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发信人: dxmxqe (在等待), 信区: Aero
标  题: 航天飞机前传
发信站: 哈工大紫丁香 (Tue Dec 23 12:21:54 2003), 站内信件

发信人: andrews (旱鸭子～Doctor of BBS), 信区: Aero 
标  题: 航天飞机前传 
发信站: BBS 水木清华站 (Mon Dec 22 22:38:04 2003), 转信 

  我受不了了，只好把我将近一年前发在世界航空航天博览上的 
一篇航天飞机的发展史拿出来给大家看看了。希望刘妈不要追杀 
我。 

    航天飞机简史：从概念到营运 

    2003年2 月1 日，" 哥伦比亚" 号航天飞机在重返大气层时解体失事，机上 
全体乘员不幸遇难。在震惊惋惜之余，很多人不禁对航天飞机技术产生了疑问。 
为何要研制发展航天飞机？航天飞机使用的技术是否可靠？在下面的篇章里，让 
我们一起来回顾一下航天飞机的历史。 

    一、早年的探索可重复使用的航天器齐奥尔科夫斯基的宇宙航行理论指出， 
任何能够达到第一宇宙速度的航天器，必然都需要巨大的推力。如果是使用化学 
燃料的航天器，那么所需的燃料数量将十分惊人，而它实际能够搭载的载荷却十 
分有限。如果把一枝铅笔比作一枚运载火箭，那么铅笔的尖头部分大概就是运载 
火箭能够搭载的载荷。如果要用运载火箭将比较大型的载荷发射到轨道上，那么 
运载火箭的体积将是很庞大的。例如将" 阿波罗" 登月飞船和" 天空实验室" 空 
间站发射上天的土星五号运载火箭，高达110 米、空重达240 吨、加满燃料以后 
更是重达2766吨。可以想见，如此的庞然大物必然结构复杂、成本昂贵。尽管运 
载火箭上的部件都非常可靠，可以多次重复使用，但整枚火箭却只能使用一次。 
代价如此高昂，即使是象美国这样的超级大国也无法随心所欲地进行航天发射。 
人类要想进一步利用开发太空，就必须想法设法降低航天发射成本。 

    早年的航天工程师们研究了运载火箭的成本之后发现，发动机和控制系统是 
液体火箭里最贵的部件，而占去火箭绝大部分重量的化学燃料实际上并不花多少 
钱。如果有办法把烧完了燃料的火箭收回来再次使用，那么一次发射的成本就可 
以大大下降了。由此，工程师们提出了" 可重复使用航天器" 的概念，力图设计 
出可以多次回收使用的航天器以便降低航天发射成本。 

    从" 巨无霸" 到" 星际飞剪" 60年代初通用动力公司提出过" 内克索斯" 巨 
型火箭的设计方案。无论从哪个指标来看，" 内克索斯" 都是个巨无霸。它可以 
将1 千吨重的有效载荷送入轨道。为了达到这样的性能，它被设计成一枚高133  
米、加满燃料后全重达2 万4 千吨的巨型单级火箭。火箭的所有部件都是可以回 
收使用的，为此还特别配备了反冲火箭。火箭将载荷送入轨道以后自身向海洋坠 
落，靠近海面时启动反冲火箭以减轻溅落时的冲击力。这样的火箭无疑令人印象 
深刻，不过当时并不具备相关的技术条件。即使是今天，建造这样的火箭也是不 
太现实的。 

    1966年，美国空军和宇航局联合赞助的一项研究中定义了三种不同类型的可 
重复使用航天器。第一类实际上是放在普通火箭顶端的小型返回舱。它采用升力 
体设计，可以操纵，可以在跑道上降落。第二类是有翼火箭。它分助推级和轨道 
级两部分，都带火箭发动机和燃料箱，都是可以操纵的升力体外形。它的工作方 
式很象普通的两级火箭，垂直发射升空到一定高度后两部分分离，助推级自行在 
跑道上降落，轨道级携带载荷进入轨道，任务完成后同样在跑道上降落。第三类 
航天器同时配备航空发动机和火箭发动机。航天器用航空发动机达到一定高度速 
度后启用火箭发动机进入轨道。 

    洛克西德公司的马科斯。亨特利用他在民用航空方面的经验对三种可重复使 
用的航天器进行了经济性研究。他断定第一类航天器成本优势不足，而第三类航 
天器技术难度太高。而比较现实的第二类航天器又有很大的缺陷。主要问题是航 
天器的两个部分都很复杂，但只有一部分可以进入太空。这实际上是用两个航天 
器的费用来达成一个航天器能达到的效果。他指出，燃料箱的结构很简单，并不 
要很高的成本。如果把燃料箱放到航天器外部，采用用完后即抛弃的设计，那么 
航天器就不需要分两级。由简化设计节省的成本远远超过可抛弃燃料箱的费用。 
1967年年底，马科斯。亨特代表洛克西德公司在一次会议上提出了" 星际飞剪"  
设计方案。该方案包括两个部分：轨道级和燃料箱。所有的发动机、控制设备和 
载荷都在轨道级内，燃料箱内只有燃料。此外飞船配备一套全自动的自检系统， 
可以对飞船所有的主要系统进行检查。这样飞船就不需要检修人员进行繁杂的维 
护检查工作，从而大大减少维护费用和发射准备时间。虽然" 星际飞剪" 的设计 
思想在当时并不为人广泛接受，但可抛弃燃料箱和自检系统的概念却最终在航天 
飞机上得到了体现。 

    二、逐渐成形的设计 

    美国人尼尔。阿姆斯特朗于1969年7 月20日登上了月球。登月是60年代太空 
竞赛的最高潮，它代表了人类的伟大进步，也代表了一个时代的结束。航天不再 
是举全国之力，不惜一切代价也要全力以赴的事业。航天预算被大幅削减，人们 
也要求航天工业能够带来更多的实际效益。受到重大压力的航天工业别无选择， 
只有面对现实。航天飞机计划正是美国航天当局和航天工业适应形势的产物。 

    不情愿的军民合作 

    为了满足实时战略侦察的需要，美国空军于1963年年底提出了载人轨道实验 
室（MOL ）计划。该计划将发展一种携带大型侦察相机的空间站。军事宇航员将 
常驻空间站，负责使用相机对感兴趣的目标拍照，现场冲洗底片后判读，然后将 
分析结果汇报给地面。美国宇航局想自行研制空间站，但国会和预算局要求宇航 
局直接采用空军的成果以便节省费用。于是MOL 计划变成了军民合作的项目。60 
年代末技术的进展使得侦察卫星可以将图象实时传送回地面，无需宇航员来承担 
图象判读任务。空军不再需要MOL 计划，而宇航局无力独自承担项目，最终MOL  
被迫搁浅。MOL 计划使得空军和宇航局都认识到，在预算的压力之下双方不可能 
各搞一套，任何载人航天器计划都必须是军民合作的。 

    航天飞机计划此时被提上了议事日程。空军需要载人航天器来维护大型无人 
侦察卫星、承担紧急侦察任务甚至偷窃苏联的卫星。宇航局也急切地需要维持载 
人航天飞行来保住它的地位。双方虽然各有打算，但也只能携手合作发展航天飞 
机。 

    新的构型宇航局的马克希姆。法格特在第二类航天器的基础上进行了重大改 
进。最大的变化就是飞船的两个部分都变成了普通的航空器形状，用机身加机翼 
取代了升力体构型。法格特认为，升力体构型看似简单，实则难于设计。任何一 
点小缺陷都会" 牵一发而动全身" ，导致整个设计推倒重来。再加上升力体构型 
在低速情形下升力很低，着陆进场速度过快（达250 节），因此降落时的风险很 
高。相比之下，普通构型只要能保证有一个平滑的机腹用于再入防热，就可以将 
着陆速度减少一半，而设计难度则大大降低。法格特原本打算用梯型翼取代升力 
体，但三角翼在高超音速下的性能更好，而且可以在飞船再入时提供相当的横向 
机动能力。由于空军要求这种航天器在极地轨道上侦察前苏联领土，所以需要横 
向机动能力来抵消地球自转造成的降落问题。在空军的压力之下，法格特的设计 
最终采用了三角翼。 

    在竞争中成型60年代末70年代初，美国宇航局向多家主要的的航天承包商发 
出了研究合同，要求它们对可重复使用的航天器进行详尽的可行性研究和初步设 
计。它们的方案连同法格特的方案一起接受了严格的评审和论证。 

    根据宇航局和美国空军的要求，这种航天器可以携带18.1吨的载荷从范登堡 
进入极地轨道，或者29.5吨载荷从卡那维拉尔角沿地球自传方向升空。该航天器 
应该具有三角翼布局，以便在再入时进行1500海里的横向机动。体积方面，航天 
器应该拥有20米长、5 米宽的货舱以便容纳较细长的侦察卫星或较粗短的空间站 
模块。 

    北美洛克维尔和麦道两家公司以其雄厚的实力成为了主要的竞争者，洛克西 
德和格鲁曼公司也提出了它们的备选方案。前两家公司的方案都是两级入轨，都 
将燃料箱放在机体内，同时都采用外形相似的三角翼轨道级。洛克西德公司坚持 
其单级入轨的" 三角飞剪" 方案。格鲁曼公司则采用了折衷的办法，两级入轨， 
但轨道级采用可抛弃的外置燃料箱。 

    在各家公司激烈竞争的同时，法格特也在不断改进他的设计。他很快发现外 
置的燃料箱可以大幅减小轨道级的体积，从而降低成本。他设计的MSC －037 方 
案将绝大部分燃料放到外置的燃料箱内，而在轨道级内放入三台功率强大的火箭 
发动机。这个方案很好地满足了对货舱容积的要求，也具备相当的载荷能力。更 
重要的是，外置燃料箱成本较低。很快各家公司都注意到了法格特的方案并且表 
示了认可。1971年9 月，美国宇航局接受了法格特的方案，并要求各家公司以此 
为基础进行轨道级的进一步研究。至此航天飞机轨道级的构形已经大体确定了。 

    同轨道级的顺利进展相比，推进级的发展就坎坷得多。在法格特的方案定型 
之前，各家公司都为推进级绞尽脑汁。推进级因为燃料箱而体积巨大，为了能回 
收推进级势必为其配备完善的再入防热措施。而防热措施将大大增加推进级的重 
量和研制费用。再加上推进级要求的推力巨大，又需要从头研制火箭发动机，进 
一步增加了研制费用。由于研制预算受限，推进级的研制似乎非常困难。 

    法格特方案的出现改变了形势。宇航局发现，用两枚助推火箭加上轨道级和 
巨型燃料箱就可以达成要求，而不需要研制复杂昂贵的推进级。这种方案被称为 
助推轨道穿梭机（TAOS）。宇航局认为这种方案成本较低，技术难度也不大，因 
而对其青眼有加。出于成本方面的考虑，宇航局最终确定助推火箭应采用固体燃 
料。 

    在经历了漫长艰难的努力之后，宇航局终于获得了相关的预算。1972年年中， 
尼克松政府批准了将一笔26亿美元的合同授予北美洛克维尔公司用以发展一种可 
重复使用的航天器。这种航天器被定名为航天飞机。 

    三、设计发展 

    减重 

    北美洛克维尔公司获得航天飞机合同之后就开始了相关的设计和发展工作。 
首先要确定的是轨道级的设计细节。到1972年11月，即北美洛克维尔公司获得合 
同之后的第四个月，许多技术诸元已经有了头绪。此时的轨道级重125 吨，而加 
满燃料的航天飞机将重达2435吨。显然这个设计是太重了，必须想法减轻。 

    减重的重点之一是一对" 紧急中断固体火箭发动机" （ASRM）上。这对救生 
火箭安装在轨道级上，用以在发射升空后出现紧急情况时将轨道级推上较高的高 
度脱险。经过反复研究，宇航局认为救生火箭没有必要，因为固体火箭助推器有 
" 极高的可靠性" ，足以承担救生任务。此举节省了轨道级3 吨多的重量，整架 
航天飞机则节省了44吨。只是13年后的" 挑战者" 号正是由固体火箭产生，不幸 
证明宇航局当初的判断是错误的。 

    另一项减重的重点是轨道级的机翼。三角翼构型比梯形翼的面积更大，重量 
更重，需要的热防护层也更多。但是为了空军的需要，航天飞机还是采用了三角 
翼。为了减重，势必要设法减小机翼的面积。机翼的面积主要是受降落条件的影 
响。如果机翼过小，着陆速度就会过快。通过适当地放宽着陆速度要求，并将机 
翼形状由三角翼改为双三角翼（前者是50度后掠，后者为75度－45度后掠），设 
计人员有效地减小了机翼面积。同时，由于双三角翼可以减小着陆攻角，起落架 
的长度和重量也有所减少。 

    轨道级后来又做了进一步的删减以便减轻重量。到1973年8 月，航天飞机总 
重为2005吨，比它最重时的设计减轻了五分之一。 

    各部件的研发 

    北美洛克维尔公司在拿到合同以后并未独享，而是将超过一半的合同金额作 
为转包给了其他航空航天公司。在轨道级各部件中，格鲁曼公司负责机翼，麦道 
公司负责在轨机动系统，费尔柴尔德公司共和分部负责垂直尾翼，通用动力公司 
康维尔分部负责机身中段。北美洛克维尔公司自己则由宇航分部负责机首、机组 
座舱、机身前段和后段，由火箭达因分部负责主发动机。其他许多公司，如IBM 、 
霍尼维尔、波音、洛克西德等都或多或少地加入到了航天飞机计划当中。可以说， 
航天飞机计划是美国航天工业自阿波罗计划以后又一次携手合作的行动。欧洲宇 
航局（ESA ）也为航天飞机计划提供了太空实验室模块，可在航天飞机货舱中进 
行各种科学实验。 

    航天飞机燃料箱是由宇航局和洛克维尔公司联合设计的，但制造商完全由宇 
航局自己挑选。最终马丁。玛丽埃塔公司以最低的报价获得了合同。早期的燃料 
箱顶端设计有一个小型再入火箭，后来这个火箭被去掉了。燃料箱的外形至今仍 
保持原样。 

    固体助推火箭的研发比燃料箱要复杂一些。有四个公司收到了宇航局为固体 
助推火箭发出的标书，它们是洛克西德推进分部、聚硫橡胶化学、航空喷气－通 
用和联合技术。航空喷气公司提出的方案采用无连接件的整体外壳，可以由水路 
送到发射场。宇航局认为此种方案的外壳强度不够，未予采纳。洛克西德公司的 
设计较为先进，但研发成本很高。聚硫橡胶公司的设计含有许多尚未验证的技术， 
风险较大。但该公司管理得力，预计研发成本可以得到控制。联合技术公司的方 
案没有特色，未受重视。宇航局认为，成本因素较为重要，相比之下尚未验证的 
技术可以很快得到测试。因此最终采纳了聚硫橡胶公司的方案。" 挑战者" 号失 
事时使用的正是聚硫橡胶公司的固体助推火箭，但那是后话了。 

    " 企业" 号原型机 

    航天飞机的研制计划进展很顺利。到1975年圣诞节期间，公众已经可以从航 
空周刊上看到正在总装的航天飞机轨道级照片。第一架原型机于1976年出厂。在 
公众的强烈要求下，这架原型机被命名为" 企业" 号。此后的两年间，" 企业"  
号完成了从滑翔试飞到结构试验的多项试验工作。 

    " 企业" 号于1976年9 月17号出厂公开展示。" 企业" 号原型机实际上只是 
一个铝制机身加上必要的操纵设施而已。它并未配备主发动机、在轨机动和姿态 
控制火箭等上天必备的设备，甚至连防热瓦都没有铺上。展示结束后，" 企业"  
号被运到爱德华兹空军基地。在那里它被装到一架波音747 的机背上。为了增加 
飞机飞行的稳定性，在波音747 的垂尾下方特地多加了一对尾撑。 

    在经过了多次地面滑行试验以后，背负" 企业" 号的波音747 起飞了，一切 
顺利。在对各种情况进行了尽可能完备的试飞以后，" 企业" 号在1 万米高度的 
俯冲中脱离母机，依靠自己的升力和操纵面成功完成了滑翔着陆试验。 

    在完成滑翔试飞之后，" 企业" 号被用于各种结构试验。它曾和燃料箱、固 
体助推火箭装配到一起以检查各部分的结构强度。它也被加上配重，用来模拟航 
天飞机在各个飞行阶段的状况。 

    宇航局原本打算将" 企业" 号改装为实际使用的轨道级，但试飞发现原型机 
部分结构强度不足，需要对设计做重大修改。" 企业" 号的改装计划也就未能实 
现。" 企业" 号在完成了使命之后参加了多次航空展，为新的航天飞机设施进行 
测试，还为一些较小型的试验充当了测试平台。今天" 企业" 号还停在宇航局的 
机库里，准备为任何新的需要贡献力量。 

    四、实际飞行 

    飞翔的" 哥伦比亚" 号 

    继" 企业" 号之后，" 哥伦比亚" 号也出厂了。它配备了所有实际进行航天 
飞行必须的设备，是第一艘可以投入实用的航天飞机。1981年4 月12日美国东部 
时间早上7 点整，" 哥伦比亚" 号从卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心的发射台上发 
射升空。它的机长是约翰。杨，飞行员罗伯特。克力彭。" 哥伦比亚" 号配备了 
大量测量仪表以检测航天飞机的运行状况，除此之外并无其他载荷。在轨道上运 
行两天之后，" 哥伦比亚" 号于4 月14日返回地面，在加州爱德华兹空军基地降 
落。 

    这次试飞标志着人类航天事业的一个里程碑。在首飞中，航天飞机的各个系 
统得到了成功的验证。事后检查中发现有六块防热瓦脱落，148 块受损。此后每 
次飞行，防热瓦多少都会受到一些损伤。虽然事后的维护中必然会整修防热瓦， 
但防热瓦受损已是司空见惯，宇航局也不认为损失几块会对航天飞机造成严重影 
响。 

    继首飞之后，" 哥伦比亚" 号又接连承担了四次飞行任务。通过这些任务， 
航天飞机的性能基本上得到了验证。航天飞机作为一种多功能的宇航运载工具已 
经确立了自己的地位。 

    " 挑战者" 号悲剧和它的余波 

    1986年1 月28日，" 挑战者" 号从卡纳维拉尔角发射升空。升空后第72秒， 
由右侧固体助推火箭泄漏出来的炙热气体导致助推火箭开始向燃料箱偏转。第73 
秒，炙热气体对燃料箱造成的破坏开始显现出来，液氢燃料箱被撕开，大量液氢 
涌出。在短短的0.02秒之后，助推火箭和燃料箱相撞，液氧燃料箱也被破坏。液 
氢液氧混合，瞬间发生了巨大爆炸。" 挑战者" 号被强大的气动力撕成数块碎片， 
在燃烧中坠入大西洋。机上七名宇航员全部遇难。 

    事后的调查表明，事故原因是固体助推火箭上的一个密封圈在极低温下失效 
造成的。原本被宇航局认为" 高度安全可靠" 的固体助推火箭被证明存在缺陷。 
几名工程师在事前发出过警告，但被宇航局高层忽视，最后酿成了这次悲剧。 

    " 挑战者" 号失事以后，航天飞机的维护工作得到了前所未有的重视。每次 
飞行归来，航天飞机都要完全分解，对每一个部件、每一个系统进行严格到近乎 
苛刻的检查。这样做无疑大大加强了航天飞机的安全性。但由于航天飞机在设计 
时并未考虑严格维护的需要，分解检查需要耗费惊人的人力和时间。由此航天飞 
机的运行费用大幅上涨，而任务出勤率也远不及原先的设想。 

    为了填补" 挑战者" 号的空白，美国又建造了" 奋进" 号航天飞机。它于1992 
年5 月7 日完成了处女航。 

    五、结语2003年2 月1 日，" 哥伦比亚" 号航天飞机在完成任务后返回地面 
的途中不幸解体失事。这次事故再次提醒了人们，航天事业是充满了危险的。可 
以想见，在未来的一段时间内航天飞机将全部停飞，直至事故原因查清、改进措 
施到位。在调查事故原因的同时，美国也着手研制下一代的可重复使用航天器。 
根据宇航局最新公布的计划，到2010年将有新型两级航天器投入使用。不过由于 
航天飞机的生产设施已经关闭，未来不会有新的航天飞机来替代" 哥伦比亚" 号。 
在新型运载工具出现之前，现有的三架航天飞机仍执行全部的美国载人航天飞行 
任务。 

    回顾航天飞机发展史，我们可以清楚地看到经济条件限制下的技术发展道路。 
这样的发展模式虽然限制了航天飞机的性能，但却以有限的资金取得了相当的成 
就。这样的发展模式，对我国今后的研究发展计划也有一定的借鉴意义。 

    附录：一、六架航天飞机轨道级的情况" 企业" 号：按公众的要求，以科幻 
剧集" 星际旅行" 中的星际飞船" 企业" 号命名。原型机，完成了滑翔试飞和许 
多测试项目。原计划改造为实用航天飞机，但最终未能上天。现存放于宇航局库 
房中。 

    " 哥伦比亚" 号：以早期美洲殖民地的一艘探险船命名，也是美国人探险精 
神的象征。最老的实用航天飞机，完成了航天飞机的首航。先后承担过28次飞行 
任务。它经历过三次主要的改进。第一次改进是1991年，主要内容是和着落系统 
相关的刹车、阻力伞和前起落架。此外其防热系统也得到了改进。1994年的第二 
次改进主要针对主起落架系统，包括起落架防热系统、胎压测量系统和散热器控 
制电路。1999年的第三次改进主要将传统的指针式仪表显示改为" 全玻璃化" 多 
功能显示器。2002年2 月1 日失事。 

    " 挑战者" 号：以19世纪70年代英国海军" 挑战者" 号科学研究船命名。"  
阿波罗17" 号的登月舱也使用该名。先后承担过10次发射任务。它同" 发现" 号 
一起加装过燃料泵以便在轨发射" 半人马座" 火箭。1986年1 月28日失事。 

    " 发现" 号：以英国探险家詹姆斯。库克船长在南太平洋探险时的一艘探险 
船命名。库克船长的另一艘探险船为" 奋进" 号。到目前为止执行了30次任务。 
它经历过两次改装。第一次加装燃料泵以便在轨发射" 半人马座" 火箭。" 挑战 
者" 号事故后取消在轨发射计划。第二次于1996年加装与国际空间站对接的对接 
口和相关设备。 

    " 亚特兰蒂斯" 号：以20世纪上半叶伍兹霍尔海洋研究所的研究船命名。到 
目前为止执行了26次任务。它出厂时就配备有改进的热防护系统。此后进行按"  
哥伦比亚" 号历次改进的标准进行了改造。可以执行为期4 周的飞行任务。 

    " 奋进" 号：以詹姆斯。库克船长的另一艘探险船命名。为填补" 挑战者"  
号空白而建造。主要部件来自以前留下的备件。目前执行过19次飞行任务。它由 
于出厂时间最晚，配备最为先进。后来较老的航天飞机都以它的标准进行了改进。 
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※ 来源:·BBS 水木清华站 smth.org·[FROM: 66.28.244.170] 
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