航天飞机

航天 · 2016-10-31 18:43:10

早在20世纪30年代，奥地利人森格尔就绘制了用火箭发动机作动力装置的飞机草图，试图进行高空高速飞行，但因技术条件的限制，当时根本无法实现。不过从此，发展一种可重复使用的火箭飞机，作为飞向宇宙空间的工具的思想就从未间断过，人们一直在研究一种能像普通航空飞机一样的、可进行天地往返的航天飞机。到了20世纪60年代末，人类已经研制出多种洲际导弹、运载火箭、载人飞船和大型喷气客机及运输机，这些都为航天飞机的研制积累了经验，储备了技术。 　　　　从20从世纪50年代起到70年代，美苏在太空开展了激烈的竞争。然而随着航天技术的长足发展，卫星、宇宙飞船等航天器的发射量越来越大，其登天云梯——一次性运载火箭就显得过于昂贵，因为它不能重复使用，每次发射都要消耗一枚火箭，就如同“狗熊掰棒子，掰一个扔一个”，这样做太不经济了。 　　　　而作为载人航天“领头羊”的宇宙飞船，虽然能用于突破和掌握载人航天的基本技术，并为空间站接送航天员和物资，但也有许多不尽如人意之处，例如，它不仅运载能力小，满足不了大型空间站的需求，而且也是“一锤子买卖”，不能重复使用。另外，宇宙飞船只有很小的升力，所以落点散布很大，而且航天员承受的过载也很大。 　　　　为此，人们一直盼望着能有一种像普通飞机一样的可多次重复使用的天地往返运输飞行器，即航天飞机进行天地纵横。于是，为了运载更多的人和货物，降低运输费用，满足未来大型空间站的需求，在耗资巨大的“阿波罗”工程行将结束之际，美国从1972年开始把人力、物力和财力转移和集中到研制被一些人吹得神乎其神的航天飞机这一全新的载人航天器上面来，最终大功告成。 　　　　1981年4月12日，美国成功发射了世界第1架航天飞机哥伦比亚号。至2003年1月，美国5架航天飞机已陆续飞行了113架次，但损失了2架。其特有的可重复使用性、运载能力大、用途广泛和良好的环境条件等，为人类的天地往返活动开辟较为理想的途径。 　　　　链接：航天飞机是集航空、火箭和空间技术于一身的综合产物，它既能作为运载工具，发射各类航天器，又可以像人造卫星一样绕地球轨道运行，然后像普通飞机一样返回地面，并经过维修再次发射。 　　　　不过，美国航天飞机投入使用后并未达到预期目的，既不安全，也不便宜，所以，从1986年挑战者号航天飞机失事后，美国就停止使用航天飞机发射商业卫星了。美国空军也放弃使用航天飞机。人类现在还没有找到物美价廉的“天梯”。 　　　　尽管美国第1代航天飞机有许多不尽人意之处，但其用途最为广泛的特长目前仍天上无敌，因而还得继续服役。它也为下一代的航天飞机发展奠定了基础，积累了经验。所以可以肯定地说，航天飞机是20世纪最伟大的航天科技杰作之一。 　　　　1988年11月15日苏联第1架不载人航天飞机暴风雪号由能源号运载火箭发射成功，后因苏联解体和俄罗斯经济实力下降等多方面原因于1993年被取消。因此，美国航天飞机是当代唯一投入实用的航天飞机，并取得了巨大成果。 　　　　现在，美国还在研制第2代航天飞机，以克服第1代航天飞机的种种缺陷。俄罗斯、欧洲和日本甚至印度也没闲者，都在“小的溜儿”搞着。所以，航天飞机正方兴未艾。 　　　　三大部件缺一不可 　　　　到2003年1月16日止，美国共发射了113次航天飞机，其中哥伦比亚号28次，挑战者号10次，发现号30次、阿特兰蒂斯号26次和奋进号19次，上天达664人次。 　　　　耗资数百亿美元研制出来的美国航天飞机由轨道器、外贮箱和2个固体助推火箭3部分组成，其中轨道器可重复使用100次，轨道器上的主发动机可重复使用50次，固体助推火箭可重复使用20次，外贮箱则只能使用1次。 　　　　外型象普通飞机一样的轨道器是航天飞机的主体，也是航天飞机最复杂的组成部分，每次升空都要经历发射、飞行和返回的全过程。它长37米，翼展24米跟1架大型喷气式客机大小差不多，内部结构也类似一般飞机的结构形式。其净重68吨，允许最大着陆重量84.3吨，通常所说的航天飞机一般主要是指轨道器。 　　　　轨道器是整个系统中唯一可以载人且真正在地球轨道上飞行的组件，所经历的飞行过程及环境比普通飞机要恶劣得多，既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速飞行和水平着陆的气动外形，又要有能承受再入大气层时高温气动加热的防热系统。轨道器用普通铝合金制成，贴有3万多块防热瓦，能以340～365 千米/小时的速度在3千米长跑道上着陆。 　　　　轨道器可在轨道上持续工作7～30天。1996年11月19日～12月7日，哥伦比亚号航天飞机的第21次飞行，是目前航天飞机飞行任务历史上时间最长的一次，飞行时间为17天15小时53分。 　　　　其机体分机头、机身和机尾三段。其中机头是乘员密封舱，处于正常气压下，容积71.5米3，能容纳3～7人，最多可载10人(目前最多为7人)。它又分驾驶室、生活室和仪器设备室3层。驾驶室在上层，其前面2个座位是驾驶员和指令长座位，后面的2个可供工程师或其它专家乘坐。生活室在中层，内有厨房、卫生间和气闸舱。气闸舱后面有一个舱口，在轨道飞行时，驾驶舱中的人员可通过此口走到后面的货舱里去。中层还有一个很大的边门，供起飞前或着陆后人员和设备从这里进出。设备室在下层，主要装载环境控制设备，以保持驾驶舱内的气压、温度和湿度等条件。航天员在密封舱内可穿普通地面服装工作和生活，其环境控制和生命保障系统能保持舱内温度在18.5～24℃之间，提供由氧气和氮气组成的一个大气压的气体。飞行中的最大轴向过载为3g。这些环境条件优于载人飞船。 　　　　轨道器的机身是一个长18米、直径4.5米、容积300立方米的大货舱，能装20～30吨货物，并可从太空运回10吨多的货物。它曾把欧洲“空间实验室”、各种卫星和多个深空探测器装进舱内带入太空。货舱内还装有可伸可屈、随意转换方向的遥控机械臂，最远可伸到15米远的地方。坐在驾驶舱里的航天员能通过电视或目视观察，准确地操纵机械手，把10多吨的货物释放到太空或把太空中的人造卫星捉住并回收到货舱里。 　　　　它的机尾装有3台以液氢/液氧为推进剂的主发动机，总共能产生6.3兆牛的推力。还有2台变轨发动机，它们每台可产生26.5千牛的推力。 　　　　轨道器的三角形机翼和垂直尾翼使航天飞机在返回地球过程中在大气层中飞行时具有良好的稳定性和操纵性，能像普通飞机一样飞行自如。 　　　　在轨道器上，主要是在密封舱内，还装有制导、导航和控制系统，数据处理和软件系统，无线电通信、跟踪和测量系统，监测和显示系统，电源配电系统以及机械液压系统。 　　　　机上各种设备所需电源由3个氢氧燃料电池和3个镍镉电池提供，每个氢氧燃料电池可发出7～10千瓦的电力，而镍镉蓄电池供给短时间内需要大电流的设备的用电，并作为燃料电池的备用电源，每个容量是10安时。 　　　　外贮箱是航天飞机最大的部件，也是唯一的不可回收的部件，位于轨道器下方，用于贮存液氢和液氧推进剂并向主发动机输送推进剂。它还连接轨道器和固体火箭助推器，从结构、气动和载荷上构成航天飞机和谐的整体。 　　　　它由液氧箱、液氢箱和箱间段组成，总长47.1米，直径8.38米，净重33.5吨，加注推进剂后重约740吨。其由铝合金制成，外表面敷有泡沫和软木隔热层。2003年哥伦比亚号航天飞机的失事，就是发射过程中从外贮箱脱落的泡沫材料击中了航天飞机左翼隔热部件并形成损伤造成的。 　　　　航天飞机的2台固体火箭助推器平行装在外贮箱两侧，为航天飞机垂直起飞和飞出大气层提供约78%的推力。其所使用的发动机长126英尺，直径12英尺，是迄今飞行过的最大固体火箭发动机，也是世界第1台可重复使用发动机。2个火箭助推器的初始总推力达24000千牛，总工作时间117秒。助推器以3094米/小时的速度把航天飞机送到距地面28英里的高空，然后与航天飞机分离溅落到大洋上并被回收，整修后等待下一次飞行。其固体燃料先分段浇铸，然后对接装配在一起。在前锥段里装有降落伞系统，用于海上回收。 　　　　链接：美国为航天飞机研制的首台新型固体火箭发动机，已于2005年2月17日成功进行了静态点火试验。发动机静态点火是对航天飞机计划的组件、材料和制造工艺进行验证的一部分。美国航空航天局每年对其固体火箭发动机进行试验，以评估、验证和确认任何提议的改进或变更。试验表明，这种可重复使用固体火箭发动机可达到5年的设计寿命。试验中，发动机上安装了167台数据收集设备，提供发动机性能信息。另外，用1台大功率X射线仪用来检测发动机在发射和上升阶段如何工作。此次试验总计设定了32个目标，包括确定发动机的点火器如何开始燃烧以及中期工作情况。试验中收集到了在以往发动机试验中无法获得的信息。专家将对试验数据进行分析，每一目标的结果将被提交到一份最终报告中。试验后，发动机的金属外壳和喷嘴部分将被翻修以备重复使用。 　　　　不过，航天飞机投入使用后并未达到预期目的。它的发射费用并没有像预料的那么便宜，每次发射后都要进行检修，不可能频繁飞行。更主要的是用航天飞机发射卫星时需有2～3名航天员陪着上天，这样做既不经济也不安全。所以，美国正千方百计研制新型航天飞机。 　　　　特殊的“护身符” 　　　　航天飞机轨道器的主要特点之一是外表面敷有可重复使用的防热瓦，它能防护轨道器再入时遇到的气动热。2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机返回地面时在空中解体，使机上7名航天员全部遇难，就是因为防热瓦出现问题。 　　　　防热瓦主要用作轨道器返回时的防热，而轨道器外形比较复杂，所以设计人员根据轨道器返回时机身各处的热环境采用了四种不同类型的防热瓦。 　　　　一种采用高温可重复使用的表面隔热材料，俗称高温防热瓦。它用在温度为648～1260℃的表面，如机身中、前段和机翼的下表面。航天飞机再入时，以40o的攻角飞行，所以机身和机翼的下表面为迎风面，是鼻锥和机翼前缘以外的最高热流区。此种防热瓦约使用了20000多块，每块尺寸为152.4毫米×152.4毫米。其厚度随该处热流水平而不同，范围为19.5～64毫米，覆盖面积达480平方米，总重达4413千克。 　　　　另一种防热瓦采用碳碳复合材料。它主要用在机身的鼻锥、机翼前缘。该防热瓦总重约1698千克，使用的表面积约38平方米，使用处表面最高温度约1650℃，表面呈黑色。 　　　　第三种防热瓦采用低温可重复使用表面隔热材料。它俗称低温防热瓦，用在温度371℃～648℃的表面，如机身中、前段和机身的上表面(由于这些位置处在背风面，所以表面温度不高)。此种防热瓦共用了7000块，每块尺寸为203毫米×203毫米，厚度随该处热流水平而变化，覆盖面积达255平方米，总重1014 千克，经涂层处理表面呈白色。 　　　　最后一种防热瓦采用柔性可重复使用表面隔热材料。该防热材料是一种硅橡胶浸渍的毡状物，用在表面温度371oC以下的部位，如机身上表面和机翼上表面的后段以及机身两侧。每块防热瓦的尺寸远大于上述3种防热瓦，典型的尺寸为900毫米×1200毫米。其厚度为4.8～16毫米，覆盖面积达333平方米，总重约532千克。由于它是一种柔性的毡状物，所以可用常温固化硅橡胶粘贴在机身铝合金的结构上。 　　　　以上几种防热瓦实际上主要是一些疏松、轻质而呈脆性的陶瓷材料，如高温防热瓦密度为0.14～0.35克/立方厘米，由于其耐温高、隔热好、质量轻，高温下不发生物理和化学性能的破坏并可重复使用，因此作为航天飞机防热材料有其独特的优点。但是，它们的这些性能却给连接和承受力学载荷造成了很大的困难，留下了许多隐患。 　　　　哥伦比亚号失事是因为在起飞时遭到外力撞击，结果导致防热瓦上出现裂缝，使得超高温气流乘虚而入，最终造成飞机解体。 　　　　链接：航天飞机以其独有的重复使用性、多用途性、经济性和良好的环境条件，为人类的航天活动开辟了新的途径，但这是以解决了大量复杂的技术问题为代价换来的。例如，就防热设计而言，一般返回式航天器(如返回式卫星)只使用一次，再入防热问题较易解决，而航天飞机外形复杂，又要重复使用，因此它在返回地面时，对周围空气的压缩和摩擦产生的高温高热的防护和处理问题很复杂，要求有适合大面积复杂构形的耐高温、抗冲刷、重量轻、能多次使用的高级防热材料，维修也应方便。（庞之浩）　　　　来源：新浪科技

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