航天飛機那些事兒

關(guān)禮

2014年10月9日，歐洲航天局對其歷史上首架航天飛機進行了最后的地面檢測。接下來，這架航天飛機將被運往法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空，進行亞軌道飛行測試。建造這架航天飛機歷時5年，花費1.5億歐元。它由高科技陶瓷和碳素纖維制成，長5米，寬2.2米，外形像一只運動鞋，大小如同一輛中型汽車。按照原定計劃，這架航天飛機本應(yīng)在2014年11月18日搭乘“織女星”小型運載火箭升空，前往距地面450千米的高度，進行亞軌道飛行。在飛行100分鐘后，航天飛機會以每小時2.8萬千米的速度在太平洋上空重返大氣層。它在墜入海中后，將由一艘船只回收（截至本文發(fā)稿時，未有該架航天飛機升空的消息）。

其實，歐洲航天局很早以前就計劃建造航天飛機。早在2013年，歐洲航天局就有一系列野心勃勃的計劃，其中包括派遣一批宇航員、建造“阿爾伯特·愛因斯坦”無人貨運飛船、打造可重復(fù)使用的航天飛機以及參與美國宇航局“獵戶座”多功能宇宙飛船的研制等。2013年的1月和2月，歐洲空間局就“阿麗亞娜”5型和6型火箭簽署相關(guān)協(xié)議和升級合同，并為“獵戶座”宇宙飛船提供服務(wù)模塊，該型飛船被美國宇航局寄予厚望，未來將攜帶宇航員執(zhí)行深空任務(wù)。同時據(jù)國外媒體報道，歐洲空間局還將自主研發(fā)類似美軍X-37B軌道測試飛行器的“迷你航天飛機”。

航天飛機簡介

航天飛機，又稱太空梭，是可重復(fù)使用的、往返于太空和地面之間的航天器，它結(jié)合了飛機與航天器的性質(zhì)，既能像火箭一樣垂直起飛，像太空飛船一樣在軌道上運行，又能像飛機一樣水平著陸。航天飛機一般可乘坐7名航天員，其中有3名機組人員，4名科學(xué)技術(shù)專家。航天飛機在軌道上運行時，可完成釋放衛(wèi)星、回收及維修衛(wèi)星、進行各種微重力科學(xué)實驗等多種任務(wù)。一般來說，航天飛機由軌道器、固體燃料助推火箭和外儲箱三大部分組成。

軌道器即航天飛機本身，它是整個系統(tǒng)的核心部分。軌道器是整個系統(tǒng)中唯一可以載人的、真正在地球軌道上飛行的部件，它很像一架大型的三角翼飛機。它的全長約37米，不帶有效載荷時質(zhì)量68噸，飛行結(jié)束后，攜帶有效載荷著陸的軌道器質(zhì)量可達(dá)87噸。軌道器所經(jīng)歷的飛行過程及其環(huán)境比一般飛機要惡劣得多，它既要有適于在大氣層中做高超音速、超音速、亞音速和水平著陸的外形，又要有返回大氣層時承受高溫的防熱系統(tǒng)。因此，它是整個航天飛機系統(tǒng)中，設(shè)計最困難、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、遇到的問題最多的部分。軌道器由前、中、尾三段機身組成。前段結(jié)構(gòu)可分為頭錐和乘員艙兩部分，頭錐處于航天飛機的最前端，具有良好的氣動外形和防熱系統(tǒng)，前段的核心部分是處于正常氣壓下的乘員艙。

航天飛機的中段主要是有效載荷艙。這是一個長18米，直徑4.5米，容積300立方米的大型貨艙，一次可攜帶質(zhì)量達(dá)29噸多的有效載荷，艙內(nèi)可以裝載各種衛(wèi)星、空間實驗室、大型天文望遠(yuǎn)鏡和各種深空探測器等。為了在軌道上施放所攜帶的有效載荷或回收軌道上運行的有效載荷，艙內(nèi)設(shè)有一或兩個自動操作的遙控機械手和電視裝置。機械手是一根很細(xì)的長桿，在地面上它幾乎不能承受自身的重量，但是在失重條件下的宇宙空間，卻可以迅速而靈活地裝卸10噸重的有效載荷。航天飛機的后段主要裝有3臺主發(fā)動機，尾段還裝有兩臺軌道機動發(fā)動機和反作用控制系統(tǒng)。

和宇宙飛船的區(qū)別

航天飛機和宇宙飛船都是靠火箭發(fā)射上去的。不同的是，航天飛機是能夠重復(fù)使用的太空飛行器，它以飛機降落的方式返回，在機場滑行時有減速傘減速;宇宙飛船只能使用一次，垂直降落返回，在大氣層由降落傘減速，接近地面時由噴氣反推減震，例如我國的“神舟”系列飛船。

航天飛機既可以運送宇航員，又可以運送大量貨物。然而，這種多功能性也意味著高成本——為保證宇航員的安全要付出巨大的成本;而運送空間站組件或太空望遠(yuǎn)鏡等大質(zhì)量有效載荷則需要更多動力和燃料，也意味著成本大增。航天飛機沒有逃逸系統(tǒng)，實行人貨混運，既復(fù)雜又昂貴，其安全性和可靠性都遠(yuǎn)低于相對簡單的載人飛船。因此隨著美國的“阿特蘭蒂斯”號升空，美國航天飛機項目徹底終結(jié)。

缺點的暴露

美國政府在奧巴馬上臺之后，開始將太空探索的目光投向火星，對于服務(wù)于近地軌道的航天飛機來說已經(jīng)沒有用武之地。與此同時，航天飛機投入使用后并未達(dá)到預(yù)想的目的。因此2010年，由16個國家的科學(xué)家參與的國際空間站基本建成時，美國決定放棄航天飛機項目。另外，過高的運營成本和過低的安全系數(shù)亦是航天飛機最終退役的主要原因。在歷史上，航天飛機發(fā)生過多次事故：2架航天飛機爆炸，14名宇航員喪命。由于重復(fù)使用，航天飛機的零部件極易耗損。它的系統(tǒng)遠(yuǎn)不止將載人飛船和運載火箭兩者單純相加那么簡單。與火箭、飛船等一次性飛行器不同，航天飛機的火箭發(fā)動機需要多次重復(fù)使用，這也為其執(zhí)行任務(wù)帶來安全隱患。此外，發(fā)射成本極高，飛行一次耗費5億美元，項目費用超過設(shè)計預(yù)期近百倍也是航天飛機最終被放棄的另一原因。美國歷史上共研制并投入使用5架航天飛機，每架研發(fā)費用20億美元，總共發(fā)射100多次，每飛行一次費用高達(dá)5億美元，返回后還要進行大量費時費力的檢修，這讓美國航天局的財政不堪重負(fù)。盡管提出航天飛機的初衷是為了降低整個載人航天研制和發(fā)射過程中的花銷，但是在執(zhí)行這一計劃的過程中卻發(fā)現(xiàn)事實并非如此。

航天飛機的優(yōu)勢

與航天飛機相比，當(dāng)前的運載火箭雖然可以運送同等甚至更大的衛(wèi)星或貨物，同時，一些用于執(zhí)行特殊載人任務(wù)的替代航天器也已處于研發(fā)階段，但有些航天飛機的優(yōu)點是運載火箭永遠(yuǎn)無法代替的。航天飛機的長度允許它的推進器可以進行十分細(xì)微的機動，把飛機準(zhǔn)確推動到返回式衛(wèi)星等小目標(biāo)和需要維修的軌道儀器附近。此外，一些特殊的勘測任務(wù)要求航天飛機在太空中完成雜技般精準(zhǔn)的動作，任務(wù)需要將攜帶的觀察設(shè)備調(diào)整到極其精確的位置。比如，雷達(dá)地形勘察任務(wù)便要求飛機航行位置絕對準(zhǔn)確，以保證多次任務(wù)的疊加效果等同于多架航天飛機同時編隊的測繪效果，因此觀測過程中必須要用微型推進器對航線擾動進行不斷修正。

此外，航天飛機可搭載6～7人進入軌道，并允許3～4名職業(yè)宇航員招待來自于科研領(lǐng)域的“乘客”。并不是所有的科學(xué)家都有宇航員一般強健的身體，因此對身體要求較低的航天飛機自然就成了他們的首選。正是基于以上的優(yōu)點，經(jīng)濟、科技實力較強的歐洲選擇了航天飛機，并打算以此來實現(xiàn)未來的太空戰(zhàn)略。

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