航天飞机： 辉煌一个时代的

■ 梁晓鹏

航天飞机是为人类太空飞行任务而开发并运行的一种集火箭发射、轨道飞行器及携带标准组件的再入太空飞机为一体的可重复使用发射系统。（通常所说的航天飞机只是其中的轨道飞行器，有点用词不当。）迄今为止，只有美国与苏联有能力制造能进入近地轨道的航天飞机，并曾实际成功发射并回收。苏联解体后，相关的设备由哈萨克斯坦接收，但由于经费不足致使航天计划陷入停顿。目前，世界上只有美国的航天飞机可以实际使用并执行任务。

美国研制的航天飞机执行美国航空航天局、美国国防部、欧洲航天局、日本以及德国的轨道飞行任务，发射地均为佛罗里达州的肯尼迪太空中心。按计划，该系统在完成发射135次任务之后于2011年卸任，主要任务包括发射卫星和星际探测器、执行太空科学实验、保养并建设空间站等。该系统总共有五个轨道飞行器：“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号和“奋进”号。

航天飞机发射时由外舱、固体燃料助推器和搭载宇航员及辎重的轨道飞行器组成。它在二个助推器和三个主引擎的作用下升空，使用的燃料为装载于外舱的液态氢和氧。航天飞机二级升空，起飞到达一定高度时助推器被抛入大海，供回收再利用。轨道器和外舱借助主引擎动力继续升空，速度达到7.8千米/秒时主引擎关闭，进入近地轨道，外舱被抛向大气层烧毁，轨道操作系统引擎可用来调整轨道。

航天飞机通常搭载7人，可载重量20多吨。轨道器顶端顺长设置带门货舱，因此可以装卸像哈勃空间望远镜之类的大号卫星，也方便将大量货物带回地球。

航天飞机的设计及建造早在20世纪70年代就已开始，其概念在“阿波罗”计划之前就已形成。1954年，美国国家航空咨询委员会将其作为一个实验项目由瓦尔特·道恩伯格提出，代号为X－15。这一项目到1958年发展为另一X系列飞船议案，称为X－20，但没有执行，取而代之的是1966年提交的HL－10。值得注意的是，它们都挑选阿姆斯特朗做领航。

20世纪60年代中期，美国空军开始秘密研究新一代太空运载系统，认为最廉价的选择是部分再利用。经过反复酝酿、讨论和竞争，最后提出一种由大助推器和小轨道器组成的二级驱动系统，称为DC－3。1969年尼克松总统决定实施航天飞机研制计划，1973年在比利时召开的欧洲部长会议批准了西欧载人航天计划和太空站项目，直接促成了航天飞机的诞生。

航天飞机是第一批重复使用的轨道飞行器，往返于地球与太空及国际空间站之间，执行运送、回收和维修保养等任务。它的核心因素为运载商用和军用卫星的能力，设计寿命为100次发射和10年运营，总设计人是马克西姆·费格特。航天飞机的各个部件分工负责，肯尼迪太空中心负责赤道环行的发射、着陆和转向，美国空军范登伯格基地负责环行二极的发射、着陆和转向，林顿·约翰逊太空中心为飞行操作中心，马歇尔太空飞行中心负责主引擎、外舱和火箭助推器，史泰尼斯太空中心处理主引擎试验，高达太空中心负责全球跟踪网络。

航天飞机最早使用可靠的计算机化半自动数码飞行控制系统，使用的是类似PL/I的高级语言HAL/S，共五台相同冗余共用IBM32比特AP－101计算机。其中四台同步运行初级航空电子软件系统，即使二台出现失误，立即会被清除；如果四台都出现故障，第五台飞行备份系统就会启动。这样设计的目的是：若出现一次故障，航天器可继续执行任务，出现二次故障，仍可安全着陆。1990年，原来的主机被更换，升级为AP－101S，增大了储存量和数据处理速度。

航天飞机研制于20世纪70年代，经过多次升级和调整，性能、可靠性及安全性能都得到改善。从航天器内部看，除了航空电子计算机之外，与原来设计大体相似。原来的模拟首航仪器更换为现代全色平板显示器，像空中巴士A380和波音777那样。随着国际空间站的建立，轨道器的内部气闸更换为外部对接系统，这样便可储存更多的货物以备后用。

航天飞机发射的气候条件包括降水、温度、湿度、云层、闪电预报及风力，当然也不限于这些。航天飞机的主要材料是铝，它可以保护飞船内部系统，但起飞时尾部排出的烟柱直通地面形成接地，因而会诱发闪电，因此只要有闪电的可能，就得取消发射。即便已经进入倒计时状态，只要发现关键性问题，控制中心的地面发射定序器也会停止计数而终止发射。

航天飞机一旦进入运行轨道，就开始作业，往往多个任务同时进行。20世纪八九十年代多为空间站任务，或发射各种卫星及科学探测器；世纪之交其重心转移到维护空间站，发射卫星的次数减少。大多数任务需要在轨停留数天至半个月。

航天飞机再入的整个过程基本上是由计算机自动控制，当然在紧急或意外情况下也可以人工操作；接近和着陆阶段可以自动操作，但通常是人工控制。轨道操作系统引擎点火后，机尾向前，离开轨道大约3分钟，航天飞机速度降到大约322千米/小时，其结果是航天飞机降低近地点而进入大气层，开始滑翔飞行和水平着陆阶段。

着陆后，航天飞机必须在跑道停留几分钟以便冷却，工作人员检测首尾是否有氢、肼、甲肼、二氧化氮和氨。一旦发现氢，立即进入应急状态，马上关机并撤出该区域。40分钟～60分钟之后，由25种特制仪器和150名熟练工程师及技术人员组成的护卫队到达现场，通过净化和通风管道清除燃料管道和货舱的有毒气体。飞行医护人员登机对机组人员进行离舱前的初步检查。机组人员出舱后，航天飞机转运到肯尼迪太空中心，准备再次发射。

航天飞机的理想着陆地是肯尼迪太空中心。如果气候不利，可推迟降落，当然也可降落在别处，但必须由航天器运载机背回卡纳维拉尔角。

航天飞机 飞行次数 飞行日数 飞行圈数 最长飞行哥伦比亚 28 300日17小时46分钟42秒 4808 17日15小时53分钟18秒挑战者 10 62日07小时00分钟00秒 5830 15日02小时48分钟08秒亚特兰蒂斯 32 282日00小时56分钟15秒 995 08日05小时23分钟33秒发现 39 365日00小时奋进 24 280日09小时00分钟28秒 4602 13日20小时12分钟44秒39分钟44秒 4429 16日15小时08分钟48秒

对于航天飞机来说，致命因素包括：轨道微型流星碎片，主引擎灾难性故障，固体火箭失灵，攀升产生的残片撞击热保护系统，机组人员登陆失误，高压容器故障等。2011年年初，美国航空航天局的风险评估研究表明，操作航天飞机的风险不容低估，但随着安全系统的改善，事故发生率从先前的1/9下降到后来的1%。

随着科技的发展，美国决定终止航天飞机计划，这是由多方面的原因造成的。在航天飞机服役的数十年中，设计者最初设想的以航天飞机大载荷、可重复使用等特点来节约经费的目的并没有达到，因为航天飞机的自重、回收后必须彻底检修等原因，航天飞机运载453克物资的花费达到2万美元！而且航天飞机最初100次飞行任务的设计寿命根本不可能达到，目前执行任务最多的是“发现”号，也只完成了39次。

在美国新的航天器诞生之前，宇航员只能通过俄罗斯的航天器往返于国际空间站。20世纪八九十年代，美国曾计划研制第二代航天飞机。进入21世纪后，美国航空航天局开始研制新的航天器，不但计划搭载游客并向国际空间站运送物资，而且还超越了环地轨道飞向月球和火星。这个航天器的概念后来演化为“猎户座”号太空飞船，这个项目也被命名为“星座”计划。美国航空航天局原计划于2010年之前启动“星座”计划，但是2010年2月，奥巴马总统的美国政府提议不再使用公共资金进行“星座”计划，并把这个负担推给了私营企业。2010年10月11日，美国航空航天局授权法的签订取消了“星座”计划，这标志着航天飞机退役时将会留下一个空白。

此外，还有一个名为HLV的项目在利用航天飞机发射系统概念的基础上计划研制一种高重量级的发射器，按照设计可以将载重90吨的航天器送入近地轨道，其成本将是“星座”计划1/5，到2015年可以完成。