美国航天飞机回顾

美国航天飞机回顾
历史
                
                
冯·布劳恩计划中的货运火箭
早在20世纪50年代初，在美国工作的火箭科学家冯·布劳恩（Von Braun）就提出在地球轨道上建设一个环形空间站，并由载人火箭（那时候还没有航天飞机这个名字）为其服务的构想。随着二战后火箭、航空、导弹等技术的迅猛发展，美国开始了一系列技术研发，包括各种火箭发动机项目、有翼火箭项目、高速火箭飞机项目、升力体项目等等，这些技术积累直接导致了美国空间技术的突飞猛进。
                
                
麦克唐纳·道格拉斯ILRV方案
到20世纪60年代中，美国空军开始进行了一系列保密的下一代空间运输系统研究，并且认为半可重复使用设计是最便宜的选择，接着提出了一次使用的助推器的第一类方案，半可重复使用的第二类方案，和完全重复使用的第三类方案。1968年在阿波罗项目接近尾声的时候，美国国家航空航天局（NASA）开始了综合发射与再入飞行器（ILRV）的项目，同时NASA开始了主发动机（SSME）的竞争，接着发出了征求建议书，要求设计一种可以将有效载荷送入轨道并重返大气层的飞行器。建议书发出后收到的回应中包括一种采用大型助推器和小型轨道航天器相结合的设计，被称为DC－3。
1969年，时任美国总统的理查德·尼克松（Richard Nixon）正式宣布推进航天飞机的发展。在1973年，X－24B验证了无动力航天器水平着陆能力。
航天飞机的正式名称是空间运输系统（STS），这是一种通过火箭发射入轨的可重复使用航天器，在完成轨道运行后，它可以通过滑翔方式在地面跑道着陆。在20世纪70年代初，NASA决定选择发展航天飞机作为主要空间发射器和运载器。在计划中，航天飞机被用来替换自20世纪50年代以来使用的采用一次性助推器，使用成本更昂贵的火箭，以执行商业和政府卫星发射项目。连同发射设施、任务控制和支持中心、跟踪和数据中继卫星系统一起组成NASA新的空间运输系统。在多次推迟后，项目于20世纪80年代初开始。尽管有过一些技术问题，直到挑战者号航天飞机于1986年升空解体为止，航天飞机在一系列任务中都展现出了其多功能性。在挑战者号事件后，经过一段漫长的推迟和改进，项目于1988年底重新恢复。
                
                
1972至1974年间航天飞机设计演进
虽然航天飞机在项目早期发射了一些军用载荷，比如国防支援项目卫星（DSP），但是美国空军在挑战者号事件后放弃了继续它。但是如果任务必须，航天飞机也是可以继续执行这种任务的。2002年，NASA调整了航天飞机升级项目，也就是现在的服务延寿计划，这个项目主要是通过在航天飞机升级和基础设施更新过程中投资以降低风险来保证航天飞机安全和生存能力。NASA优先考虑的是安全性、可靠性、保障能力、性能和成本削减。由波音和洛克希德·马丁公司组成的联合空间同盟现在负责管理航天飞机的日常任务。
2003年，哥伦比亚号在再入大气层时解体，造成7位宇航员遇难。幸运的是航天飞机的碎片主要分散在地广人稀的得克萨斯州东北部地区，所以没有造成地面人员的重大伤亡。之后哥伦比亚号事故调查委员会（CAIB）完成了对事故的调查。剩下的三架航天飞机轨道器：发现号、亚特兰蒂斯号和奋进号自哥伦比亚事故后经过一段时间的停飞后，于2005年才得以重新执行任务，但是由于航天飞机是国际空间站建设的主力，所以这次停飞使得国际空间站的建设进度严重滞后。在NASA提出了新的载人航天构想后，航天飞机机队于2011年初开始进入退役阶段，第一架轨道器发现号已于2011年3月9日完成了其最后一次飞行任务（STS－133）。
航天飞机的运转
航天飞机大概可以分成三个组成部分：轨道器、外部燃料箱和固体火箭助推器。航天飞机发射时重450万磅，竖起来有184.2英尺高，能将最多55000磅的有效载荷送入低地球轨道。航天飞机的轨道器部分长122.2英尺，外型类似于一架三角翼飞机。它作为发射过程中的一个火箭级，一艘在轨太空船和一艘以高超音速再入大气层着陆的滑翔器。机头是一个三层乘员舱和一个姿态推进器模块，中机身是载荷舱（15英尺宽，60英尺长），机尾是三台主发动机以及轨道机动发动机。
                
                
航天飞机外部燃料箱剖视图
航天飞机每台燃烧液氢和液氧的发动机能产生超过39.4万磅的推力。它的外部燃料箱，高154.2英尺，宽27.56英尺，实际上是由液氧箱、液氢箱和箱间段这几大部分组成的，可以存储152万磅燃料。航天飞机的主发动机可以产生超过2700万马力的功率，可以在8分半钟内烧完外部燃料箱中的燃料。
                
                
航天飞机固体火箭助推器剖视图
航天飞机有两台固体火箭助推器，每一台稍宽于12英尺，高149英尺，为航天飞机起飞并进入太空提供升力。每一台助推器平均推力为330万磅，其使用的固体推进剂包括：高氯酸铵、铝粉、氧化铁粉、丙烯酸聚丁二烯等。在航天飞机升空时总推力可达778万磅（两台固体助推器发动机加三台液体发动机）。
航天飞机在倒计时进入6秒时主发动机开始点火，发射时固体火箭助推器点火。在全部5台发动机点火后2.5秒，航天飞机起飞。起飞后，航天飞机向右滚转，轨道器在下，外部燃料箱在上。在发射后2分钟12秒，固体助推器完成燃烧过程，从外部燃料箱上分离，这时海军将负责从海里回收固体助推器，以备再次使用。轨道器和外部燃料箱继续飞行。在发射后8分32秒发动机关闭，到发射后8分50秒，外部燃料箱被抛掉。抛掉后的外部燃料箱会在再入大气层时烧毁。一旦轨道器进入太空，它开始使用轨道机动系统（OMS）和反应控制系统（RSC），轨道器本身的OMS发动机作为一个第三级让轨道器进入轨道。OMS使用双组6000磅推力的火箭发动机来工作，其使用的推进剂成分是甲基肼和四氧化二氮，轨道器内一共储存了21600磅推进剂。OMS用于轨道转移、脱轨等任务。RCS则是采用前置液体火箭发动机来控制轨道器方向改变，它采用与OMS相同的推进剂，但是有独立的燃料箱可以携带2413磅燃料。RCS可用在轨道交会对接和脱轨等情况下。
                
                
轨道器机组标准情况是由4个人组成（最少2个人，最多8个人）：机长、飞行员、任务专家和载荷专家。在紧急情况下，轨道器可以容纳10个人。轨道器采用内部加压，所以机组成员在里面不需要穿加压航天服。在机首的上面一层有机长、飞行员、任务专家和载荷专家座位。中间一层有额外的座位，一个厨房，电子设备舱和乘员睡觉的设施。最下面一层用来存放物品。
在结束轨道任务开始再入大气层时，轨道器机头向前，底部面向大气层。在进入大气层后，轨道器机体本身会产生一定的升力，并由飞行控制计算机控制滑翔着陆。
美国航天飞机轨道器机队
企业号
                
                
1977年9月13日企业号轨道器进行第二次滑翔着陆测试
企业号轨道器（编号OV－101）是用于NASA航天飞机项目测试的一架测试机，由于它没有安装发动机、隔热瓦和许多航天飞行所需的设备，所以不能进行航天飞行。该机进行了广泛的地面测试、运载测试。1977年8月12日，企业号进行了第一次空中滑翔测试。在完成测试后，企业号一部分零件被拆下供其它航天飞机轨道器使用，主体则用于展示。在挑战者号爆炸后，NASA一度想要改装企业号使之成为常规轨道器，但是最终决定是建造奋进号轨道器。在哥伦比亚号失事后，企业号又被用于参照调查过程。在2011年4月，NASA宣布将把企业号运往纽约海空博物馆保存。
哥伦比亚号
                
                
1981年4月12日哥伦比亚号进行NASA第一次航天飞机发射任务（STS－1）
哥伦比亚号轨道器（编号OV－102）于1975年由洛克韦尔公司在帕拉姆代尔开始制造（原来的北美／洛克韦尔公司，现在是波音北美），是NASA第一艘进入服役的航天飞机轨道器。1981年4月12日，哥伦比亚号进行了首次发射，那是人类首次载人飞行20周年纪念日（前苏联东方1号），1981年4月14日，环绕地球36圈后，哥伦比亚号成功返回了地球。总计哥伦比亚号一共执行了28次飞行任务，包括部署锁眼－11间谍卫星，钱德拉X射线望远镜等工作，并经历了若干次改进。2003年1月16日，哥伦比亚号从肯尼迪航天中心起飞，执行第28次飞行任务（STS－107），在起飞时左翼被外部燃料箱上一块脱落的绝缘泡沫击中，造成热防护系统破损。哥伦比亚号在2003年2月1日从太空返航时因热防护系统受损而最终导致了飞行中结构崩溃而失事，机上7名宇航员全部遇难。
挑战者号
                
                
发射升空的挑战者号
挑战者号轨道器（编号OV－099）是NASA的第二艘进入服役的航天飞机轨道器，系由实验机改装而来，也是第一架采用平视显示器的轨道器。1983年4月4日，挑战者号进行了首飞。总计挑战者号一共执行了9次任务，包括第一次航天飞机夜间发射，三次空间实验室任务等等。在1986年1月28日执行STS－51－L任务时，发射后73秒，航天飞机发生故障解体，机上7位宇航员全部丧生。事故原因是右侧固体火箭助推器的一个环密封圈失效，泄露的高温高压气体影响到外部燃料箱，随着结构崩溃和气动阻力等一系列问题造成了这次事故。
发现号
                
                
2006年发现号执行STS－121任务时的照片
发现号轨道器（编号OV－103）是NASA第三艘进入服役的轨道器，从1984年8月30日的STS－41－D直到2011年2月24日的STS－133，它一共完成了39次任务，包括部署美国电子情报间谍卫星，哈伯太空望远镜，参与支持国际空间站建设，尤其是在挑战者号和哥伦比亚号两次事故后，发现号都承担起航天飞机再次复飞的重任。在27年的服役中，它飞行了1.48亿英里，围绕轨道飞行了5830圈，累计在轨时间达到365天。2011年3月9日，完成最后一次任务的发现号着陆在了肯尼迪航中心，在退役后被保存在国家航空航天博物馆史蒂文·乌德沃尔哈齐中心。
亚特兰蒂斯号
                
                
2010年亚特兰蒂斯号在执行STS－132任务时与国际空间站对接在一起的照片
亚特兰蒂斯号轨道器（编号OV－104）是第四艘进入服役的轨道器，它是唯一一艘在与国际空间站对接期间需要自身燃料电池提供电力的轨道器。1985年10月3日，它进行了首飞。至2010年5月的STS－132，亚特兰蒂斯号已完成了32次任务，包括部署长曲棍球雷达成像侦察卫星，薄雾隐形间谍卫星，大酒瓶电子侦察卫星，建设国际空间站。它已绕地飞行了4600圈，在太空飞行了1.2亿英里。在退役前NASA已经为其安排了两次国际空间站建设任务，分别是STS－335和STS－135。在退役后，NASA计划将亚特兰蒂斯号保存在卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心展示。
奋进号
                
                
2007年奋进号航天飞机执行STS－118任务时载荷舱打开的照片
奋进号轨道器（编号OV－105）是最后一艘进入服役的轨道器，是NASA为替代因事故损失的挑战者号而决定制造的。它于1992年5月7日进行了首飞，并在那次任务中捕获并重新部署了国际通信卫星组织的Intelsat VI卫星。至2010年2月的STS－130，它已完成了24次任务，其中很大一部分是国际空间站的建设任务。NASA已经安排了奋进号的最后一次任务是STS－134，它在完成了该任务后将会退役，并被保存在洛杉矶的加利福尼亚科学中心。