即将再见的航天飞机

尹怀勤（中国航天科工集团公司三院八三五八研究所天津300141）

即将再见的航天飞机

尹怀勤（中国航天科工集团公司三院八三五八研究所天津300141）

2011年2月24日，美国“发现”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射腾空，8分半钟后，顺利进入预定轨道。此次有6名航天员随机升空，其任务是向国际空间站送去一个永久性多功能舱、一些补给和设备，包括机器人航天员2号，航天员还要进行两次太空行走。在完成上述使命后，“发现”号己于3月9日安全返回地面。这是“发现”号的第39次飞行，也是它服役27年来最后一次执行太空任务。由于航天飞机是目前世界上最大的又是唯一可部分重复使用的载人航天器，加之美国现有的3架航天飞机今年各飞一次后将全部退役，“发现”号又排位第一个飞行，故而本次发射和返回引起了国际舆论的广泛关注。

研制航天飞机的缘由

人类在掌握了一次性使用的宇宙飞船技术之后，就追求像在大气层中多次飞行的飞机一样能在太空重复使用的航天器，以降低发射成本和便于载人航天，于是就开始了航天飞机的研制。20世纪70年代至80年代，除美国外，前苏联、法国、日本等国也相继研制航天飞机，由于技术、经济等原因或问题，直到目前为止，只有美国和前苏联制造了航天飞机，真正投入使用的仅为美国。

航天飞机是载人航天器突破一次性使用的惯例而进入可以重复使用阶段的重要标志和创新成果。它的突出特点是综合运用了火箭、航天器和飞机技术，形成一种新型飞行器，既能载人载物升空入轨绕地球进行航天飞行，又能像飞机一样下滑和着陆。1972年初，美国国会批准发展航天飞机空间运输系统的方案后，美国航宇局动员和组织全国有关单位和专家，耗资100亿美元经9年多的科研攻关和试验改进，终于催生了航天飞机的问世。

1981年4月12日，世界上第一架航天飞机“哥伦比亚”号试飞成功。它从佛罗里达州肯尼迪航天中心起飞，在航天员约翰·扬和罗伯特·克里平的驾驶下进入距地面277 km的近地圆形轨道，环绕地球飞行了36圈，航程160.9万km，历时54 h 30min，最后降落在加利福尼亚州爱德华兹空军基地。到1982年11月11日“哥伦比亚”号的第5次飞行时，它便开始执行商业搭载任务，把美国和加拿大的两颗总重6 t的卫星送上了太空。

继“哥伦比亚”号之后，美国分别花费20亿美元依次制造并投入使用的航天飞机是：1983年首飞的“挑战者”号，1984年首飞的“发现”号，1985年首飞的“阿特兰蒂斯”号和1992年首飞的“奋进”号。1986年“挑战者”号爆炸，2003年“哥伦比亚”号坠毁，目前只剩下其他3架航天飞机。由于前苏联研制的“暴风雪”号航天飞机仅于1988年进行了一次未载人的绕地飞行试验，后来停飞，因此现在只有美国拥有航天飞机。

航天飞机外形类似于普通飞机，在完成航天飞行任务后，能在一般机场滑行降落。这种有翼式载人航天器，在起飞和入轨的上升阶段使用火箭技术；在轨道飞行阶段运用航天技术；而在再进入大气层后的滑翔飞行和水平着陆阶段却采用航空技术。它是当代最先进最复杂的载人飞行器。

由三大部分组装而成

美国的航天飞机由轨道器、两个固体火箭助推器、推进剂外挂贮箱3部分组成，起飞总质量为2 022 t。飞机全长56m，高23m，通常可乘坐6～8人，飞行时间为一周至一个月。它竖立在发射台上时，两个助推器和外挂贮箱像3根巨大的立柱，贮箱位于中央，助推器分列两侧，轨道器像个趴在柱子上的庞大飞蛾。

轨道器是进入轨道飞行和返回地球的装置，形同飞机，长为37.2m，翼展为23.8m，重68 t，从前至后分为驾驶舱、货舱、动力服务舱3段，能把29.5 t重的有效载荷送上185～1 100 km的绕地轨道，并可以从太空运回14.5 t的货物。后舱尾部装有3台均为液氢液氧火箭的主发动机，它们每次工作约8.5min，要求使用50次以上。轨道器其他部分要使用100次以上。

挂在贮箱两旁的固体火箭助推器，高45m，每个重585 t，由4节直径为3.66m的柱形无缝钢管筒连接而成，里面浇铸着固体推进剂。发射时，它们与轨道器的3台主发动机一起点火，总推力约3 140 t。两个固体助推器为轨道器的垂直起飞和冲出大气层提供78%的推力，要求使用20次以上。它们点火工作两分钟后，同时关机并与轨道器和贮箱分离，然后靠降落伞徐徐掉在大西洋海面上，用回收船回收，重新充填推进剂后供下次再用。

推进剂外挂贮箱，直径8.4m，高47m，是一个庞大的固体柱，用铝合金制造。它分为液氢箱和液氧箱，依次装有100 t液氢和600 t液氧，同时分别为3台主发动机提供推进剂。航天飞机起飞约8.5min后，3台主发动机关机，贮箱即与轨道器分离，成了太空垃圾，随即坠入大气层烧毁。然后轨道器在自身携带的变轨发动机、姿态控制发动机的推动下，进入预定轨道运行。正因为推进剂外挂贮箱是一次性使用的，故称航天飞机为部分重复使用的航天器。

由于航天飞机系统设计复杂、技术难度大、零部件易耗损，故而返回地面以后要进行大量维修工作，致使每次发射费用高达4～5亿美元。同时造成每架航天飞机发射时间的间隔予以拉长，每年仅能进行大约5架次的发射。

优越性能和主要贡献

航天飞机既是可载人载物多次往返于地面与太空之间的飞行器，又是能够进入近地轨道执行多种任务的航天器。与载人飞船相比，它具备着更多的功能：一是能在太空直接释放近地轨道卫星；二是可捕获并修理发生故障的近地轨道航天器，修复后予以重新释放；三是可回收出了问题的近地轨道卫星，送回地面进行修理；四是可将高轨道卫星送入近地轨道，然后启动卫星本身携带的火箭发动机让它进入高轨道；五是可在近地轨道释放深空探测器，使后者依靠本身携有的动力装置进入预定轨道远航；六是载人数量多，单独飞行时间长；七是可运载多种精密仪器，在太空开展科学试验；八是可将太空舱段送入近地轨道，并进行在轨组装；九是可与空间站对接进行联袂飞行，接送航天员和各种物品等。总之，航天飞机兼有运载火箭、人造卫星、载人和货运飞船甚至小型空间站等多种功能。

5架航天飞机的轮番飞行取得了突出的成就，共向近地空间运送了约150万kg的物资和700多人次的乘客。在载人航天器中，它是运载航天员进入太空人次最多的一种。航天员共计在航天飞机上释放和回收了上百颗不同用途的人造卫星，向地球轨道发射了哈勃、康普顿、钱德拉3座太空望远镜，向深空发射了麦哲伦号金星探测器、伽利略号木星探测器、尤利西斯号太阳探测器等，在太空多次维修哈勃望远镜，还进行了绳系卫星的发电试验。它们多次运载组件飞赴建设中的国际空间站，使空间站具备了航天员长期居住和工作的基本条件。如果没有航天飞机巨大的运载能力，国际空间站是建不起来的。正因为航天飞机铸就了多项太空辉煌，才被美国视为是继“阿波罗”飞船载人登月之后空间时代的第2个里程碑。

航天飞机在太空特殊条件下开展了地面无法实现的多种科学试验。由中国科学院电工所和中国运载火箭技术研究院合作研制的意在寻找宇宙中的反物质和暗物质的阿尔法磁谱仪，于1998年6月3日至13日搭载“发现”号航天飞机在太空遨游了10天且工作正常。按照发射成本来说，航天飞机把航天器送入太空轨道的费用仅是地面起飞一次性使用的运载火箭费用的三分之一或一半。如果将发生故障的航天器在太空予以捕获、修理和重新释放，那还可节约从地球上再次发射的费用，并避免了大量周折时间。

出勤率最高的“发现”号

“发现”号是美国航天飞机中执行任务最多、将航天员送上太空最多一架。

它在代号为sts-41D的首次飞行中，就成功地将3颗通信卫星送入轨道，并对一个试验性太阳能电池翼进行了测试。截止代号为sts-133的此次飞行，它共执行了39次升空任务，在5架航天飞机中是出勤率最高的。排在第2位的是飞行32次的“阿特兰蒂斯”号，排在第3位的是飞行28次的“哥伦比亚”号，排在第4位的是飞行24次的“奋进”号，排在第5位的是飞行10次的“挑战者”号。以18世纪一艘远征南太平洋的英国探险船命名的“发现”号，用出色的实际业绩展现了探索未知世界的勇气。

在39次飞行中，“发现”号总计运送过252名航天员进入太空，其中包括世界上第一位女性航天飞机驾驶员柯林斯、世界上年纪最大的77岁的航天员格伦。它共在太空度过了365个日夜，环绕地球运行5 830圈，总飞行里程2.38亿km，相当于往返月球310次。它曾在太空释放哈勃太空望远镜、上大气层研究卫星、国际微重力实验室1号、大气实验室2号、先进通信技术卫星、第七颗跟踪与数据中继卫星等航天器。它是第一个与俄罗斯“和平”号空间站实现对接的航天飞机，曾给国际空间站运送过日本“希望”号实验舱主体部分等构件。尤为突出的是，在“挑战者”号和“哥伦比亚”号分别于1986年和2003年发生爆炸事故之后，都是“发现”号打头阵，之后恢复了航天飞机的太空飞行。

这次它给国际空间站送去的莱昂纳多永久性多功能舱，是由莱昂纳多多功能后勤舱改造而成的。后者原本是从2001年开始装在航天飞机货舱中为国际空间站提供后勤运输服务的。由于航天飞机即将退役，所以美国和意大利就将其改造成可以永久安装在国际空间站上的多功能舱，作为储藏室和试验室使用。该舱可以提供额外的研究工作空间，航天员能在其内进行流体物理、材料科学、生物技术等领域的试验。同时送去的价值250万美元的机器人航天员2号，身高约1m，臂长约0.85m，体重约100 kg，全身遍布350多个电子传感器，不仅外表像人，而且拥有类似于人的手和胳膊，能使用空间站航天员的工具，与人共同工作，已成为国际空间站上的“永久居民”。这是首个被送入太空轨道的类人机器人。其主要任务是协助航天员在站上完成维修任务和零星工作。国际空间站要运行到2025年，不排除今后还会运送机器人航天员上站的可能性。

2月26日“发现”号与国际空间站实现对接后，2月28日机组两名航天员出站进行了约6个半小时的第一次太空行走。他们接通了一段电源延长线，为空间站移动机械臂额外配了一对轨道，并清洗了站外的一部摄像机。3月1日机组两名航天员将重达14 t的永久性多功能舱与站上“团结”号节点舱成功对接，安装在国际空间站面向地球一侧。至此，空间站美国部分的建设也告一段落。3月2日机组两名航天员进行了第二次太空行走，完成了维修空间站外部的一些预定作业。3月7日“发现”号与国际空间站脱离，接着先绕后者飞行一圈进行拍照，然后踏上返回地球的归程。3月9日“发现”号穿过云层，由远至近，调整方向，水平降落在佛罗里达卅肯尼迪航天中心跑道上，随即打开降落伞，平稳减速，最终停止滑行。

完美落幕的“发现”号，虽然预定2011年秋天由被改装后的波音747客机驮着送往位于华盛顿的航空航天博物馆展出，但美国航宇局的科研人员先要把3台主发动机系统拆除，进行深入分析，总结经验教训，为研制下一代载人航天器提供借鉴。一些硬件也将被卸下，以供研究使用。为购买“发现”号并清除其有毒化学物质和对它进行全面整修，博物馆将花费约4 200万美元，以确保展出安全。

两次机毁人亡的大悲剧

美国最早毁掉的航天飞机是“挑战者”号，事故发生在发射升空阶段。1986年1月28日，“挑战者”号从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射进行第10次飞行时，开始一切正常，谁知升空73 s后，突然一声爆炸，出现了机毁人亡的悲惨景象，致使7名航天员全部丧生，成千上万的观众痛哭流涕。这一可怕事故在世界航天史上留下了深沉的烙印。

经过仔细调查分析，最终确认是由于航天飞机右侧固体火箭助推器连接处的合成橡胶O型密封圈性能失效而引起爆炸。这种密封圈，因设计上存在缺陷和当日发射环境气温过低，没有起到应有作用，致使助推器两节钢套接口处出现裂缝，让固体推进剂燃烧时产生的火焰漏射出来。温度高达3 000多℃的火焰越窜越长，最后加热了推进剂外挂贮箱，引起了液氢箱和液氧箱剧烈爆炸，航天飞机瞬间被炸成碎片，造成了空前悲剧。本来计划在太空授课的女教师克丽斯塔·麦考利夫，也与搭机升空的其他6名航天员一块罹难。

事过17年之后，美国又毁掉了“哥伦比亚”号航天飞机。2003年2月1日，“哥伦比亚”号在第28次飞行的返回地面归途中，于德克萨斯州上空63 km处突然解体，致使5男2女共7名航天员全部遇难。令人痛心和遗憾的是，事故发生在它遨游太空16个昼夜后，离回家仅差16分钟的时间。这是航天飞机又一次机毁人亡的大悲剧。

经事故调查委员会的全面分析认为，造成“哥伦比亚”号失事的直接原因是该机1月16日发射升空81.7 s后，推进剂外挂贮箱表面脱落一块泡沫材料。这块材料撞击导致航天飞机左翼前缘的热保护系统形成裂孔。“哥伦比亚”号在太空运行时，几乎处于真空状态，裂孔无关大碍，可到返回途中再入大气层时由于摩擦产生的气动加热使受损部位温度高达1 300～1 600℃，造成内部线路和金属部件熔化，终致结构破坏而解体。

接受“哥伦比亚”号失事的教训，美国航天专家对外挂贮箱的泡沫材料作了改进，但仍未取得理想效果。为解决这种材料脱落问题，虽花了13亿美元，但收效不大。这在此后的两次“发现”号飞行、一次“阿特兰蒂斯”号飞行和一次“奋进”号飞行中都表现了出来，只是脱落的材料未直接击中航天飞机的要害部位而已。正因如此，2007年8月搭乘“奋进”号巡天的女教师航天员芭芭拉·摩根才完成了21年前麦考利夫未能实现的夙愿。按照美国原来计划，航天飞机寿命最长为20年，每架应飞行100次，但由于成本高、风险大，至今30年来5架累计才飞行了133次。

“暴风雪”号的悲惨命运

1988年11月15日，苏联耗资100亿美元研制的“暴风雪”号航天飞机从拜科努尔发射场发射腾空，在距离地面250 km的圆形轨道上绕地飞行两圈历时3个多小时后顺利返回，完成了原设计载人而未载人的首次也是最后一次飞行任务。

“暴风雪”号与美国航天飞机比较起来，功能相同，形状和大小相似，有效载荷和起飞质量也很接近。不同的是，“暴风雪”号轨道器未装主发动机，服务舱携有两台小型火箭发动机，帮助自身最终进入预定轨道飞行。它的主发动机是安装在能源号运载火箭上的。

能源号运载火箭由芯级和周围捆绑的4个助推器组成。4个以煤油和液氧为推进剂的液体火箭助推器组成第一级，工作完毕分离后乘降落伞坠地，可以回收重复使用。芯级为第二级，由4台以液氢和液氧为推进剂的液体火箭组成，仅能一次使用。发射时，两级同时点火工作，只是第一级先关机分离，第二级后关机分离。第二级的作用相当于美国航天飞机轨道器携带的3台主发动机。虽然第二级不能重复使用，但就能源号火箭来讲，回收的第一级重新加注推进剂后，再配上新的第二级，不仅可以再次发射总质量为2 400 t的“暴风雪”号航天飞机，还可以发射其他大型航天器，能够一箭多用。这又是优于美国航天飞机之处。

“暴风雪”号能在无人驾驶的情况下进行绕地飞行，说明自动驾驶控制方式与美国航天飞机不同，其技术难度要大得多。它在返回地面时，假如第一次着陆失败，还可以启动两台小型发动机重新拉起来再次进行着陆，安全系数比较高，这也是美国航天飞机做不到的。

航天飞机造价昂贵，耗资庞大，没有雄厚的经济实力是难以为继的。前苏联/俄罗斯虽然有技术水平，却无财力支撑，致使“暴风雪”号航天飞机终未能逃脱被废弃的厄运。1996年7月，一架“暴风雪”号样机被运到莫斯科高尔基公园建成了娱乐中心，后因管理不善，内部设施受损很大，1999年2月还遭遇一场火灾，随之即破烂不堪。

猎户座”将代替航天飞机

美国航天飞机推进剂外挂贮箱表面包裹的泡沫塑料绝缘材料，是为保证液氢和液氧的低温必不可少的保护层。由于航天飞机发射时这种材料脱落问题尚未彻底解决，极易撞坏轨道器外表面的隔热层，致使其在返回途中有可能出现危险情况，故而目前的飞行仍具有一定的冒险性。有鉴于此，美国航宇局已经决定，在2011年建成国际空间站之后，让已有的航天飞机全部退役。航天飞机存在的这种先天不足，迫使美国不得不忍痛割爱。尽管如此，它的多项先进技术还会在未来一段时间发挥重要作用。

这次“发现”号的发射原定于2010年11月5日进行，就是因为外贮箱泡沫塑料出现裂缝而被迫推迟的。随后工作人员加固了外贮箱的绝缘材料。在其发射升空过程中，飞行控制人员密切监视固定在外贮箱上的摄像机拍摄的画面，以观察是否有缘绝泡沫脱落可能对轨道器脆弱的隔热层造成威胁。结果发现有几大块脱落的碎片击中了隔热层。它们是在大气密度较低的高度上脱落的，这对航天飞机的威胁最大，好在飞行控制人员并未发现碎片对“发现”号造成明显伤害。人们盼望着随后分别于4月19日和6月28日发射升空的“奋进”号和“阿特兰蒂斯”号的最后一次飞行能够平安无事。至于这两架航天飞机退役后的去向，美国航宇局正在与有关博物馆和教学研究机档进行磋商。

代替航天飞机的载人航天器，将是名为新一代可重复使用的乘员探索飞行器“猎户座”。这原本是美宇航局根据美国总统布什2004年1月14日提出的最早于2015年载人重返月球、2020年左右建立月球基地、2030年后派人登陆火星的进军太空计划而研究的载人航天器，在其载人飞登月球之前，先作为近地轨道载人航天器使用。

早在2005年7月23日，美国众议院就通过议案，要求尽可能接近2010年的时候发射乘员探索飞行器。当年9月美国航宇局透露的消息说，这种飞行器首次载人飞抵国际空间站的时间将不早于2012年。后来，将其首抵国际空间站的时间推迟至2014年。2007年初，美国航宇局“猎户座”项目科学家同主承包商洛马公司一道完成了系统技术要求评审，为这种载人飞船的设计、研制、建造和安全飞行奠定了基础。该飞船将用于向地球轨道、月球乃至火星运送航天员。

“猎户座”飞船将用美国新研制的战神1运载火箭发射到近地轨道运行，并能与国际空间站进行对接，完成太空飞行任务后再返回地面。它一次可以运载6名航天员，完全可以完成航天飞机飞往国际空间站执行的一切任务，比俄罗斯现在的“联盟TMA”号载人飞船要大得多，且在近地轨道上飞行也比航天飞机更为安全。至于“猎户座”载人飞往月球的时间，美国计划安排在2020年，那时它还要与登月舱、地球出发站在近地轨道上组成联合体后才能奔月。后两者到时候将用新研制的战神5运载火箭发射升空。2010年初美国总统奥巴马虽然停止了航天员重返月球计划，而改为载人先登陆小行星和火星，但并未改变“猎户座”飞赴国际空间站的安排。除“猎户座”外，还有正在研制的其他飞船准备飞往国际空间站，但时间将要更晚一些。

在2011年下半年至2013年末之间，航天飞机退役，“猎户座”飞船尚未问世，接送国际空间站的人员和物资问题只能靠俄罗斯载人飞船和货运飞船来解决了。“神舟”号飞船虽有这方面的能力，但由于我国不是国际空间站的参建国，所以有力用不上。何况，我国还要实现载人航天的第二步和第三步计划，同时实施嫦娥探月工程后续任务，继续铸就自己的太空辉煌。■

2011-03-10