航天飛機的在軌服務“特技”

文/ 尼莫

▲ 航天飛機組裝國際空間站

▲ 修復哈勃空間望遠鏡

▲ 航天飛機捕獲國際通信衛星

隨著在軌服務再次成為航天技術的熱門話題，退役多年的航天飛機也得到更多的審視。公允地說，航天飛機雖然沒能實現革命性降低發射成本的目標，但作為一個大型航天器，其在軌服務能力是空前的。

軍事航天的倍增器

航天飛機是美國宇航局（NASA）和美國空軍聯合研制的可重復使用航天運載器，它巨大的貨艙可以用來運輸貨物、發射衛星，配合機載的大型機械臂也是有史以來最強大的在軌服務平臺。美國空軍曾對航天飛機寄予了很大希望，要用其來執行衛星發射、衛星維護、衛星回收和反衛星等多種任務，是美國提高太空軍事能力的力量倍增器。

先來說衛星發射。航天飛機貨艙長度18.3米，直徑4.6米，可以容納大型衛星以及上面級火箭，美國空軍計劃使用航天飛機發射各種軍用衛星，包括國防通信衛星（DSCS）、獵戶座信號情報衛星和國防支援衛星（DSP）等。航天飛機貨艙裝有慣性上面級（IUS）和衛星，IUS將這些衛星從近地軌道送入同步轉移軌道，航天飛機一度成為美軍衛星發射的頂梁柱，不過1986年挑戰者號航天飛機事故后，航天飛機軍用發射任務基本取消。

值得一提的是，航天飛機計劃于1972年正式啟動，這時傳輸型成像偵察衛星發射還遙遙無期，而KH-10載人空間站又已經取消，美國空軍研究使用航天飛機為KH-9“六邊形”偵察衛星更換膠卷艙甚至加注燃料，從而延長它的使用壽命。美國從1971年到1986年累計發射了19顆“六邊形”偵察衛星，但它們的壽命最長也就是幾個月，如果航天飛機能為它們補充膠卷以及補加燃料，肯定能顯著提高衛星的性價比。然而，由于后續KH-11傳輸型偵察衛星大獲成功，新一代偵察衛星不再需要補充膠卷的服務，航天飛機在軌服務的早期概念也就煙消云散了。當然，民間一直流傳航天飛機為KH-11系列衛星補加燃料的傳說，但這些傳說從未得到確認。

關于航天飛機的軍用價值還有更玄幻的傳說，比如使用航天飛機破壞敵方衛星，或是捕獲敵方衛星帶回地面。雖然航天飛機從未對蘇聯衛星進行過這些操作，但毋庸置疑它具備這樣的軍用潛力，始終是懸在蘇聯頭上的達摩克利斯之劍。這也是蘇聯不惜重金發展暴風雪號航天飛機的根本動力。

▲ 航天飛機在軌組裝自由號空間站示意圖

民用衛星的修理工

航天飛機雖然沒有投入太空戰場，捕獲或摧毀敵方軍用衛星，但卻在民用衛星上顯示了實力。美國的太陽峰年衛星（SMM）是用來執行太陽觀測任務的，但這顆1980年2月發射的衛星，因電子設備出現故障，1980年12月就停止工作，讓美國失去了軌道上唯一觀測太陽的“眼睛”。要重新制造和發射這樣的天文衛星不僅需要經費，而且時間未必來得及。1984年4月10日，挑戰者號航天飛機成功捕獲了這顆衛星，并于次日修復了姿態控制系統和電子設備的故障，讓這顆本來失效的衛星重煥生機。這次任務測試驗證了航天飛機在軌服務的實用性，而太陽峰年衛星也由此成為人類歷史上第一個被在軌捕獲和維修的航天器。

1985年4月，發現號航天飛機釋放了Leasat-3（又稱Syncomm4-3）衛星，但上面級未能點火。要是普通用火箭發射上面級，點火失敗，那就只能放棄衛星了，但發現號航天飛機隨后機動交會伴飛衛星，并派出2名航天員手動啟動，可惜仍未獲得成功。幾個月后，發現號航天飛機又發射升空，再戰Leasat-3衛星，交會后將其收回貨艙，重新安裝了新的電池和啟動裝置，并再次在軌釋放。PAM-D上面級這次啟動成功，將衛星送入預定軌道，淋漓盡致地展示了航天飛機空前的在軌服務能力。

航天飛機最著名的在軌服務目標，當屬目前仍在運行的哈勃空間望遠鏡。哈勃望遠鏡入軌后才被地面發現，由于主鏡片存在研磨錯誤，邊緣弧度比設計略微平了一點，造成成像模糊。怎么辦？不幸中的萬幸，哈勃望遠鏡在設計上就有計劃要使用航天飛機進行維護。

1993年12月，奮進號航天飛機發射升空，對哈勃望遠鏡進行了修理，通過光軸補償矯正組件和新的廣域行星相機更換，對哈勃望遠鏡的成像質量進行了矯正，相當于給哈勃望遠鏡戴上眼鏡，解決了“近視眼”的問題。這次任務還更換了望遠鏡的陀螺儀、動量輪、磁力計和部分電子元器件，升級了計算機，并提升了哈勃望遠鏡的軌道高度。1993年的奮進號航天飛機任務是哈勃望遠鏡的首次在軌維修，此后美國使用航天飛機又對其進行了4次在軌維護，讓這臺望遠鏡成為人類仰望星空最敏銳的眼睛。

▲ 航天飛機建造自由號空間站計劃示意圖

▲ 航天飛機派出航天員修衛星

空間工程的勤務員

航天飛機的在軌服務能力，不僅表現在發射和維修衛星，它更是建造空間站等大型航天器的中流砥柱。美國宇航局從設計之初，就計劃使用航天飛機支持空間站等大型航天器的在軌組裝。通過基于航天飛機的在軌服務，人類的航天器和航天探索能力都達到前所未有的水平。

1973年，美國發射的天空實驗室接納過3艘阿波羅飛船訪問，但它沒有軌道機動能力，由于發射時一側太陽翼脫落，供電能力不足，美國宇航局計劃使用航天飛機攜帶一個軌道機動模塊，提升天空實驗室的軌道，后續還有為它安裝25千瓦大型太陽翼的方案。然而，太陽活動導致高層大氣密度和阻力增加，而航天飛機的研制又延期，天空實驗室于1979年再入隕落，讓航天飛機失去了大顯身手的機會。

1984年，美國總統里根在國情咨文中正式提出，將在未來10年建立一個名為自由號的永久性空間站。自由號空間站是典型的桁架式空間站，桁架上掛多個艙段及太陽翼和艙外載荷，技術水平要比蘇聯的和平號空間站高很多。自由號空間站建設的絕對主力就是航天飛機，它的實驗設備、桁架和艙段都將由航天飛機貨艙攜帶發射升空，在軌組裝建造更是需要航天飛機的參與，建成后航天飛機每年飛行數次，承擔人員往返，運送補給和實驗設備的任務。

然而，自由號空間站任務一拖再拖，冷戰結束后國際形勢緩和，最終演化為國際空間站。國際空間站雖然有俄羅斯艙段，但主要部分仍然要由航天飛機運送和組裝。國際空間站的3個節點艙、3個實驗艙以及多功能貨艙，更不要說桁架以及其上的艙外實驗設備和太陽翼，都是航天飛機運送和組裝的結果。早期加拿大機械臂2尚未升空，空間站艙段的對接組裝更是完全依靠航天飛機。航天飛機是國際空間站建成前人員往返和貨物運送的主要工具，必要時還可以用來調節空間站的軌道，是貨真價實的在軌服務多面手。毫不夸張地說，沒有基于航天飛機的大量、廣泛和持續的在軌服務活動，就無法建成今天我們看到的國際空間站。

▲ 航天飛機機械臂抓獲Leasat3衛星