悲傷的故事了。

研制航天飛機(jī)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(jī)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。20世紀(jì)70年代至80年代，美國(guó)、蘇聯(lián)、法國(guó)、日本等國(guó)相繼研制航天飛機(jī)，由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等問題，到目前為止，只有美國(guó)和蘇聯(lián)制造了航天飛機(jī)，而真正投入使用的僅有美國(guó)。

航天飛機(jī)是載人航天器突破一次性使用的慣例而進(jìn)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(diǎn)是綜合運(yùn)用了火箭、航天器和飛機(jī)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(jìn)行航天飛行，又能像飛機(jī)一樣下滑和著陸。

航天飛機(jī)外形類似于普通飛機(jī)，在完成航天飛行任務(wù)后，能在一般機(jī)場(chǎng)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(yùn)用航天技術(shù)；而在再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(jìn)、最復(fù)雜的載人飛行器。

1981年4月12日，世界上第一架完全自主飛行的航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)試飛成功。它在航天員約翰·揚(yáng)和羅伯特·克里平的駕駛下進(jìn)入距地面277千米的近地圓形軌道，環(huán)繞地球飛行了36圈，航程160.9萬千米，歷時(shí)54小時(shí)30分鐘。到1982年11月11日“哥倫比亞”號(hào)的第5次飛行時(shí)，它便開始執(zhí)行商業(yè)搭載任務(wù)了，把美國(guó)和加拿大的兩顆總重6噸的衛(wèi)星送上了太空。

繼“哥倫比亞”號(hào)之后，美國(guó)依次投入使用的航天飛機(jī)是：1983年首飛的“挑戰(zhàn)者”號(hào)、1984年首飛的“發(fā)現(xiàn)”號(hào)、1985年首飛的“阿特蘭蒂斯”號(hào)和1992年首飛的“奮進(jìn)”號(hào)。1986年1月28日“挑戰(zhàn)者”號(hào)爆炸，2003年2月1日“哥倫比亞”號(hào)墜毀，目前只剩下其他3架航天飛機(jī)。

由三大部分組裝而成

美國(guó)的航天飛機(jī)由軌道器、兩個(gè)固體火箭助推器、推進(jìn)劑外掛貯箱3部分組成，起飛總質(zhì)量為2022噸。飛機(jī)全長(zhǎng)56米，高23米，通常可乘坐6－8人，飛行時(shí)間為一周至一個(gè)月。它豎立在發(fā)射臺(tái)上時(shí)，兩個(gè)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(gè)龐大的飛蛾趴在柱子上。

軌道器是進(jìn)入軌道飛行和返叫地球的裝置，形同飛機(jī)，長(zhǎng)為37.2米，翼展為23.8米，重68噸，從前至后分為駕駛艙、貨艙、動(dòng)力服務(wù)艙3段，能把29.5噸重的有效載荷送上185－1100千米的繞地軌道，并可以從太空運(yùn)回14.5噸的貨物。著陸時(shí)，軌道器一般重約96.2噸。后艙尾部裝有3臺(tái)液氫液氧燃料的主發(fā)動(dòng)機(jī)，它們每次工作約8.5分鐘，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45米，每個(gè)重585噸，由4節(jié)直徑為3.66米的柱形無縫鋼管筒連接而成，里面澆鑄著固體推進(jìn)劑。發(fā)射時(shí)，它們與軌道器的3臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)一起點(diǎn)火，總推力約3140噸。兩個(gè)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(diǎn)火工作兩分鐘后，同時(shí)關(guān)機(jī)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，由回收船回收，重新充填推進(jìn)劑后供下次再用。

推進(jìn)劑外掛貯箱，直徑8.4米，高47米，是一個(gè)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噸液氫和600噸液氧，同時(shí)分別為3臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑。航天飛機(jī)起飛約8.5分鐘后，3臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，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(dòng)機(jī)、姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下，進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行。正因?yàn)橥七M(jìn)劑外掛貯箱是一次性使用的，故稱航天飛機(jī)為部分重復(fù)使用的航天器。

優(yōu)越性能和主要貢獻(xiàn)

航天飛機(jī)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(jìn)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：一是能在太空直接施放近地軌道衛(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(jìn)行修理：四是可將高軌道衛(wèi)星送入近地軌道，然后啟動(dòng)衛(wèi)星本身攜帶的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)讓它進(jìn)入高軌道；五是可在近地軌道釋放深空探測(cè)器，使后者依靠本身攜有的動(dòng)力裝置進(jìn)入預(yù)定軌道遠(yuǎn)航；六是載人數(shù)量多，單獨(dú)飛行時(shí)間長(zhǎng)；七是可運(yùn)載多種精密儀器，在太空開展科學(xué)試驗(yàn)；八是可將太空艙段送入近地軌道，并進(jìn)行在軌組裝；九是可與空間站對(duì)接進(jìn)行聯(lián)體飛行，接送航天員和各種物品等。

5架航天飛機(jī)的輪番飛行取得了突出的成就，共向近地空間運(yùn)送了近150萬千克的物資和633人次的乘客。在載人航天器中，它是運(yùn)載航天員進(jìn)入太空人次最多的一種。航天員共計(jì)在航天飛機(jī)上拖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(hào)金星探測(cè)器、伽利略號(hào)木星探測(cè)器、尤利西斯號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器等，還進(jìn)行了繩系衛(wèi)星的發(fā)電試驗(yàn)。它們6次運(yùn)載組件飛赴建設(shè)中的國(guó)際空間站，使空間站具備了航天員長(zhǎng)期居住和工作的基本條件。

航天飛機(jī)在太空特殊條件下開展了地面無法實(shí)現(xiàn)的多種科學(xué)試驗(yàn)。由中國(guó)科學(xué)院電工所和中國(guó)運(yùn)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(hào)航天飛機(jī)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(jī)把航天器送入太空軌道的費(fèi)用僅是地面起飛一次性使用的運(yùn)載火箭費(fèi)用的1／3或一半。如果將發(fā)射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(fèi)用，并避免了大量周折時(shí)間。

兩次機(jī)毀人亡的大悲劇

1986年1月28日，“挑戰(zhàn)者”號(hào)從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射進(jìn)行第10次飛行時(shí)，開始一切正常，誰知升空73秒后，突然一聲爆炸，出現(xiàn)了機(jī)毀人亡的悲慘景象，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(jī)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(jì)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(jìn)劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰漏射出來。溫度高達(dá)3000多攝氏度的火焰越竄越長(zhǎng)，最后加熱了推進(jìn)劑外掛貯箱，引起了液氫箱和液氧箱劇烈爆炸，航天飛機(jī)瞬間被炸成碎片，造成了空前悲劇。本來計(jì)劃在太空授課的女教師克麗斯塔·麥考利夫也一同罹難。

事過17年之后的2003年2月1日，“哥倫比亞”號(hào)在第28次飛行的返回地面途中，于德克薩斯州上空63千米處突然解體，7名航天員全部遇難。令人痛心和遺憾的是，事故發(fā)生在它邀游太空16天后，離回家僅差16分鐘的時(shí)間。

經(jīng)事故調(diào)查委員會(huì)的全面分析認(rèn)為，造成“哥倫比亞”號(hào)失事的直接原因是該機(jī)1月16日發(fā)射升空81.7秒后，推進(jìn)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(jī)左翼前緣的熱保護(hù)系統(tǒng)形成裂孔。“哥倫比亞”號(hào)在太空運(yùn)行時(shí)，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(shí)由于摩擦產(chǎn)生的氣動(dòng)加熱使受損部位溫度高達(dá)1300～1600℃，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”失事的教訓(xùn)，美國(guó)航天專家對(duì)外掛貯箱的泡沫材料作了改進(jìn)，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(hào)飛行、一次“阿特蘭蒂斯”號(hào)飛行和一次“奮進(jìn)”號(hào)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(jī)要害部位而己。正因如此，今年8月份搭乘“奮進(jìn)”號(hào)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(shí)現(xiàn)的夙愿。

“暴風(fēng)雷”號(hào)的悲慘命運(yùn)

1988年11月15日，蘇聯(lián)耗資100億美元研制的“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)從拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)射騰空，在距離地面250千米的圓形軌道上繞地飛行兩圈歷時(shí)3個(gè)多小時(shí)后順利返回，完成了原設(shè)計(jì)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(hào)與美國(guó)航天飛機(jī)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(hào)軌道器未裝主發(fā)動(dòng)機(jī)，服務(wù)艙攜有兩臺(tái)小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，幫助其自身最終進(jìn)入預(yù)定軌道飛行。它的主發(fā)動(dòng)機(jī)是安裝在能源號(hào)運(yùn)載火箭上的。

能源號(hào)運(yùn)載火箭由芯級(jí)和周圍捆綁的4個(gè)助推器組成。4個(gè)以煤油和液氧為推進(jìn)劑的液體火箭助推器組成第一級(jí)，工作完畢分離后乘降落傘墜地，可以回收重復(fù)使用。芯級(jí)為第二級(jí)，由4臺(tái)以液氫和液氧為推進(jìn)劑的液體火箭組成，僅能一次使用，其作用相當(dāng)于美國(guó)航天飛機(jī)軌道器攜帶的3臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)。回收的第一級(jí)重新加注推進(jìn)劑后，再配上新的第二級(jí)，不僅可以再次發(fā)射總質(zhì)量為2400噸的“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)，還可以發(fā)射其他大型航天器，能夠一箭多用，這是優(yōu)于美國(guó)航天飛機(jī)之處。

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

航天飛機(jī)造價(jià)昂貴，耗資龐大，沒有雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力是難以為繼的。俄羅斯雖然有技術(shù)水平，卻無財(cái)力支撐，致使“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)終未能逃脫被廢棄的厄運(yùn)。1996年7月，一架“暴風(fēng)雪”號(hào)樣機(jī)被運(yùn)到莫斯科高爾基公園建成了娛樂中心，但因管理不善，還遭遇過一場(chǎng)火災(zāi)，最后變得破爛不堪。

“奧賴恩”將代替航天飛機(jī)

美國(guó)航天飛機(jī)推進(jìn)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(hù)層。由于航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)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(xiǎn)情況，故而目前的飛行仍具有一定的冒險(xiǎn)性。有鑒于此，美國(guó)宇航局已經(jīng)決定，在2010年建成國(guó)際空間站之后，讓已有的航天飛機(jī)全部退役。在此期間，3架航天飛機(jī)大約還要進(jìn)行11次飛行。

代替航天飛機(jī)的載人航天器，將是名為“奧賴恩”的新一代可重復(fù)使用的乘員探索飛行器。這原本是美宇航局根據(jù)美國(guó)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(jìn)軍太空計(jì)劃而研究的載人航天器，在其載人登月之前，先作為近地軌道載人航天器使用。

早在2005年7月23日，美國(guó)眾議院就通過議案，要求盡可能接近2010年的時(shí)候發(fā)射乘員探索飛行器。但美國(guó)宇航局透露的消息說，這種飛行器首次載人飛抵國(guó)際空間站的時(shí)間將不早于2012年。今年初，美國(guó)宇航局“奧賴恩”項(xiàng)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(píng)審，為這種載人飛船的設(shè)計(jì)、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(yùn)送航天員。

“奧賴恩”飛船將用美國(guó)新研制的戰(zhàn)神1運(yùn)載火箭發(fā)射到近地軌道運(yùn)行，并能與國(guó)際空間站進(jìn)行對(duì)接，完成太空飛行任務(wù)后再返回地面。它一次可以運(yùn)載6名航天員，完全可以完成航天飛機(jī)飛往國(guó)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(hào)載人飛船要大得多，且在近地軌道上飛行也比航天飛機(jī)更為安全。至于“奧賴恩”載人飛往月球的時(shí)間，美國(guó)計(jì)劃安排在2020年，那時(shí)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(shí)候?qū)⒂眯滦蛻?zhàn)神5運(yùn)載火箭發(fā)射升空。

在2010年至2013年之間，航天飛機(jī)退役，“奧賴恩”飛船尚未問世，接送國(guó)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(yùn)飛船來解決了。“神舟”號(hào)飛船雖有這方面的能力，但由于我國(guó)不是國(guó)際空間站的參建國(guó)，所以有力用不上。何況，我國(guó)還要實(shí)現(xiàn)載人航天的第二步和第三步計(jì)劃，同時(shí)實(shí)施“嫦娥工程”，繼續(xù)鑄就自己的太空輝煌。

責(zé)任編輯 龐 云