科学和技术任务：空间运输系统-77航天任务18年回顾（一）

+ 美：Ben Evans

+ 刘天雄 编译

科学和技术任务：空间运输系统-77航天任务18年回顾（一）

+ 美：Ben Evans

+ 刘天雄 编译

图1 美国奋进号航天飞机（Endeavour）发射入轨

1996年5月19日拂晓，伴随着火箭发动机的隆隆轰鸣声，美国“奋进”号航天飞机（Endeavour）进入空间预定轨道如图1所示，开始了多学科的空间科学试验。2014年5月19日美国空间（AmericaSpace）网站发表了Ben Evans 撰写的“Mission for Science and Technology: 18 Years Since STS-77”，中文直译为“科学和技术任务：空间运输系统-77任务18年回顾”。原文作者系统地回顾了美国奋进号航天飞机执行此次空间试验任务（美国国家航空航天局NASA的任务代号STS-77）背后鲜为人知的故事，风趣地介绍了参加此次飞行任务6名航天员的成长历程，简要地说明了此次飞行任务所开展的具有划时代意义的空间试验项目。对于如何认识我们国家正在开展载人航天与空间实验室系统建设具有较高的参考价值，本文在原文材料的基础上，引入相关背景知识，期望能对国内读者以启迪。

“STS”是“Space Transportation System”的缩写，中文译为“空间运输系统”，“STS”是“Space Shuttle”的官方名称，“Space Shuttle”中文译为“航天飞机”。航天飞机是本体可再次使用的载人航天飞行运载器，能够到达LEO低地球轨道（low Earth orbit）。美国国家航空航天局NASA负责航天飞机的管理和运行控制工作，航天飞机均在美国Florida州的Kennedy空间中心发射KSC（Kennedy Space Center）入轨，1981年～2011年间，航天飞机共计执行135次飞行任务，在轨合计工作时间为1322天19 小时 21 分 23 秒，将大量卫星送入轨道，其中包括著名的Hubble空间望远镜、同时开展了行星际探测、在轨空间试验，航天飞机还参加了国际空间站ISS（International Space Station）的建设和服务工作。

航天飞机由轨道飞行运载器OV（Orbiter Vehicle）、一对可重新使用固体火箭助推器SRBs（solid rocket boosters）以及一次性使用的外挂储箱ET（external tank）四部分组成，其中外挂储箱中装载液氢和液氧推进剂，一对固体火箭助推器与轨道飞行运载器的三个主发动机并联安装。航天飞机的发射方式与传统运载火箭类似，采用垂直与发射平台的方式发射，如图2所示。轨道飞行运载器OV飞行到预定的轨道高度后，一对固体火箭助推器与航天飞机分离并被抛弃，轨道飞行运载器进入预定时，外挂储箱与航天飞机分离并被抛弃，如图3所示

图2 航天飞机组成部分及垂直发射方式

图3 Discovery号航天飞机固体火箭助推器分离并被抛弃后的图像

当航天飞机完成空间试验任务后，轨道飞行运载器OV启动两个轨道机动系统OMS（Orbital Maneuvering System）发动机，离开运行空间轨道并再入大气层。轨道飞行运载器OV在California州的Edwards空军基地的飞机跑道着陆或者Florida州Kennedy空间中心的飞机跑道着陆，当轨道飞行运载器在Edwards空军基地着陆时，轨道飞行运载器着陆需要再由专门改装的波音747客机运到Kennedy空间中心，如图4所示。

第一架航天飞机为企业号（Enterprise），仅仅用于局部演示验证和再入大气层着陆试验，不具备进入轨道空间能力。最初研制的四架功能完备的航天飞机分别为“哥伦比亚”号（Columbia）、“挑战者”号（Challenger）、“发现号”（Discovery）和"亚特兰蒂斯"号（Atlantis），如图5所示。"挑战者"号航天飞机和"哥伦比亚"号航天飞机分别于1986年和2003年在执行空间试验任务时遭遇飞行事故而损毁，共牺牲14位宇航员。1991年，美国国家航空航天局NASA研制了第5架功能完备的奋进号（Endeavour）航天飞机，以代替失事的挑战者号航天飞机。由于多方面的原因，航天飞机现已不再执行航天飞行任务，2011年7月21日亚特兰蒂斯号航天飞机完成美国航天飞机历史上的最后一次空间试验任务。

在美国东部时间1996年5月20日上午07点29分，美国“奋进”号航天飞机宇航员Mario Runco Jr操作机械手臂将一个小型自由飞行器SPARTAN-207从“奋进”号航天飞机载荷舱中取出并释放到轨道空间，就此拉开为期10天的STS-77航天飞行空间试验任务。航天飞机的遥控操作系统RMS（Remote Manipulator System）机械手臂由加拿大研制，如图6所示。SPARTAN是英文“Shuttle Pointed Autonomous Research Tool for Astronomy”的缩写，中文直译为“面向航天飞机的天文学自主研究工具”，SPARTAN能够在航天飞机外自由飞行，已在轨道空间开展了天文和太阳物理实验，以及相关空间技术研究试验，但是在STS-77航天任务中，SPARTAN完成了迄今最具挑战性的试验。SPARTAN-207被释放后，STS-77航天任务的指挥官John Casper操作“奋进”号航天飞机飞行到距离SPARTAN-207飞行器250米远的位置处，并在此位置处保持了约1个小时，然后开展航天器局部绕飞试验，使SPARTAN-207飞行器在“奋进”号航天飞机的正下方，并在此相对位置下保持80分钟，随后开展了具有潜在的巨大应用价值的空间科学试验，包括雷达试验、空间移动通信试验、空间天文学试验、空间对地球观测试验、地球环境研究以及地球土壤湿度和海洋盐度分析实验。十八年前，STS-77把航天飞机的许多功能整合为一体开展科学试验，为未来的国际空间站（ISS ）的研究工作指明了方向。

图4 Endeavour号航天飞机由改装的波音747客机运到Kennedy空间中心

图5 航天飞机发射起飞瞬间图像（从左到右分别为哥伦比亚号、挑战者号、发现号、亚特兰蒂斯以及奋进号）

图6 加拿大研制的航天飞机的遥控操作系统（RMS）机械手臂

Runco释放飞行器SPARTAN-207的2个小时后，“奋进”号航天飞机宇航员遥控SPARTAN-207飞行器完成了空间充气展开天线试验IAE（Inflatable Antenna Experiment），该充气展开天线由总部位于美国加利福尼亚州洛杉矶地区Tustin市的L’Garde公司和美国国家航空航天局NASA下属的喷气推进实验室JPL（Jet Propulsion Laboratory）于1988年联合研制。该充气展开天线的是一种抛物面式反射天线，抛物面由一种聚酯薄膜材料制成，天线展开的宽度为14米，抛物面天线的反射面位于三个可充气展开框架支撑杆的顶端。试验的目的是在空间微重力环境下，验证大型空间充气展开结构和机构的运动特性以及功能特性。自1971年，L’Garde公司就开始尝试空间薄膜、多任务气球的研发，相关产品包括为美国国防部研制导弹诱饵薄膜气球。工程技术人员很早就认识到，体积相当的充气展开结构和实体结构，前者的重量要比后者小得多，由此可以大幅度节省航天任务的发射成本。L’Garde公司的创立者兼公司副总裁Alan Hirasuna后来接受媒体采访时曾说，充气展开天线的成本为1400万美元，而同等规模的实体结构天线成本则为2亿美元，显然充气展开天线的成本仅仅是常规结构天线成本的零头。而充气展开天线的结构紧凑，重量只有60公斤，因此，可以利用小型运载火箭将充气展开天线运送到近地轨道空间。

图7 SPARTAN-207飞行器释放并展开空间充气展开天线

在美国东部时间1996年5月20日上午9点38分，美国“奋进号”航天飞机的6名宇航员注视着能够监测到舱外空间天线充气展开的视频，SPARTAN-207飞行器首先遥控充气展开天线的三个框架支撑杆，每个支杆由芳纶复合材料制成，支杆表面涂有氯丁橡胶涂层，三个框架支撑杆完全充气展开后的长度为28米。支撑杆安装有加压氮气罐，利用高压氮气压力作用，只需要5分钟就可以展开宽度为14米的抛物面式反射天线，天线的顶面和底面是银色反射面，由此在随后的90分钟里，宇航员能够清晰地观测并记录到空间天线充气展开的全部过程，空间充气展开天线展开过程如图7所示。宇航员利用记录照射天线抛物面的反射光来精确测量抛物面的平滑度。空间天线充气展开完成后，SPARTAN-207飞行器将空间充气展开天线释放到轨道空间。随后宇航员Casper启动奋进号航天飞机的小推力发动机（推力器）“点火”工作，使奋进号航天飞机机动到SPARTAN-207飞行器的“前方”和“上方”位置处。在随后的两天时间里，“奋进”号航天飞机与SPARTAN-207飞行器之间保持90～110千米之间的距离。

图8 F-100 super Sabre（超级军刀）战斗机

图9 F-4 Phantom（鬼怪战斗机）

本次STS-77航天任务对每位航天员来说取得了巨大成功，其中Casper和Runco两位航天员是第二次合作完成航天飞机空间试验任务。空军上校John Howard Casper于1943年7月9日出生在美国S.C州的Greenville市，这是他第四次执行航天飞机空间试验任务。Casper在家乡高中毕业后，进入美国空军学院学习工程学， 1966年毕业获得学士学位，随后考入美国Purdue大学学习航天学，1968年毕业获得硕士学位。随后Casper加入美国空军，并在美国Texas州Reese空军基地接受飞行训练，学习驾驶F-100 super Sabre（超级军刀）战斗机，如图8所示。随后参加越战，期间执行了200多次战斗任务。越南战争结束后，Casper回到美国继续在空军服役，驾驶F-100超级军刀战斗机以及F-4 Phantom（鬼怪）战斗机，如图9所示。Casper曾作为英国空军的交换飞行员，在英国皇家空军Lakenheath基地担任战术战斗机联队飞行员。后来Casper在美国Edwards空军基地试飞员学校学习，1974年毕业后担任F-4战斗机测试大队主任，负责武器投放和航空电子设备的测试工作。随后Casper担任美国国防部担任特殊项目办公室副主任，负责根据冷战时期的形势要求，推演战略空军的任务、作用、结构以及运作概念。1990年2月，Casper担任STS-36航天任务的飞行员，STS-54和STS-62航天任务的指令长。

航天员Mario Runco Jr是美籍意大利人，他非凡的航天职业生涯起步于州警察局值班骑警，随后是海军海洋学家和气象学家。1952年1月26日，Runco生于美国纽约Bronx区，因为Runco长得非常像电视剧《星级航行》中的主角Mr. Spock，由此在美国国家航空航天局NASA工作期间引发许多与此有关的轶事。Runco先在纽约城市学院学习天文学，1974年大学毕业后考入美国Rutgers大学，攻读大气物理学硕士学位，期间他用了两年时间研究水文学，并为美国地质调查局勘定长岛的地下水资源。1977年，Runco加入美国New Jersey州警察局，在一年多的时间里担任州警察局值班骑警，1978年6月，Runco加入美国海军。Runco多学科的教育背景和宽广的知识面，使得他的职业生涯也由此丰富多彩，先在美国海军海洋和大气研究实验室研究气象学，1981～1983，在美国海军Nassau号航母担任气象官员，如图10所示。后被任命为美国海军水面舰艇作战官，随后在美国海军研究生院实验室担任讲师，期间随美国海军Chauvenet号测量船在Java海和Indian洋开展水文地理学和海洋学调查研究工作，如图11所示。1987年6月，Runco被美国国家航空航天局NASA挑选为宇航员，Runco在州警察局值班骑警的职业背景给他在NASA有了“骑兵”的绰号，Runco有两次航天飞机飞行试验经历，第一次是作为乘务员执行STS-44空间试验任务，第一次是和Casper 合作执行STS-54空间试验任务。

图10 美国海军Nassau号航母担

图11 美国海军Chauvenet号测量船