航天飞机的在轨服务“特技”

文/ 尼莫

▲ 航天飞机组装国际空间站

▲ 修复哈勃空间望远镜

▲ 航天飞机捕获国际通信卫星

随着在轨服务再次成为航天技术的热门话题，退役多年的航天飞机也得到更多的审视。公允地说，航天飞机虽然没能实现革命性降低发射成本的目标，但作为一个大型航天器，其在轨服务能力是空前的。

军事航天的倍增器

航天飞机是美国宇航局（NASA）和美国空军联合研制的可重复使用航天运载器，它巨大的货舱可以用来运输货物、发射卫星，配合机载的大型机械臂也是有史以来最强大的在轨服务平台。美国空军曾对航天飞机寄予了很大希望，要用其来执行卫星发射、卫星维护、卫星回收和反卫星等多种任务，是美国提高太空军事能力的力量倍增器。

先来说卫星发射。航天飞机货舱长度18.3米，直径4.6米，可以容纳大型卫星以及上面级火箭，美国空军计划使用航天飞机发射各种军用卫星，包括国防通信卫星（DSCS）、猎户座信号情报卫星和国防支援卫星（DSP）等。航天飞机货舱装有惯性上面级（IUS）和卫星，IUS将这些卫星从近地轨道送入同步转移轨道，航天飞机一度成为美军卫星发射的顶梁柱，不过1986年挑战者号航天飞机事故后，航天飞机军用发射任务基本取消。

值得一提的是，航天飞机计划于1972年正式启动，这时传输型成像侦察卫星发射还遥遥无期，而KH-10载人空间站又已经取消，美国空军研究使用航天飞机为KH-9“六边形”侦察卫星更换胶卷舱甚至加注燃料，从而延长它的使用寿命。美国从1971年到1986年累计发射了19颗“六边形”侦察卫星，但它们的寿命最长也就是几个月，如果航天飞机能为它们补充胶卷以及补加燃料，肯定能显著提高卫星的性价比。然而，由于后续KH-11传输型侦察卫星大获成功，新一代侦察卫星不再需要补充胶卷的服务，航天飞机在轨服务的早期概念也就烟消云散了。当然，民间一直流传航天飞机为KH-11系列卫星补加燃料的传说，但这些传说从未得到确认。

关于航天飞机的军用价值还有更玄幻的传说，比如使用航天飞机破坏敌方卫星，或是捕获敌方卫星带回地面。虽然航天飞机从未对苏联卫星进行过这些操作，但毋庸置疑它具备这样的军用潜力，始终是悬在苏联头上的达摩克利斯之剑。这也是苏联不惜重金发展暴风雪号航天飞机的根本动力。

▲ 航天飞机在轨组装自由号空间站示意图

民用卫星的修理工

航天飞机虽然没有投入太空战场，捕获或摧毁敌方军用卫星，但却在民用卫星上显示了实力。美国的太阳峰年卫星（SMM）是用来执行太阳观测任务的，但这颗1980年2月发射的卫星，因电子设备出现故障，1980年12月就停止工作，让美国失去了轨道上唯一观测太阳的“眼睛”。要重新制造和发射这样的天文卫星不仅需要经费，而且时间未必来得及。1984年4月10日，挑战者号航天飞机成功捕获了这颗卫星，并于次日修复了姿态控制系统和电子设备的故障，让这颗本来失效的卫星重焕生机。这次任务测试验证了航天飞机在轨服务的实用性，而太阳峰年卫星也由此成为人类历史上第一个被在轨捕获和维修的航天器。

1985年4月，发现号航天飞机释放了Leasat-3（又称Syncomm4-3）卫星，但上面级未能点火。要是普通用火箭发射上面级，点火失败，那就只能放弃卫星了，但发现号航天飞机随后机动交会伴飞卫星，并派出2名航天员手动启动，可惜仍未获得成功。几个月后，发现号航天飞机又发射升空，再战Leasat-3卫星，交会后将其收回货舱，重新安装了新的电池和启动装置，并再次在轨释放。PAM-D上面级这次启动成功，将卫星送入预定轨道，淋漓尽致地展示了航天飞机空前的在轨服务能力。

航天飞机最著名的在轨服务目标，当属目前仍在运行的哈勃空间望远镜。哈勃望远镜入轨后才被地面发现，由于主镜片存在研磨错误，边缘弧度比设计略微平了一点，造成成像模糊。怎么办？不幸中的万幸，哈勃望远镜在设计上就有计划要使用航天飞机进行维护。

1993年12月，奋进号航天飞机发射升空，对哈勃望远镜进行了修理，通过光轴补偿矫正组件和新的广域行星相机更换，对哈勃望远镜的成像质量进行了矫正，相当于给哈勃望远镜戴上眼镜，解决了“近视眼”的问题。这次任务还更换了望远镜的陀螺仪、动量轮、磁力计和部分电子元器件，升级了计算机，并提升了哈勃望远镜的轨道高度。1993年的奋进号航天飞机任务是哈勃望远镜的首次在轨维修，此后美国使用航天飞机又对其进行了4次在轨维护，让这台望远镜成为人类仰望星空最敏锐的眼睛。

▲ 航天飞机建造自由号空间站计划示意图

▲ 航天飞机派出航天员修卫星

空间工程的勤务员

航天飞机的在轨服务能力，不仅表现在发射和维修卫星，它更是建造空间站等大型航天器的中流砥柱。美国宇航局从设计之初，就计划使用航天飞机支持空间站等大型航天器的在轨组装。通过基于航天飞机的在轨服务，人类的航天器和航天探索能力都达到前所未有的水平。

1973年，美国发射的天空实验室接纳过3艘阿波罗飞船访问，但它没有轨道机动能力，由于发射时一侧太阳翼脱落，供电能力不足，美国宇航局计划使用航天飞机携带一个轨道机动模块，提升天空实验室的轨道，后续还有为它安装25千瓦大型太阳翼的方案。然而，太阳活动导致高层大气密度和阻力增加，而航天飞机的研制又延期，天空实验室于1979年再入陨落，让航天飞机失去了大显身手的机会。

1984年，美国总统里根在国情咨文中正式提出，将在未来10年建立一个名为自由号的永久性空间站。自由号空间站是典型的桁架式空间站，桁架上挂多个舱段及太阳翼和舱外载荷，技术水平要比苏联的和平号空间站高很多。自由号空间站建设的绝对主力就是航天飞机，它的实验设备、桁架和舱段都将由航天飞机货舱携带发射升空，在轨组装建造更是需要航天飞机的参与，建成后航天飞机每年飞行数次，承担人员往返，运送补给和实验设备的任务。

然而，自由号空间站任务一拖再拖，冷战结束后国际形势缓和，最终演化为国际空间站。国际空间站虽然有俄罗斯舱段，但主要部分仍然要由航天飞机运送和组装。国际空间站的3个节点舱、3个实验舱以及多功能货舱，更不要说桁架以及其上的舱外实验设备和太阳翼，都是航天飞机运送和组装的结果。早期加拿大机械臂2尚未升空，空间站舱段的对接组装更是完全依靠航天飞机。航天飞机是国际空间站建成前人员往返和货物运送的主要工具，必要时还可以用来调节空间站的轨道，是货真价实的在轨服务多面手。毫不夸张地说，没有基于航天飞机的大量、广泛和持续的在轨服务活动，就无法建成今天我们看到的国际空间站。

▲ 航天飞机机械臂抓获Leasat3卫星