雄鷹亦有折翼時(shí)-航天飛機(jī)退役原因簡(jiǎn)析

雄鷹亦有折翼時(shí)航天飛機(jī)退役原因簡(jiǎn)析

智浩雖然美國(guó)航天飛機(jī)鑄就了巨大的輝煌，但是它將在2011年發(fā)射3架次后退役，這是為什么呢？千方百計(jì)難圓滿為了極大提高運(yùn)輸能力，航天飛機(jī)當(dāng)初被設(shè)計(jì)得很復(fù)雜。它里面有3500個(gè)重要的分系統(tǒng)和250萬(wàn)個(gè)零部件，只要其中的1個(gè)重要分系統(tǒng)或關(guān)鍵零部件失靈，就有可能導(dǎo)致重大事故。另外，為了可重復(fù)使用，以降低發(fā)射成本，其軌道器既要有適于在大氣層中作高超音速、超音速、亞音速飛行和水平著陸的復(fù)雜氣動(dòng)外形，又要有能承受再人大氣層時(shí)高溫氣動(dòng)加熱的防熱系統(tǒng)，并在世界上首次裝備了可重復(fù)使用50次的主發(fā)動(dòng)機(jī)。這些都大大增加了航天飛機(jī)研制的技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)。還有，由于技術(shù)上的限制，在運(yùn)載能力和結(jié)構(gòu)安排出現(xiàn)矛盾時(shí)，美國(guó)航宇局選擇了把軌道器與外貯箱平行放置的并聯(lián)方案，而沒(méi)有選擇把軌道器置于火箭頂部這一較安全的串聯(lián)方案，目的是保證軌道器的容積和降低費(fèi)用。這也大大增加了航天飛機(jī)的危險(xiǎn)性。其實(shí)，很早就有人對(duì)航天飛機(jī)的安全性提出過(guò)批評(píng)。一是航天飛機(jī)是人貨混用，而不是像宇宙飛船那樣分載人飛船和貨運(yùn)飛船，所以用航天飛機(jī)發(fā)射衛(wèi)星時(shí)需有數(shù)名航天員陪著上天，這樣做既不經(jīng)濟(jì)，也不安全；二是美國(guó)自認(rèn)為其航天飛機(jī)可靠性極高，所以沒(méi)有采取安全救生措施，因?yàn)榘惭b救生設(shè)備很麻煩。為了節(jié)省費(fèi)用，當(dāng)年在決策航天飛機(jī)方案時(shí)使用了較液體火箭助推器便宜但功能稍差的固體火箭助推器。這也是美國(guó)政治領(lǐng)導(dǎo)人與美國(guó)航宇局領(lǐng)導(dǎo)人在20世紀(jì)70年代初期相互“妥協(xié)的產(chǎn)物”。最棘手的技術(shù)難關(guān)是航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身表面防熱系統(tǒng)。航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)最大推力達(dá)到210噸，比發(fā)射“阿波羅”的土星-5火箭上的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)增加了1倍多，并且推力在65%～109%之間連續(xù)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)航天飛機(jī)從發(fā)射到入軌整個(gè)過(guò)程不同階段的不同要求，而且要能重復(fù)使用100次。它的燃燒室壓力、噴管面積、工作時(shí)間、渦輪泵每秒向燃燒室內(nèi)輸送的液氫液氧等也比J-2發(fā)動(dòng)機(jī)高好幾倍。這些高性能要求對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、推進(jìn)劑輸送、發(fā)動(dòng)機(jī)控制以及加工和制造都是極為困難的，為此，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)、長(zhǎng)期的研制才滿足了設(shè)計(jì)要求。軌道器表面防熱系統(tǒng)是另一個(gè)技術(shù)難題。因?yàn)橛闷胀ㄤX合金制成的軌道器外形太復(fù)雜，返回地面再人大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，為此，航天飛機(jī)采用了輻射式防熱系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)軌道器返回時(shí)機(jī)身各處的熱環(huán)境貼了3萬(wàn)多塊4種不同類型的防熱瓦。這4種防熱瓦實(shí)際上是一些疏松、輕質(zhì)而呈脆性的陶瓷材料．如高溫防熱瓦密度為0.14～0.35克／厘米3，由于其耐溫高、隔熱好、質(zhì)量輕，高溫下不發(fā)生物理和化學(xué)性能的破壞并可重復(fù)使用，作為航天飛機(jī)防熱材料有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。但是，它們的這些性能卻給連接和承受力學(xué)載荷造成了很大的困難，留下了許多隱患。2003年，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)就是因?yàn)樵谄痫w時(shí)遭到外力撞擊，結(jié)果導(dǎo)致防熱瓦上出現(xiàn)裂縫，使得超高溫氣流乘虛而入，最終造成航天飛機(jī)解體。一般返回式航天器（如返回式衛(wèi)星、宇宙飛船）只使用一次，所以再人防熱問(wèn)題較易解決。而航天飛機(jī)外形復(fù)雜，又要重復(fù)使用，因此它在返回地面時(shí)，對(duì)周?chē)諝獾膲嚎s和摩擦產(chǎn)生的高溫高熱的防護(hù)和處理問(wèn)題很復(fù)雜，要求有適合大面積復(fù)雜構(gòu)形的耐高溫、抗沖刷、重量輕、能多次使用的高級(jí)防熱材料，維修也應(yīng)方便。由于在返回階段，目前尚無(wú)專用的系統(tǒng)援救航天員，所以航天飛機(jī)返回比發(fā)射更危險(xiǎn)，關(guān)鍵看軌道器防熱系統(tǒng)是否遭到破壞。不斷改進(jìn)保平安美國(guó)剛開(kāi)始研制并發(fā)射了4架航天飛機(jī)，即哥倫比亞號(hào)、挑戰(zhàn)者號(hào)、發(fā)現(xiàn)號(hào)、阿特蘭蒂斯號(hào)。1986年1月28日，美國(guó)挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)升空時(shí)發(fā)生爆炸后，航天飛機(jī)的安全救生問(wèn)題就擺上了極為重要的位置。美國(guó)對(duì)剩余的哥倫比亞號(hào)、發(fā)現(xiàn)號(hào)和阿特蘭蒂斯號(hào)3架航天飛機(jī)進(jìn)行了283項(xiàng)改進(jìn)，它們包括重新設(shè)計(jì)和制造固體助推火箭發(fā)動(dòng)機(jī)連接處墊圈，更新航天飛機(jī)的防熱系統(tǒng)，提高主發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和工作壽命等等，其中最大的改進(jìn)是吸取了血的教訓(xùn)，在軌道器上增添了航天員撤離滑梯，并配備了整套航天員逃逸系統(tǒng)，一旦發(fā)生意外，逃逸系統(tǒng)能在90～100秒內(nèi)從空中彈射出去，它經(jīng)海軍傘兵66次跳出試驗(yàn)，結(jié)果是成功的。美國(guó)在非洲北部增設(shè)了2個(gè)迫降跑道，供航天飛機(jī)在發(fā)生事故時(shí)緊急迫降用；還改進(jìn)了發(fā)射塔上的應(yīng)急滑行吊籃和滑索系統(tǒng)，對(duì)發(fā)射場(chǎng)周?chē)臏囟取⒗纂姷劝l(fā)射氣象限制條件也制定了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。為了填補(bǔ)挑戰(zhàn)者號(hào)爆炸造成的空缺，保持航天飛機(jī)群的整體規(guī)模，美國(guó)于1987年開(kāi)始耗資近30億美元制造了1架新的航天飛機(jī)奮進(jìn)號(hào)，并于1992年5月7日進(jìn)行了首次發(fā)射。這架航天飛機(jī)在設(shè)計(jì)指標(biāo)上有所改進(jìn)，例如，在軌道器后部增加了1個(gè)低溫貯箱，故能攜帶更多的燃料，使航天飛機(jī)在太空持續(xù)飛行28天左右；配備了一個(gè)直徑13米的著陸減速傘，從而減少了著陸起落架與制動(dòng)器上的拉力，縮短了機(jī)場(chǎng)跑道長(zhǎng)度；在艙內(nèi)新增了先進(jìn)的抽水馬桶和空調(diào)設(shè)備；增大了機(jī)身前段中層的空間，用于存放更多的食品、衣物和個(gè)人用品；用1個(gè)新型的廢物管理系統(tǒng)和1個(gè)可去除C02的再生裝置替代了原設(shè)計(jì)的氫氧化鋰系統(tǒng)；裝備了先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2003年1月16日，哥倫比亞號(hào)進(jìn)行第28次發(fā)射時(shí)，外貯箱上的一塊重約700克的保溫泡沫材料脫落，致使機(jī)翼上出現(xiàn)了一個(gè)小洞，最終導(dǎo)致哥倫比亞號(hào)災(zāi)難的發(fā)生，7名機(jī)組人員全部喪生。航天飛機(jī)橘紅色的外貯箱被保溫泡沫材料所覆蓋，其作用是防止外貯箱內(nèi)的低溫液體氫氧推進(jìn)劑被抽送至外貯箱內(nèi)后其表面出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，而一旦結(jié)冰，這些冰在航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)很容易脫落，并對(duì)軌道器誥成損壞。不過(guò)，由于技術(shù)原因，目前在每次航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)都會(huì)有保溫泡沫碎塊從外貯箱表面脫落。但又因?yàn)檫@種采用聚異氰酸脂制成的保溫泡沫材料泡沫比冰輕得多，所以以前一直被認(rèn)為是無(wú)足輕重的，直到2003年哥倫比亞號(hào)失事才引起重視。為此，美國(guó)航宇局花費(fèi)了巨資重新設(shè)計(jì)了外貯箱，目的是防止在發(fā)射時(shí)外貯箱上的較大保溫泡沫材料脫落撞擊航天飛機(jī)機(jī)身和助推器。對(duì)新外貯箱所采取的措施有：改進(jìn)保溫泡沫材料的安裝方式，提高保溫材料敷設(shè)工藝的標(biāo)準(zhǔn)，重新培訓(xùn)為外貯箱噴涂保溫泡沫材料的技術(shù)工人，去掉容易從外貯箱“凸起氣動(dòng)負(fù)荷”斜面處脫落的保溫泡沫材料，在外貯箱上安裝調(diào)溫裝置等。這是美國(guó)航宇局有史以來(lái)在空氣動(dòng)力方面對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行的最大改進(jìn)。但從技術(shù)上講，保溫泡沫材料的脫落已成為航天飛機(jī)的頑疾，而且在短期內(nèi)很難解決。要想在航天飛機(jī)升空時(shí)不產(chǎn)生任何泡沫碎塊，被證明過(guò)于困難和昂貴而無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但可把泡沫碎塊控制在比較安全的40g以內(nèi)。采取了改進(jìn)措施后，外貯箱保溫泡沫碎塊脫落的現(xiàn)象目前已大大減少了。致命弱點(diǎn)中要害導(dǎo)致航天飛機(jī)停飛的主要原因是原先預(yù)想的航天飛機(jī)應(yīng)有的五大優(yōu)越性經(jīng)大量飛行實(shí)踐證明只有兩項(xiàng)，航天飛機(jī)存在嚴(yán)重的致命缺陷。航天飛機(jī)原先預(yù)想的五大優(yōu)越性是：一是發(fā)射便宜。因?yàn)槠滠壍榔?、固體助推火箭可重復(fù)使用，每次發(fā)射費(fèi)用只需3000萬(wàn)美元就行，而不像運(yùn)載火箭和宇宙飛船是一次性使用的。為此，美國(guó)甚至把運(yùn)載火箭生產(chǎn)線停了下來(lái)，認(rèn)為用航天飛機(jī)來(lái)代替運(yùn)載火箭發(fā)射衛(wèi)星更經(jīng)濟(jì)。二是功能強(qiáng)大。它每次能運(yùn)4～7人和20～30噸貨物，用途十分廣泛，似乎是神乎其神的萬(wàn)能運(yùn)輸器。而目前的載人飛船每次最多只能運(yùn)3人和幾百千克貨物，即使是無(wú)人貨運(yùn)飛船最多也只能運(yùn)送幾噸貨物，滿足不了運(yùn)送質(zhì)量達(dá)20噸左右空間站艙段的需求。三是更加安全。因?yàn)橛泻艽髾C(jī)翼的航天飛機(jī)在再人大氣層時(shí)可獲得足夠的升力，控制升力的大小和方向就能調(diào)節(jié)縱向距離和橫向距離，使航天飛機(jī)準(zhǔn)確地降落在跑道上，并重復(fù)使用；而載人飛船沒(méi)有機(jī)翼，因而無(wú)升力或升力很小，只能以彈道式或半彈道式方法返回，其結(jié)果是氣動(dòng)力過(guò)載和落地誤差都較大，返回時(shí)采用在海面某一區(qū)域?yàn)R落或在荒原某一區(qū)域上徑直著陸的方式。載人飛船這種著陸方式不僅對(duì)航天員的要求很高，需要長(zhǎng)期訓(xùn)練才行，對(duì)航天員生命安全也有一定威脅。四是非常舒適，因?yàn)閺钠痫w到返回地面的整個(gè)過(guò)程中，加速和減速都很緩慢，所以航天飛機(jī)過(guò)載比飛船小得多，即大大降低了對(duì)航天員的身體要求，可把稍加訓(xùn)練的科學(xué)家、工程師、醫(yī)生和教師等送上太空。五是間隔很短。原以為航天飛機(jī)可以像民航客機(jī)一樣，每次返回后進(jìn)行簡(jiǎn)單維修就可再次發(fā)射，并樂(lè)觀地估計(jì)每1～2周就能進(jìn)行一次發(fā)射。然而，實(shí)踐證明，航天飛機(jī)只有兩大優(yōu)越性，即功能強(qiáng)大、非常舒適，而其他三項(xiàng)正好相反：由于航天飛機(jī)技術(shù)難度大、系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、零部件更容易耗損，返回地面以后要進(jìn)行大量費(fèi)時(shí)費(fèi)力的維修工作，從而使每次發(fā)射費(fèi)用高達(dá)4～5億美元，讓財(cái)大氣粗的美國(guó)航宇局也不堪重負(fù)；因此，每架航天飛機(jī)每2次發(fā)射時(shí)間的間隔也很長(zhǎng)，每年僅能進(jìn)行5～6架次左右的飛行；更要命的是由于體積龐大、外形復(fù)雜，發(fā)射時(shí)航天飛機(jī)軌道器只能與外貯燃料箱并聯(lián)在一起，所以它并不安全，軌道器很容易受到從外貯箱掉下來(lái)的保溫材料的撞擊，至今，美國(guó)5架航天飛機(jī)已損失了2架，并因此犧牲了14名航天員。美國(guó)航天飛機(jī)原計(jì)劃壽命最多為20年，每架應(yīng)飛行100次，但截至目前，5架航天飛機(jī)加起來(lái)才飛行了132次。所以，航天飛機(jī)目前只能稱得上是當(dāng)代世界上用途很廣，但成本很高、風(fēng)險(xiǎn)很大的大型運(yùn)載工具。針對(duì)航天飛機(jī)存在諸多難以克服的不足，美國(guó)也曾大力研制第2代航天飛機(jī)，包括“冒險(xiǎn)星”和“軌道空間飛機(jī)”以及可水平起降的空天飛機(jī)，以克服上述弊端，但都因資金和技術(shù)等原因而中途夭折，沒(méi)有成功。為此，美國(guó)很早就想淘汰航天飛機(jī)了，并以此加速對(duì)太空的“深度探測(cè)活動(dòng)”，但由于建造中的國(guó)際空間站離開(kāi)運(yùn)載能力巨大的航天飛機(jī)就無(wú)法完成，所以經(jīng)過(guò)與國(guó)際空間站其他成員國(guó)協(xié)商，美國(guó)最終決定在完成國(guó)際空間站建造任務(wù)后，讓航天飛機(jī)于2011年結(jié)束歷史使命。雖然今后美國(guó)將用多種新型載人飛船完成天地往返運(yùn)輸任務(wù)，認(rèn)為它比航天飛機(jī)更安全，成本也低許多，但是航天飛機(jī)在世界載人航天史上立下的汗馬功勞永遠(yuǎn)不可磨滅，其很多先進(jìn)技術(shù)還將在未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間發(fā)揮重要作用。相關(guān)鏈接航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)美國(guó)的航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)基本相同，都是由1個(gè)軌道器、1個(gè)外貯箱和2個(gè)固體火箭助推器組成。軌道器軌道器是航天飛機(jī)的主體，也是航天飛機(jī)最復(fù)雜的組成部分，每次升空都要經(jīng)歷航天飛機(jī)發(fā)射、飛行和返回的全過(guò)程。其外形是一個(gè)三角翼滑翔機(jī)，長(zhǎng)37米，翼展24米，跟1架中型噴氣式客機(jī)大小差不多，不帶有效載荷時(shí)自重68噸，允許最大著陸質(zhì)量84.3噸；內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似一般飛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。通常所說(shuō)的航天飛機(jī)一般主要是指軌道器，它可在軌道上持續(xù)工作7天～30天。1996年11月19日～12月7日，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的第21次飛行，是目前航天飛機(jī)飛行任務(wù)歷史上時(shí)間最長(zhǎng)的一次，飛行時(shí)間為17天15小時(shí)53分鐘。軌道器是整個(gè)航天飛機(jī)系統(tǒng)中唯一可以載人且真正在地球軌道上飛行的組件，其結(jié)構(gòu)部分采用普通鋁合金制造，主要特點(diǎn)是外表貼有3萬(wàn)多塊防熱瓦，被認(rèn)為是解決了一個(gè)重大技術(shù)問(wèn)題，它可保證軌道器在返回大氣層飛行中不被再入產(chǎn)生的氣動(dòng)高熱燒壞，以340～365千米／小時(shí)的速度在3千米長(zhǎng)跑道上著陸。軌道器由機(jī)身、機(jī)翼等組成，其中機(jī)身又分機(jī)頭、機(jī)身和機(jī)尾三段。機(jī)頭是乘員密封艙，處于正常氣壓下，容積71.5米3，能容納3～8人，最多可載10人（目前最多1次為8人）。它又分駕駛艙、生活艙和儀器設(shè)備艙3層。駕駛艙在上層，其前面2個(gè)座位是駕駛員和指令長(zhǎng)座位，后面的座位可供工程師或其它專家乘坐。生活艙在中層，內(nèi)有廚房、衛(wèi)生間和氣閘艙。氣閘艙后面有一個(gè)艙口，在軌道飛行時(shí)，駕駛艙中的人員可通過(guò)此口走到后面的貨艙里去。中層還有一個(gè)很大的邊門(mén)，供起飛前或著陸后人員和設(shè)備從這里進(jìn)出。儀器設(shè)備艙在下層，主要裝載環(huán)境控制設(shè)備，以保持駕駛艙內(nèi)的氣壓、溫度和濕度等條件。航天員在密封艙內(nèi)可穿普通地面服裝工作和生活，其環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)能保持艙內(nèi)溫度在18.5～24。C之間，提供由氧氣和氮?dú)饨M成的一個(gè)大氣壓的氣體。飛行中的最大軸向過(guò)載為3g。這些環(huán)境條件優(yōu)于載人飛船。軌道器中各種設(shè)備所需電源由3個(gè)氫氧燃料電池和3個(gè)鎳鎘電池提供，每個(gè)氫氧燃料電池可發(fā)出7千瓦～10千瓦的電力，而鎳鎘蓄電池供給短時(shí)間內(nèi)需要大電流的設(shè)備的用電，并作為燃料電池的備用電源，每個(gè)容量是10安時(shí)。機(jī)身是一個(gè)長(zhǎng)18米、直徑4.5米、容積300米3的大貨艙，能裝20千瓦～30噸貨物，并可從太空運(yùn)回10噸多的貨物。貨艙內(nèi)還裝有可伸可屈、隨意轉(zhuǎn)換方向的遙控機(jī)械臂，最遠(yuǎn)可伸到15米遠(yuǎn)的地方，可把航天器從貨艙里釋放到太空（包括把艙段移至國(guó)際空間站），或把太空中的人造地球衛(wèi)星捉住并回收到貨艙里。機(jī)尾是裝有3臺(tái)以液氫／液氧為推進(jìn)劑的主發(fā)動(dòng)機(jī)的艙，每臺(tái)能產(chǎn)生1780千牛的推力。這個(gè)艙的兩側(cè)上方各有一個(gè)突出的艙段，用以安裝軌道機(jī)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。軌道器的三角形機(jī)翼和垂直尾翼可使航天飛機(jī)在返回地球過(guò)程中在大氣層中飛行時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和操縱性，能像普通飛機(jī)一樣飛行自如。外貯箱外貯箱是航天飛機(jī)最大的部件，位于軌道器下方，也是唯一的不可回收的