航天飞机面面观，本文主要内容关键词为：航天飞机论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
图二 “发现”号航天飞机正在发射
2000年10月24日，美国“发现”号航天飞机顺利降落在加利福尼亚州的爱德华兹空军基地，结束了为期13天的前往正在建设中的国际空间站的飞行任务，完成了该类飞机计划的第100次飞行。作为著名的载人航天器，航天飞机从其问世到完成百次太空飞行，始终令人瞩目。
航天飞机的出现
刚刚过去的上一世纪70年代初期，在耗资巨大的阿波罗登月计划尚未完结的时候，美国就开始寻找一种成本低廉、可多次使用的载人飞行工具以继续开展航天活动。于是，航天飞机的研制被提上了仪事日程；1972年1月，航天飞机方案被确定。最早研制的航天飞机“企业”号是用于地面试验和大气层试飞的。由于当时的科学家对这种飞行器能否返回地面的技术上尚无把握，因此最初进行的试验不是升天而是返回。1977年8月，“企业”号首次载人飞行；不过它是被波音747飞机驮上天分离后再在大气层中飞行的。“企业”号在大气层内做了78次返航飞行均获成功，证明航天飞机重返大气层进入机场着陆是完全可靠的。
图一 波音747背驮航天飞机轨道器
1981年4月12日，世界上第一架完全自主飞行的航天飞机“哥伦比亚”号试飞成功。它从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射起飞，在宇航员的驾驶下进入近地轨道，绕地球运行了36圈，历时54小时30分钟，最后降落在爱德华兹空军基地。到同年10月，“哥伦比亚”号共成功地试飞了5次。1982年11月，“哥伦比亚”号开始首次商业性飞行，标志其正式投入使用。航天飞机的出现宣示了由一次使用的运载火箭转向可重复使用的航天运载器的新阶段的到来。因为在此之前，所有航天器的发射均由运载火箭承担，而自此之后，部分航天器的发射已改用航天飞机运载升空。
继“哥伦比亚”号之后，美国依次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。由于前苏联研制的“暴风雪”号航天飞机，仅于1987年进行了1次未载人的绕地飞行试验，后停止了飞行，并未投入使用，因此目前只有美国拥有航天飞机。
航天飞机的性能
航天飞机虽然外型类似于普通飞机，但主要工作却在太空。在完成航天飞行任务后，它能在一般机场滑翔降落。这种有翼式载人航天器，在起飞到入轨的上升段使用火箭技术；在轨道飞行段运用航天器技术；而在再入大气层后的滑翔段飞行和水平着陆段却采用航空技术。它是集火箭、航天器和航空器技术于一体的当代最先进最复杂的飞行器。与一次性使用的载人航天器宇宙飞船不同，它可多次使用。
图三 前苏联“暴风雪”号航天飞机
美国的航天飞机由轨道器、两个固体火箭助推器、推进剂贮箱三部分组成。轨道器形同飞机，长约37米，翼展约23米，重68吨，由前、中、后三段构成。前段是驾驶舱，可乘坐3～7名宇航员；中段是运载舱亦称货舱，可装载30吨的有效载荷；后段是动力服务舱，装有尾翼、3台主发动机、变轨发动机、姿态控制发动机系统等，用以推动和控制轨道器的飞行。作为进入轨道飞行和返回地球的装置部分，轨道器表面敷设了二氧化硅防热瓦，可抵御重返大气层时由于高速而产生的数千摄氏度的高温。可重复使用100次的轨道器，具有一般航天器所具有的各种分系统，可以完成多种功能，包括人造卫星、货运飞船、载人飞船甚至小型空间站的许多功能。它还可完成一般航天器所没有的功能，如何近地轨道施放卫星，向高轨道发射卫星，从轨道上捕捉、维修和回收卫星等。围绕地球运行的太空望远镜也属于卫星类航天器，因此也可由航天飞机轨道器进行施放和维修。轨道器后段安置的3台主发动机均为液氢液氧火箭发动机。每台推力为213吨，每次飞行工作约8分钟，要求使用50次以上。
固体火箭助推器为航天飞机垂直起飞和冲出大气层提供约78%的推力，要求使用20次以上。两枚固体火箭助推器的初始总推力达2450吨，总工作时间117秒。点火后55秒，推力可降低33%，以保证航天飞机的飞行过载不超过3个重力加速度，这就使轨道器驾驶舱的环境条件优于载人宇宙飞船的乘员座舱即返回舱。每枚固体火箭助推器长45.5米，直径3.7米，重约566吨，先分段装药浇铸，再对接装配在一起。前锥段里装有降落伞系统，用于工作完毕后在海面上予以回收。
推进剂贮箱是航天飞机最大的部件，也是唯一的不可回收的部件，用于贮存液氢和液氧推进剂并向3台主发动机输送。它由液氢箱、液氧箱和箱间段组成，总长47.1米，直径8.38米，材料为铝合金。外表面敷有泡沫和软木隔热层，净重33.5吨，加注推进剂后重约740吨。推进剂贮箱把轨道器和两枚固体火箭助推器连接在一起，构成航天飞机和谐的整体。
发射时，整个航天飞机起飞质量约为2000吨，起飞推力约为3000吨。它矗立在发射台上，俨然一个庞然大物。
图四 宇航员在航天飞机货舱内
航天飞机的工作程序
总的说来，航天飞机的工作程序是由地面准备工作程序、飞行程序和回收程序3个依次相连接的程序组成的。
地面准备工作程序 在美国东南部的佛罗里达州肯尼迪航天中心装配大厅里，航天飞机呈垂直状态被装配在可移动的发射台上；再垂直运送到发射塔架旁的导流槽上方；然后按操作规程对各部分和整体进行检查测试。整个航天飞机经检查测试合格后，开始加注液氢液氧推进剂，处于发射待飞状态，标志着地面准备工作已完成。
飞行程序 发射时，按下发射按钮后，轨道器的3个主发动机先点火工作；两枚固体火箭助推器点火提供推力；随即航天飞机垂直起飞，并依照预定的飞行程序上升腾空。2分钟后，两枚固体火箭助推器同时关机并分离，此时高度约为45公里。固体火箭助推器分离后靠降落伞悬吊徐徐落在海面上，由回收船回收，供下次再用，要求可以使用20次以上。与此同时，3台主发动机继续推进轨道器和推进剂贮箱的结合体向上运动。起飞后8分钟，3台主发动机关机，推进剂贮箱与轨道器分离，此时高度约为109公里，速度每秒约7.47公里。推进器贮箱分离后在坠入大气层时烧毁。这时，轨道器变轨发动机亦机动系统发动机点火，用小推力把轨道器精确地送入预定的近地轨道。航天飞机轨道高度随飞行任务不同而异，轨道倾角在28.5度至105度之间。轨道器可在近地轨道上运行7～30天，执行各种航天任务。
返回程序 轨道器返回时，变轨发动机点火工作，使轨道器减速，脱离原来的运行轨道并沿椭圆轨道再入大气层。进入大气层后，航天飞机按大攻角姿态飞行以增加气动阻力，进行减速和控制气动加热。随着飞行速度下降航天飞机的飞行攻角逐渐减小，最后进入亚音速滑翔飞行状态，在导航系统引导下奔向机场并着陆。航天飞机的着陆速度约为每小时340～365公里，需要的跑道长度为3公里。轨道器着陆后，进行安全处理、维修、装填和测试检查，以备再用。
如在起飞后到飞行262秒之间，发现轨道器不能入轨或没有必要继续飞行，宇航员可按应急返回程序利用贮箱的氢氧推进剂，驾驶轨道器紧急飞回发射场区的机场着陆。
与一般飞机的区别
第一，飞行环境不同。一般飞机是在地球稠密大气层中运行的飞行器，大都在距离地面18公里以下的对流层中飞行；只有少数高性能的现代战斗机和侦察机才能在距地面18～50公里的平流层中飞行。而航天飞机是在稠密大气层以外的太空中运行的飞行器，通常在185～1100公里高的轨道上运行。这一高度仍属于近地轨道的范畴。
第二，动力装置不同。为一般飞机提供动力的发动机是从大气中吸取空气作为燃料燃烧的氧化剂的，故称为吸空气发动机。飞机在大气层中飞行时只带燃料箱不带氧化剂箱。而航天飞机则不同，它冲出大气层，几乎是在真空中飞行，因而使用火箭发动机提供推力，不仅携带燃料箱，还要携带氧化剂箱。火箭发动机是人类目前已经掌握的唯一能在外层空间工作的动力装置。为使航天飞机能在太空机动飞行和修正轨道，轨道器还带有变轨火箭发动机和姿态控制火箭发动机。航空发动机系统包括燃料箱在内均可随飞机多次使用；而航天飞机上的两枚固体火箭助推器和推进剂贮箱却在完成发射任务后先后与轨道器分离。虽然固体火箭助推器回收后可重复使用，但要重新装药并与新的推进剂贮箱进行连接。
第三，升降方式不同。航空飞机的升空是一个从起飞线开始滑跑到离开地面，加速爬升到安全高度为止的运动过程。它返回地面降落时只要经过下滑和着陆即可。只有个别飞机如英国的“鹞”型战斗机采用发动机喷口转向的方式使飞机能够垂直起落，但机身并未竖起，仍处于水平位置。而航天飞机是机头向上竖立在发射塔架上启动发动机垂直起飞的，最终进入近地轨道运行。它返回地面的过程也远较一般飞机复杂，必须经历离轨、过渡、再入和着陆4个阶段。除了着陆阶段类似于一般飞机以外，其他3个阶段都是一般飞机所没有的。
第四，飞行速度不同。分为民用和军用两大类的航空飞机，飞行速度都较低。目前世界上最快的飞机也就是超音速2倍多（个别的能达3倍音速），其余绝大多数飞机都是亚音速飞行的。而航天飞机因要载人载物在太空做科学试验或施放航天器或与空间站对接等，必须具有在轨道上持续飞行1周至1个月的工作能力，故而要求确保以23倍的音速在近地轨道上运行。只有这样才能使轨道器在运动中所产生的离心力与地球引力相平衡，免其坠落地面。
唯一的严重事故
由前所述，不难看出，航天飞机涉及的科学技术门类繁多，是名符其实的当代高、精、尖技术综合应用的成果。单就20世纪80年代初期就投入应用的液氢液氧大推力火箭发动机来说，其研制就非常困难。因为液氢沸点是零下25摄氏度，液氧沸点是零下183摄低度，需要特殊材料存贮和输送，给制造工艺和各项试验都带来一系列的难题。以往的火箭发动机通常是一次使用的，工作时间在几分钟之内；而航天飞机轨道器上的发动机却要多次使用，总工作时间是几小时。这就使发动机的研制必须在设计、材料和工艺方面进行艰苦的攻关。轨道器装置的3台氢氧主发动机，在同样重量下，推力大大增加，且无毒害污染，是一种低温高能长寿命火箭发动机。此外，制造航天飞机还要解决复杂的空气动力学、防热系统设计、大型飞行体回收技术等问题，不仅需要巨额投资，而且需要雄厚的技术基础和顽强的攻关能力。
既然航天飞机是高新技术的产物，它必然带有高风险性。1986年1月28日上午11点38分，已经成功地飞行了10次的“挑战者”号航天飞机从肯尼迪航天中心起飞，73秒后这架价值12亿美元的飞机突然发生爆炸，7名宇航员全部罹难，造成了航天史上的大悲剧。
经过打捞收集“挑战者”号的残骸碎片和组织专家分析研究后，调查这一严重事故的总统委员会的报告，最终确定爆炸原因是1个"0"型密封环失效所致。具体的说，就是由于右侧固体火箭助推器连接处存在设计上的缺陷和发射时气温过低，致使该处“0型密封垫圈未能起到密封作用而造成的。由于在低温下，垫圈未能达到应有的膨胀度处于冷缩状态，导致固体火箭的火焰喷出即连接处漏火，加热了旁边的液氢贮箱。液氢迅速汽化压力猛增，故引起爆炸。
为此，美国有针对性地采取了改进措施，在两年后又恢复了航天飞机的飞行，并研制了“奋进”号航天飞机。现在“哥伦比亚”号、“发现”号、“阿特兰蒂斯”号和“奋进”号4架航天飞机还在轮番飞行。
百次飞行的主要贡献
总的说来，航天飞机以其特有的重复使用性、多用途性、经济性和较好的环境条件为人类的航天活动开辟了更广阔的前景，使航天活动进入了一个新的阶段。5架航天飞机共计100次飞行中，还没有1架超过50次，故不需更换任何1架的轨道器和3台主发动机。在这19年的飞行中，5架飞机取得了突出的成就，共向近地空间远送了136万公斤的物资和624人次的乘客。在载人航天器中，它是运载宇航员进入太空人次最多的一种。
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一次性使用的运载火箭费用的三分之二或一半。19年来，宇航号共计在航天飞机上施放和回收了近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、“尤里西斯”号太阳探测器等，还进行了绳系卫星的发电试验。这些航天器为人类开发利用太空资源，观测宇宙、深化对天体的认识作出了重要贡献。
就科研内容来说，航天飞机具有多种航天器的功能，可以携带各种有效载荷在太空特殊条件下进行地面无法实现的一系列的科学试验。由中科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AMS，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天且工作正常就是一个主要事例。著名科学家丁肇中还准备将AMS放置在将建成的国际空间站上进行为时1年的探测工作，以揭示宇宙奥秘。
为了给建造国际空间站积累经验，从1995年6月至1998年6月，美国航天飞机和俄罗斯“和平号”空间站共进行了9次太空对接，总计完成了多个国家的43名宇航员和34吨设备及补给品的运送任务。宇航员们在两大航天器的交会、测距、相接过程中，不仅解决了一系列的技术难题，而且还在站上联合进行了舱外活动，开展了生物、医学、材料、探测等科学试验，取得了丰硕的科研成果。多次对接活动，还使宇航员探索了在太空工作的各种有效方式，为国际空间站的轨道组装和科学管理摸出了一套可行办法。
在航天飞机的百次飞行中，有5次是飞赴建设中的国际空间站，使后者具备了接待宇航员长期居住的基本条件。5架航天飞机在太空的100次飞行，总计滞留近地轨道的时间接近两年半。
图七 航天飞机向国际空间站运送人员、物资
标签：航天飞机论文; 宇航员论文; 大气层论文; 火箭发动机论文; 航空航天论文; 航天论文; 太空论文; 发动机论文;