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航天飛機(jī)
往返于近地軌道和地面的航天器
航天飛機(jī)（英文名Space Shuttle）是可以重復(fù)使用的、往返于地球表面和近地軌道之間運(yùn)送人員和貨物的飛行器。
基本信息
中文名
航天飛機(jī)
英文名
Space Shuttle
運(yùn)用領(lǐng)域
空天運(yùn)輸系統(tǒng)
服役狀態(tài)
已退役
航天飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由火箭推進(jìn)入軌，返回地面時(shí)像滑翔機(jī)一樣下滑著陸，為人類(lèi)自由進(jìn)出太空提供了良好的工具，是航天史上重要的里程碑。
航天飛機(jī)在軌道上運(yùn)行時(shí)，可完成釋放衛(wèi)星、回收及維修衛(wèi)星、微重力實(shí)驗(yàn)等多種任務(wù)。
整個(gè)航天飛機(jī)系統(tǒng)由軌道器、助推器和外貯箱組成。
迄今為止，只有美國(guó)與蘇聯(lián)曾制造并實(shí)驗(yàn)過(guò)完整的航天飛機(jī)，而美國(guó)是唯一曾以航天飛機(jī)成功進(jìn)行過(guò)載人任務(wù)的國(guó)家。因此，后文主要討論美國(guó)的航天飛機(jī)。
研發(fā)歷史
背景需求
20世紀(jì)60年代末，隨著人類(lèi)對(duì)太空的探索愈加頻繁，人類(lèi)需要進(jìn)行越來(lái)越多的太空發(fā)射任務(wù)。由于發(fā)射火箭的成本過(guò)于高昂，而火箭的箭體又難以回收，因此研發(fā)一種可重復(fù)使用、成本低廉、乘坐舒適的載人航天運(yùn)輸工具已迫在眉睫。在阿波羅計(jì)劃開(kāi)啟后，發(fā)射火箭的高昂成本再次擺在人類(lèi)面前，人們不得不尋求新的空間運(yùn)輸方式。
研發(fā)過(guò)程
1969年，美國(guó)提出研制“航天飛機(jī)”這種新的空間運(yùn)輸系統(tǒng)，并于1971年正式開(kāi)始研究工作。美國(guó)將研制工作分為A、B、C、D四個(gè)階段。A階段研究航天飛機(jī)的外形，并提出進(jìn)一步研究的要求和方向；B階段確定指標(biāo)并進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；C階段進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)；D階段則進(jìn)行生產(chǎn)與試飛。1972年1月15日，美國(guó)正式宣布研制新的空間運(yùn)輸系統(tǒng)，并于當(dāng)年3月確定接近于現(xiàn)有狀態(tài)的總體方案。研發(fā)過(guò)程中的大致變化如下表所示：
航天飛機(jī)方案演變
時(shí)間 | 1970.6 | 1971.6 | 1972.6 | 1973.6 | 1974.2 | 1975.2 | 1976.2 | 1980.7 |
全系統(tǒng) | ||||||||
長(zhǎng)/m | 81.4 | 88.4 | 61.6 | 55.2 | 56.08 | 56.08 | 56 | 56.14 |
起飛質(zhì)量/(10kg) | 1.6 | 2.27 | 2.40 | 1.9 | 1.99 | 2.00 | 2.01 | 2.02 |
推力/(10KN) | 21.57 | 29.32 | 41.68 | 27.26 | 28.53 | 33.44 | 28.14 | 30.78 |
助推器 | ||||||||
長(zhǎng)/m | 70.1 | 82 | 56.3 | 44.2 | 45.4 | 45.4 | 45.4 | 45.4 |
直徑/m | — | — | 3.9 | 3.59 | 3.72 | 3.72 | 3.7 | 3.7 |
翼展/m | 42.9 | 43.9 | — | — | — | — | — | — |
是否載人 | 是 | 是 | 否 | 否 | 否 | 否 | 否 | 否 |
起飛質(zhì)量/(10kg) | 1.2 | 1.9 | 1.47 | 1.05 | 1.15 | 1.16 | 1.16 | 1.17 |
推力/(10KN) | 21.57 | 29.32 | 36.68 | 22.26 | 23.53 | 28.44 | 23.14 | 25.8 |
發(fā)動(dòng)機(jī)/臺(tái) | 12 | 12 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
分離時(shí)高度/km | 78 | 73 | 40 | 43 | 48 | 50 | 44 | 44.5 |
分離時(shí)速度/(m/s) | 2800 | 3300 | 1200 | 1400 | 1400 | 1400 | 1400 | 1388 |
軌道器 | ||||||||
長(zhǎng)/m | 58.5 | 62.8 | 38.17 | 37.4 | 37.2 | 37.2 | 37.2 | 37.2 |
翼展/m | 38.1 | 32.6 | 25.6 | 23.77 | 23.79 | 23.79 | 23.79 | 23.79 |
起飛質(zhì)量/(10kg) | 0.4 | 0.38 | 0.125 | 0.111 | 0.102 | 0.102 | 0.114 | 0.109 |
推力/(10KN) | 4.21 | 5.78 | 5.0 | 5.0 | 5.0 | 5.0 | 5.0 | 5.0 |
主發(fā)動(dòng)機(jī)/臺(tái) | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
外貯箱 | ||||||||
長(zhǎng)/m | — | — | 55.47 | 47.36 | 46.9 | 46.87 | 46.84 | 47.0 |
直徑/m | — | — | 8.07 | 8.23 | 8.38 | 8.45 | 8.38 | 8.38 |
起飛質(zhì)量/(10kg) | — | — | 0.808 | 0.739 | 0.739 | 0.734 | 0.736 | 0.743 |
NASA共生產(chǎn)過(guò)6架航天飛機(jī)軌道器，分別為OV-101企業(yè)號(hào)（Enterprise）、OV-102哥倫比亞號(hào)（Columbia）、OV-099挑戰(zhàn)者（Challenger）號(hào)、OV-103發(fā)現(xiàn)者號(hào)（Discovery）、OV-104亞特蘭蒂斯號(hào)（Atlantis）、OV-105奮進(jìn)號(hào)（Endeavour）。其中，企業(yè)號(hào)為試驗(yàn)機(jī)，其余5架為工作機(jī)，奮進(jìn)號(hào)則是為填補(bǔ)挑戰(zhàn)者號(hào)失事后的空缺而制造。
設(shè)計(jì)特點(diǎn)
總體布局
根據(jù)自身推進(jìn)裝置發(fā)射入軌、軌道器無(wú)動(dòng)力自主返回、可重復(fù)使用的任務(wù)需求，航天飛機(jī)被設(shè)計(jì)成運(yùn)載火箭和入軌載荷的組合體。因此，航天飛機(jī)是一種獨(dú)特的部分入軌、部分重復(fù)使用的航天運(yùn)輸系統(tǒng)。
航天飛機(jī)由軌道器、外貯箱和固體助推器組成：
（1）軌道器：軌道器是航天飛機(jī)的核心部分，是整個(gè)航天飛機(jī)系統(tǒng)中唯一可載人、可重復(fù)使用的部分。
（2）固體助推器：固體助推器的作用是在發(fā)射航天飛機(jī)時(shí)助推，補(bǔ)充主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。
（3）外貯箱：外貯箱是一個(gè)獨(dú)立的可拋棄的結(jié)構(gòu)，用于在發(fā)射時(shí)貯存燃料。采用這種結(jié)構(gòu)形式，可以減少航天飛機(jī)軌道器的尺寸和重量。
主要系統(tǒng)
航天飛機(jī)主要系統(tǒng)
航天飛機(jī) | 軌道器 | 結(jié)構(gòu)系統(tǒng) | |
機(jī)構(gòu)系統(tǒng) | |||
動(dòng)力系統(tǒng) | 主動(dòng)力系統(tǒng) | ||
軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng) | |||
反作用控制系統(tǒng) | |||
熱防護(hù)系統(tǒng) | |||
著陸系統(tǒng) | |||
液壓系統(tǒng) | |||
航電綜合系統(tǒng) | GNC系統(tǒng) | ||
測(cè)控通信系統(tǒng) | |||
電源及配電系統(tǒng) | |||
被動(dòng)溫控系統(tǒng) | |||
健康管理系統(tǒng) | |||
警告與報(bào)警系統(tǒng) | |||
吹除、排氣與排液系統(tǒng) | |||
環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng) | |||
煙霧探測(cè)與消防系統(tǒng) | |||
輔助動(dòng)力裝置 | |||
有效載荷釋放與回收系統(tǒng) | |||
外貯箱 | 結(jié)構(gòu)系統(tǒng) | ||
熱防護(hù)系統(tǒng) | |||
連接分離機(jī)構(gòu) | |||
自毀系統(tǒng) | |||
助推器 | 結(jié)構(gòu)系統(tǒng) | ||
發(fā)動(dòng)機(jī) | |||
推力矢量控制 | |||
液壓系統(tǒng) | |||
分離系統(tǒng) | |||
回收系統(tǒng) | |||
自毀系統(tǒng) |
軌道器
氣動(dòng)布局
企業(yè)號(hào)（Enterprise）
軌道器為無(wú)尾三角翼布局，機(jī)翼安裝靠后，為帶前緣邊條的大后掠三角翼。采用這種靠后的大后掠布局，有利于改善飛行器返回平飛時(shí)的壓心與質(zhì)心匹配。飛行器采用下單翼布局，既保證了機(jī)翼和中央翼的有效高度，提高了結(jié)構(gòu)性能，又為主起落架的收起和有效載荷艙的打開(kāi)提供了充足的運(yùn)動(dòng)空間。
軌道器包含眾多控制舵面，其中每側(cè)機(jī)翼后緣各連接內(nèi)外兩塊副翼，副翼差動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)控制，同向偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)俯仰控制，著陸時(shí)向下偏轉(zhuǎn)，作為襟翼增加升力。
機(jī)身背部后方設(shè)置垂尾，其中方向舵分為上下兩組，每組又分為左右兩片，張開(kāi)時(shí)可起到減速板的作用。
尾部下方還安裝有一塊體襟翼，正常飛行時(shí)可發(fā)揮體襟翼的縱向配平及俯仰控制作用，再入返回時(shí)可為發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管遮擋空氣熱流。
軌道器是航天飛機(jī)唯一能夠全部重復(fù)使用的組件。
內(nèi)部構(gòu)造
軌道器的機(jī)身由前段、中段和后段三部分組成：
- 前段包括頭錐和乘員艙。乘員艙分上、中、下三層，容積為71.54m。上層為飛行操作控制室，中層為乘員生活艙，下層為儀器設(shè)備艙，裝有環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)。乘員艙正常情況下可乘載7名航天員，緊急狀態(tài)下可增加至10人。
- 中段為有效載荷艙，容積約300m。為便于大型衛(wèi)星出入，在背部有兩個(gè)很大的艙門(mén)。同時(shí)，艙內(nèi)有可遙控的機(jī)械臂，由總長(zhǎng)超過(guò)15m的三節(jié)細(xì)長(zhǎng)桿組成，可用于在軌道上布放、回收有效載荷。機(jī)械臂在地面上幾乎不能承受自身高達(dá)410kg的重量，但在太空失重條件下卻可以迅速而靈活地裝卸10噸的有效載荷。
- 后段較為復(fù)雜，裝有3臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)，2臺(tái)軌道機(jī)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，和2個(gè)反作用控制推力系統(tǒng)。此外，尾部還裝有升降副翼、襟翼、垂直尾翼、方向舵和減速板等氣動(dòng)控制部件。
熱防護(hù)
在軌道器重返大氣層時(shí)，氣動(dòng)加熱現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致軌道器的表面溫度迅速升高，所以必須進(jìn)行熱防護(hù)處理。對(duì)軌道器而言，考慮到“重復(fù)使用”的要求，因此不適合用“燒蝕法”來(lái)防熱。根據(jù)溫度的不同，應(yīng)采用不同的材料。具體如下：
- 機(jī)身、機(jī)翼下表面前部和垂尾前緣，溫度較高，采用防熱隔熱陶瓷瓦（HR-SI）。
- 機(jī)身、機(jī)翼上表面和垂尾，氣動(dòng)加熱不是特別嚴(yán)重，采用LRSI。
- 機(jī)身中后部?jī)蓚?cè)和有效載荷艙門(mén)處，溫度較低（約350℃），采用柔性的、可重復(fù)使用的表面隔熱材料（FRSI）。
陶瓷材料很脆，如果直接粘接到蒙皮上，在受熱和受力情況下，陶瓷瓦會(huì)破裂。因此，陶瓷瓦和鋁合金蒙皮之間膠有一層4mm厚的變形隔離墊。
外貯箱
外貯箱是航天飛機(jī)上質(zhì)量最大的組件，同時(shí)也是最大的不可重復(fù)使用設(shè)備。主動(dòng)段飛行過(guò)程中，固體助退器在燃料耗盡后首先與其分離，達(dá)到入軌高度和速度后，外貯箱與軌道器分離，最終在再入大氣層時(shí)解體。
中央橙色部件即為外貯箱
外貯箱全長(zhǎng)47m，直徑8.38m，結(jié)構(gòu)主要選用2195鋁合金，質(zhì)量約為33.5t，加注后質(zhì)量高達(dá)744.3t，其中液氧加注604.2t，液氫加注101.6t。外貯箱主要由前端低溫液氧貯箱、箱間段、后端低溫液氫貯箱組成，并包括頂部整流罩、固體助推器和軌道器連接結(jié)構(gòu)等。箱體外側(cè)覆蓋厚度為12.7mm的軟木/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層，并噴涂25.4~50mm厚的泡沫塑料防熱層。
固體助推器
固體助推器并聯(lián)捆綁在外貯箱兩側(cè)，與外貯箱分離后，拋掉噴管延伸段并最終落入海中。
裝配中的固體助推器
飛行程序
發(fā)射倒計(jì)時(shí)階段
航天飛機(jī)發(fā)射倒計(jì)時(shí)一般從發(fā)射前 70h 開(kāi)始，在倒計(jì)時(shí)期間完成各項(xiàng)檢查測(cè)試與系統(tǒng)配置工作：
- 完成航天飛機(jī)的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配置。
- 為外貯箱加注燃料，這也是最危險(xiǎn)的一步。航天飛機(jī)采取遠(yuǎn)程遙控的方式完成加注，液氧最高加注流速高達(dá)32550L/min，而補(bǔ)加時(shí)需維持的穩(wěn)定流速低至340L/min，因此要求主發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具備適應(yīng)并控制流量變化的能力。
- 激活通信設(shè)備，并將回轉(zhuǎn)平臺(tái)從連接位置轉(zhuǎn)移至停泊點(diǎn)，與航天飛機(jī)斷開(kāi)連接。
- 各小組排查可能導(dǎo)致發(fā)射終止的各種問(wèn)題，并配置軌道器乘員艙以及進(jìn)入乘員艙的通道。配置完成后，機(jī)組人員將進(jìn)入乘員艙。
- 在各項(xiàng)工序完成后，機(jī)載計(jì)算機(jī)接管倒計(jì)時(shí)，并完成主發(fā)動(dòng)機(jī)和助推器的點(diǎn)火。
升空入軌階段
以航天飛機(jī)離開(kāi)發(fā)射臺(tái)為起飛零秒，主發(fā)動(dòng)機(jī)在 -6s 點(diǎn)火，之后航天飛機(jī)以垂直上升的姿態(tài)離開(kāi)發(fā)射臺(tái)。之后按如下程序完成入軌：
- 11~18s，完成滾轉(zhuǎn)和程序轉(zhuǎn)彎，處于外貯箱朝上、軌道器朝下的飛行姿態(tài)。
- 5min28s時(shí)，調(diào)整姿態(tài)至軌道器朝上，外貯箱朝下。
- 8min24s和8min33s，分別完成主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)和外貯箱分離，之后軌道器開(kāi)始入軌，外貯箱墜落并燒毀。
- 38min14s時(shí)，軌道器到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)二次點(diǎn)火，使軌道器進(jìn)入圓軌道。
- 發(fā)射1h后，軌道器在軌穩(wěn)定運(yùn)行，可打開(kāi)有效載荷艙艙門(mén)，實(shí)施后續(xù)任務(wù)。
自發(fā)射起，發(fā)射團(tuán)隊(duì)需時(shí)刻關(guān)注主發(fā)動(dòng)機(jī)、助推器和外貯箱的工作情況，以便隨時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。例如，當(dāng)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)，飛行控制團(tuán)隊(duì)需要判斷航天飛機(jī)是否可以執(zhí)行直接返回的預(yù)案。軌道器入軌期間，電氣及環(huán)控系統(tǒng)人員需關(guān)注相應(yīng)系統(tǒng)的功能情況，而在爬升及入軌的整個(gè)階段，任務(wù)控制中心的工作人員都要始終保持高度警惕。
返回階段
航天飛機(jī)軌道器通過(guò)離軌制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)降低飛行速度和高度，并調(diào)整姿態(tài)實(shí)現(xiàn)再入與返回著陸。整個(gè)再入返回過(guò)程由如下四個(gè)階段組成：
1.高速再入階段
- 距著陸點(diǎn)28865km
- 高度282km
- 速度26498km/h
- 離軌制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。
2.第一階段
- 距著陸點(diǎn)7600km
- 高度122km
- 速度25898km/h
- 機(jī)頭傾斜，進(jìn)行側(cè)向機(jī)動(dòng)，保持高阻力進(jìn)入過(guò)渡狀態(tài)。
3.第二階段
- 距著陸點(diǎn)90km
- 高度24km
- 速度2700km/h
- 進(jìn)行S形轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)，地面跟蹤軌跡并進(jìn)行航向校正，準(zhǔn)備進(jìn)入最后階段。
4.第三階段
- 距著陸點(diǎn)12km
- 高度3km
- 速度682km/h
- 在地面導(dǎo)引的輔助下進(jìn)行下滑，約100m高度時(shí)放下起落架，最終以約350km/h的速度著陸。
每次飛行任務(wù)中，NASA會(huì)為著陸提供2天時(shí)間與多個(gè)著陸窗口，最常選擇在肯尼迪航天中心著陸，有時(shí)也會(huì)在愛(ài)德華茲空軍基地著陸，此時(shí)需要一架改裝過(guò)的波音747將軌道器運(yùn)回肯尼迪航天中心。
一架波音747正在運(yùn)送航天飛機(jī)軌道器
固體助推器回收
緊隨發(fā)射之后的便是固體助推器的回收工作。在發(fā)射約6~7min后，固體助推器將濺落在離發(fā)射場(chǎng)約258km的大西洋海域。每個(gè)固體助推器配備有三套降落傘，以減緩在海面上濺落時(shí)的沖擊。助推器由兩艘專(zhuān)用回收船（自由之星號(hào)、獨(dú)立之星號(hào)）負(fù)責(zé)回收?；厥沾话阍诎l(fā)射前1天即啟程前往佛羅里達(dá)東海岸的預(yù)定海域，在助推器濺落后迅速靠近并開(kāi)展各部件的打撈回收工作。
回收船靠近后，潛水員拆下助推器上的主降落傘，將它們纏繞在回收船甲板的卷軸上。潛水員還將找回減速傘、前裙段和截錐段，并將它們運(yùn)回甲板。對(duì)于尺寸較大的助推器殼體，潛水員將潛入32m深的海中，將一個(gè)特制堵塞放入助推器的噴管，再壓入空氣，排出海水，將助推器由豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)，隨后將其固定在船側(cè)，運(yùn)回卡納維拉爾角空軍基地。
服役歷程
美國(guó)航天飛機(jī)一般從肯尼迪航天中心發(fā)射執(zhí)行任務(wù)。自1981年4月12日首架航天飛機(jī)發(fā)射以來(lái)，來(lái)自16個(gè)國(guó)家的355名航天員，乘坐航天飛機(jī)飛行852人次，共執(zhí)行135次任務(wù)。其中，企業(yè)號(hào)只用于測(cè)試，一直未進(jìn)入軌道執(zhí)行太空任務(wù)。完成試驗(yàn)任務(wù)后，企業(yè)號(hào)即被收藏在史密桑尼亞協(xié)會(huì)的博物館里。
航天飛機(jī)應(yīng)用情況
軌道器 | 首航時(shí)間 | 應(yīng)用情況 |
哥倫比亞號(hào) | 1981.4.12 | 共飛行28次 |
挑戰(zhàn)者號(hào) | 1983.4.4 | 共飛行10次 |
發(fā)現(xiàn)者號(hào) | 1984.8.30 | 共飛行39次 |
亞特蘭蒂斯號(hào) | 1985.10.3 | 共飛行33次 |
奮進(jìn)號(hào) | 1992.5.7 | 共飛行25次 |
受挑戰(zhàn)者號(hào)爆炸、哥倫比亞號(hào)解體等事故的影響，且航天飛機(jī)本身在經(jīng)濟(jì)性和安全性上存在問(wèn)題，這種空天運(yùn)輸系統(tǒng)于2011年7月20日退出歷史舞臺(tái)。
安全事故
挑戰(zhàn)者號(hào)爆炸
1986年1月28日，“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)進(jìn)行第10次飛行，升空73秒后發(fā)生爆炸。價(jià)值12億美元的航天飛機(jī)化作碎片，7名機(jī)組人員全部遇難。這是美國(guó)進(jìn)行25次載人航天飛行中首次發(fā)生在空中的大災(zāi)難。
6月9日調(diào)查委員會(huì)正式向里根總統(tǒng)提出長(zhǎng)達(dá)256頁(yè)的調(diào)查報(bào)告。報(bào)告認(rèn)為，“挑戰(zhàn)者”號(hào)爆炸的原因是右側(cè)助推火箭存在問(wèn)題。航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)氣溫過(guò)低，寒冷的天氣對(duì)火箭墊圈產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致爆炸。
1988年，NASA投入2億美元改進(jìn)設(shè)備，擴(kuò)編安全部門(mén)。其中最重要的改良是，增加第三個(gè)O型圈，重新設(shè)計(jì)絕緣，從而阻止熱廢氣從引擎?zhèn)冗呁庑?。此外，航天飛機(jī)還配備了基本的逃生系統(tǒng)。
哥倫比亞號(hào)解體
2003年2月1日，美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在返回地面過(guò)程中解體，機(jī)上7名航天員全部遇難。失事時(shí)，哥倫比亞號(hào)的飛行高度是6.3萬(wàn)米，時(shí)速1.9萬(wàn)公里。
后續(xù)調(diào)查認(rèn)為，左機(jī)翼上的防熱瓦失效，使得機(jī)翼結(jié)構(gòu)受損，最終導(dǎo)致航天飛機(jī)解體。防熱瓦失效原因?yàn)椋涸诤教祜w機(jī)再入大氣層時(shí)，外貯箱上的絕熱泡沫由于工藝問(wèn)題脫落，一塊重約0.76kg的泡沫脫落后撞擊左機(jī)翼，隨后破損處的防熱瓦在高溫中迅速失效。
主要問(wèn)題
成本高昂
美國(guó)設(shè)定的目標(biāo)是：至少重復(fù)使用100次，成本降低到原來(lái)的四分之一到二分之一。然而，這兩項(xiàng)目標(biāo)均沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。航天飛機(jī)每次發(fā)射的成本至少為5億美元，而“挑戰(zhàn)者”號(hào)和“哥倫比亞”號(hào)的相繼失事更使情況雪上加霜。
美國(guó)在設(shè)計(jì)航天飛機(jī)時(shí)，希望能將運(yùn)送1千克有效載荷到地球低軌道的費(fèi)用降到350美元，但事實(shí)上一直卡在1萬(wàn)美元這個(gè)瓶頸，這就使得航天飛機(jī)不僅沒(méi)有達(dá)到降低運(yùn)輸費(fèi)用的目標(biāo)，而且在地面周轉(zhuǎn)的時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致整個(gè)飛行計(jì)劃缺乏靈活性。
最初，NASA計(jì)劃設(shè)計(jì)一款有翼航天器，這種航天飛機(jī)能夠完全重復(fù)使用，且每次飛行的費(fèi)用可以減至最低程度，但研發(fā)費(fèi)用很高，約需100億美元。然而，國(guó)會(huì)希望航天飛機(jī)計(jì)劃的費(fèi)用在50~60億美元。因此，最終選擇現(xiàn)有的航天飛機(jī)布局。首飛日期原定于 1978年3月，但實(shí)際首飛晚了三年，在1981年4月12日。其中，因技術(shù)問(wèn)題拖延兩年， 經(jīng)費(fèi)不足拖延一年。
從總投資來(lái)看，1970-1989財(cái)年NASA用于航天飛機(jī)的費(fèi)用每年平均為19.86億美元，總投資預(yù)算為385.9億美元，占NASA1970-1989財(cái)年總預(yù)算1029.43億美元的37.5%。其中，1985-1989財(cái)年用于航天飛機(jī)的年平均費(fèi)用高達(dá)34.09億美元，約占NASA該五年預(yù)算的一半。受此影響，NASA不得不挪用其他項(xiàng)目的預(yù)算，擠占一些原有的研究計(jì)劃。
綜合多方數(shù)據(jù)，美國(guó)于1972年1月5日正式批準(zhǔn)經(jīng)費(fèi)為51.5億美元，至1982年研制階段結(jié)束，費(fèi)用達(dá)到100.83億美元。至1989年時(shí)，在航天飛機(jī)項(xiàng)目上已花費(fèi)430億美元。
安全性不足
與其他航天器不同，航天飛機(jī)在設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮宇航員的逃生通道。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，宇航員就會(huì)失去逃生機(jī)會(huì)。我國(guó)戰(zhàn)略導(dǎo)彈與運(yùn)載火箭技術(shù)專(zhuān)家、中國(guó)工程院院士龍樂(lè)豪認(rèn)為，這是一個(gè)重大的戰(zhàn)略失誤。
航天飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，包括250萬(wàn)個(gè)零部件，制造工藝難度高，需要解決運(yùn)載能力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的矛盾，滿(mǎn)足重復(fù)使用的復(fù)雜氣動(dòng)外形和耐高溫氣動(dòng)加熱的熱防護(hù)要求。同時(shí)，人貨混運(yùn)，軌道器、外貯箱和助推器并聯(lián)的設(shè)計(jì)方式導(dǎo)致航天飛機(jī)先天不足，沒(méi)有設(shè)置逃生系統(tǒng)，無(wú)法從根本上解決安全問(wèn)題。
歷史意義
各界人士評(píng)價(jià)
美國(guó)新科學(xué)家網(wǎng)站盛贊航天飛機(jī)是“人類(lèi)迄今建造過(guò)的最先進(jìn)、最復(fù)雜、功能最為齊全的航天器”。
俄羅斯宇航專(zhuān)家利索夫這樣評(píng)價(jià)：“起初指望這個(gè)計(jì)劃能帶來(lái)商業(yè)利潤(rùn)，這成了幻想……美國(guó)人對(duì)綜合體的復(fù)雜性和星際飛行工作的規(guī)模和難度估計(jì)不足。”
英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為：“航天飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本超出預(yù)想地高昂，為了確保復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)的完全性，發(fā)射日期總是一拖再拖，需要核查的項(xiàng)目層出不窮，維修費(fèi)用居高不下，最終成本并沒(méi)有因多次使用而降低下來(lái)?！?/span>
航天飛機(jī)前項(xiàng)目經(jīng)理韋恩·黑爾表示，雖然他對(duì)航天飛機(jī)的缺陷有所認(rèn)識(shí)，但航天飛機(jī)一旦真的進(jìn)了博物館，自己是會(huì)難過(guò)的。
沒(méi)有航天飛機(jī)可用的NASA壓力重重
美國(guó)歷來(lái)是航天大國(guó)，衛(wèi)星的維修和發(fā)射任務(wù)十分頻繁。隨著時(shí)間推移，越來(lái)越多的衛(wèi)星維修任務(wù)也擺在了NASA的面前。尤其是哈勃望遠(yuǎn)鏡，它為人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙做出了巨大的貢獻(xiàn)，但它已經(jīng)老了，有許多維修工作需要做。但沒(méi)有航天飛機(jī)可以升空的現(xiàn)狀，讓NASA感到十分頭痛，如果不去維修哈勃望遠(yuǎn)鏡，來(lái)自天文愛(ài)好者的壓力也讓NASA感到無(wú)法承受。
壓力不僅來(lái)自于國(guó)內(nèi)，也同樣來(lái)自于國(guó)外。航天飛機(jī)的一個(gè)最重要工作是參與國(guó)際空間站的建設(shè)，有許多部件需要由航天飛機(jī)送上太空，但自從“哥倫比亞”號(hào)爆炸后，國(guó)際空間站的宇航員無(wú)法換班，于是，這些任務(wù)全部落到了俄羅斯頭上。俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)貨運(yùn)飛船，開(kāi)始肩負(fù)起頻繁的發(fā)射任務(wù)。所有國(guó)際空間站需要的物品都由俄羅斯航天局承擔(dān)，俄羅斯方面對(duì)此已有怨言。
國(guó)外的怨言不僅來(lái)自俄羅斯，也同樣來(lái)自當(dāng)年參與空間站建設(shè)的歐洲宇航局，歐洲宇航局為國(guó)際空間站制造的大型觀察窗已經(jīng)完成，可是這要等到四年以后才能發(fā)射安裝，這使國(guó)際空間站的建成速度大大減緩。沒(méi)有航天飛機(jī)，NASA就要承受來(lái)自各方面的壓力。
總體評(píng)價(jià)
與宇宙飛船相比，航天飛機(jī)因其超強(qiáng)運(yùn)載力，能將一些無(wú)法用運(yùn)載火箭發(fā)射的航天器送上太空，大大拓寬了有效載荷體積和質(zhì)量，也增加了航天飛機(jī)的功能。同時(shí)，它能夠在軌回收、檢修衛(wèi)星，可以在空間軌道上精確部署、組裝各類(lèi)有效載荷，從而極大擴(kuò)展了人類(lèi)的空間活動(dòng)范圍和規(guī)模，“國(guó)際空間站”就是最典型的例子。可以說(shuō)，30年來(lái)，航天飛機(jī)為美國(guó)乃至全人類(lèi)的太空探索事業(yè)畫(huà)出了一道獨(dú)特亮麗的風(fēng)景線，然而高技術(shù)也隱含著高風(fēng)險(xiǎn)，這成為航天飛機(jī)致命的缺陷。
從成本來(lái)講，航天飛機(jī)每次的發(fā)射費(fèi)用高達(dá)4億至5億美元，返回地面后需要大量維修工作，從而使發(fā)射間隔變得很長(zhǎng)，每年最多只能進(jìn)行5至6次發(fā)射。
航天飛機(jī)的安全性更是不容樂(lè)觀。航天飛機(jī)設(shè)計(jì)極為復(fù)雜，包含3000多個(gè)重要的分系統(tǒng)和超過(guò)300萬(wàn)個(gè)零部件，只要其中一個(gè)分系統(tǒng)或關(guān)鍵零部件出問(wèn)題，就可能導(dǎo)致重大事故。美國(guó)發(fā)射航天飛機(jī)的30年間，5架航天飛機(jī)損失了2架，共有14名航天員犧牲。134次飛行就有兩次事故，14人遇難，按照百萬(wàn)公里死亡人數(shù)來(lái)計(jì)算，其風(fēng)險(xiǎn)比民航客機(jī)高138倍。NASA在2010年的一份內(nèi)部安全報(bào)告說(shuō)，現(xiàn)在航天飛機(jī)安全性比30年前提高了10倍，但發(fā)生災(zāi)難性事故的風(fēng)險(xiǎn)仍達(dá)1/90。
航天科技對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展曾經(jīng)起過(guò)巨大的牽引作用。NASA的一份統(tǒng)計(jì)資料指出，向航天科技領(lǐng)域每投入１美元，就能從整個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到８美元的回報(bào)。NASA的另一份調(diào)查報(bào)告則指出，航天工程在就業(yè)、教育、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、軍民兩用技術(shù)等方面對(duì)美國(guó)產(chǎn)生了巨大影響，它帶來(lái)的技術(shù)突破直接促成了20世紀(jì)若干重大的技術(shù)進(jìn)步。美國(guó)將航天技術(shù)轉(zhuǎn)化為民用產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造了2萬(wàn)億美元的巨額利潤(rùn)。另外，航天工業(yè)不僅直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，航天科技的轉(zhuǎn)化和移植還能夠帶來(lái)更多的效益。據(jù)NASA公布的數(shù)據(jù)，美國(guó)在上世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)的1000多種新材料80%是在空間技術(shù)的刺激下完成的，有近4000項(xiàng)空間技術(shù)成果已移植到民用領(lǐng)域，數(shù)萬(wàn)家企業(yè)參與了載人航天的生產(chǎn)、研制。航天技術(shù)的二次應(yīng)用已滲透到日常生活的方方面面。
美國(guó)航天飛機(jī)時(shí)代畫(huà)上句號(hào)后，美國(guó)將不得不以高價(jià)向俄羅斯購(gòu)買(mǎi)宇宙飛船座位，使本國(guó)航天員得以進(jìn)入國(guó)際太空站。
美國(guó)30年的航天飛機(jī)發(fā)展歷程，告訴我們這樣一個(gè)道理，一個(gè)人、一個(gè)民族，永遠(yuǎn)不要停下追尋夢(mèng)想的腳步。在這個(gè)過(guò)程中，錯(cuò)誤也自有它的價(jià)值。正如美國(guó)航空航天局局長(zhǎng)博爾登所說(shuō)：“在NASA，失敗并不是最終結(jié)果。”航天計(jì)劃可以終止，然而人類(lèi)向未知領(lǐng)域進(jìn)發(fā)的腳步永遠(yuǎn)不會(huì)停下。
其他國(guó)家的航天飛機(jī)
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