美國肯尼迪航天中心及其航天飛行

1、從奧蘭多驅車向東南，大約45分鐘，就可以到達肯尼迪航天中心（KSC）了。它位于佛羅里達州卡納維拉爾角，南北最大距離55公里，東西向最寬10公里，是美國重要的載人航天中心，擁有各種獨特裝備和設施。不過，親臨現(xiàn)場感覺到的不僅僅是現(xiàn)代科技和人類建筑物，還有原始狀態(tài)的地理環(huán)境和眾多的野生動植物。頭上有老鷹在盤旋，附近有羽毛鮮艷的水鳥在覓食，路邊的沼澤里時常漂浮著懶洋洋的鱷魚，象一段段長年拋棄的朽木。原來，這里還是美國規(guī)模龐大的瀕危野生動植物及生態(tài)環(huán)境保護地。當然，人們長途跋涉來到這里，并不是觀賞這里的野生環(huán)境，而是被這里的航天事業(yè)所吸引。題圖照片為肯尼迪航天中心飛行大樓，航天飛機在這里與火箭助推器及推

2、進劑組合在一起，然后送往發(fā)射臺。美國的航天運輸系統(tǒng)1972年1月5日，美國總統(tǒng)尼克松批準美國國家航空航天局（NASA）研制可重復使用的航天飛行系統(tǒng)，稱之為“航天飛機”。它不同于火箭和飛船體系，但也不只是飛行器，而是整個“航天運輸概念”，其飛行任務代號即為航天運輸系統(tǒng)（SpaceTransportationSystem,簡稱STS）加上系列號。比如,1999年7月23日第一次由一位名叫艾琳柯林斯女士擔任指令長的飛行任務命名為STS-93。美國航空航天局代表美國政府，全面負責國內外的航天飛行業(yè)務。航天運輸系統(tǒng)整個合同由德州休斯頓的美國航空航天局約翰遜航天中心（JSC）負責組織實施，它由四大單元組成

3、：一套軌道飛行器即俗稱航天飛機，兩套火箭助推器（SRB）,一套推進劑箱和三臺主發(fā)動機。航天飛機由位于加州的洛克韋爾國際集團航天運輸系統(tǒng)部制造，它也負責全機系統(tǒng)集成及整套航天運輸系統(tǒng)?；鸺破饔瑟q他州的馬頓集團設計制造，但在肯尼迪航天中心完成總裝和系統(tǒng)集成。推進劑箱由新奧爾良的馬丁馬瑞塔集團制造。發(fā)動機系統(tǒng)由美國航空航天局馬歇爾航天飛行中心負責，由洛克韋爾集團的加州洛克代尼分部制造。航天運輸系統(tǒng)主要用于近地軌道往返運輸，其指揮控制中心在約翰遜航天中心。肯尼迪航天中心負責發(fā)射升空、返航著陸和地面周轉及保障。第一架航天飛機代號為OV-101，正式命名為“企業(yè)”號，用于地面各類實驗和飛行驗證。正式用

4、于升空的是OV-102即“哥倫比亞”號，于1979年3月25日由波音747馱載到肯尼迪航天中心。之后，改進過的OV-099命名為“挑戰(zhàn)者”，于1982年7月5日交付，OV-103命名為“發(fā)現(xiàn)者”，1983年11月9日抵達肯尼迪航天中心。1985年4月3日交付的OV-104命名為“亞特蘭蒂斯”。這些名字來源于美國歷史上著名的航海艦艇：“哥倫比亞”號是1836年投入使用的掛帆快艇，為美國海軍環(huán)球航行的主要艦船之一?！疤魬?zhàn)者”也是海軍艦艇的名字，它參加過1872年至1876年間的大西洋和太平洋遠洋探險。“發(fā)現(xiàn)者”在1610年至1611年間探索大西洋和太平洋西北方向的捷徑，并發(fā)現(xiàn)了夏威夷群島等地?！皝?/p>

5、特蘭蒂斯”為美國海洋地理研究所1930年到1966年間使用的一艘雙桅帆船。當前，美國有兩個航天運輸系統(tǒng)發(fā)射中心，肯尼迪航天中心負責赤道軌道、加州范登堡空軍基地負責兩極軌道發(fā)射任務。它們也是航天飛機的正常著陸點。加州愛德華茲空軍基地作為主備降基地，白沙空軍基地供緊急返航著陸使用。如在外地著陸，需用特制的波音747把它馱載回到肯尼迪航天中心，再次飛行準備時間增加一周，費用也增加100萬美元左右。但愛德華茲擁有獨特的先天條件:11400公頃堅硬廣闊的干涸湖床作為基本跑道，長達12公里，還建有一條水泥跑道，用于夜間著陸，以免沙塵過多影響燈光引導系統(tǒng)，天氣條件也比肯尼迪航天中心好，特別是航天飛機較重或肯

6、尼迪航天中心天氣變化時，只要在著陸之前提前一段時間，都可以臨時備降到愛德華茲。目前，在這里著陸次數(shù)多達半數(shù)以上。為了獲得著陸飛行和地面保障經驗，航天飛機頭三次返回著陸，也在愛德華茲空軍基地進行。1983年6月，由“挑戰(zhàn)者”號航天飛機完成了代號為“航天運輸系統(tǒng)-7”的航天飛行，原計劃首次實現(xiàn)在肯尼迪航天中心著陸，因天氣原因，依然在愛德華茲著陸。之后的兩次也是如此。一直到了1984年2月11日，代號“41-B”的飛行任務才實現(xiàn)了在肯尼迪航天中心的第一次著陸。但在1985年的一次著陸中，由于剎車過度，一個機輪爆破，導致有關方面再次考慮肯尼迪航天中心著陸的安全性。在加裝了前輪操縱系統(tǒng)和改進了剎車系統(tǒng)后

7、,1986年元月，“挑戰(zhàn)者”代號“61-C”的飛行計劃才重新安排肯尼迪航天中心作為返航著陸點，但因天氣惡劣再次改降愛德華茲。兩周后，“挑戰(zhàn)者”自身在發(fā)射中不幸損失，因此重新考慮肯尼迪航天中心的著陸設施是否足夠安全。之后，改進了航天飛機的主起落架和碳剎車，增強了前輪操縱性，更換了輪胎型號。1991年交付的“奮進”號就是第一架改進后的航天飛機。同時，重新設計了肯尼迪航天中心的跑道表面摩擦性，減少了兩端頭1066米正常接地區(qū)域對輪胎產生的磨損加長了安全道長度。1991年，肯尼迪航天中心得以重新作為返航著陸基地使用。復雜繁多的準備發(fā)射前的準備工作在肯尼迪航天中心飛行保障中心大樓內進行，在那里，航天飛機

8、與火箭助推器組合在推進劑箱上，姿態(tài)垂直向上，然后，用履帶式平板運載車把它們整體運往指定的發(fā)射臺?？夏岬虾教熘行牡谝粋€用于航天運輸系統(tǒng)任務的發(fā)射臺代號為39-A。在正常#況下，機組人員通過旋轉懸臂式通道進入航天飛機，該通道高44.8米，回轉幅度70度，時間30秒,航天飛機在點火前7分24秒與它脫離。機組的緊急撤離通道為封閉式消防撤離滑梯，一共有7套，每套里面有一個直徑1.5米、高度1.05米的撤離籠，可搭載3人，經4組纜索吊落到發(fā)射臺下，然后，機組通過臺下的防爆斗，撤離可能爆炸的發(fā)射臺。在正常，f#況下，它在發(fā)射前30秒脫開。專門為航天運輸系統(tǒng)設計了著陸設施，于1976年完成。跑道長度4571米

9、，寬91米。中間高，兩側低，以形成良好的排水能力。此外，有300米延長道。跑道南停機坪為常規(guī)停機坪，東北停機坪為裝卸停機坪，用于將航天飛機裝在波音747機背上，或者從該機機背上卸下來。專用的裝卸臺長45米，寬28米，高32米。在跑道中段外側，設有指揮塔臺、救護隊和消防隊，還有一個供輿論界和賓客觀賞著陸過程的看臺。航天飛機相當于DC-9飛機大小。從這個角度說，并不需要這么長的跑道。但它沒有動力，又以超音速大速度下滑，以及沒有復飛能力，必須盡量為其著陸操作創(chuàng)造便利條件。跑道異物對這樣大速度著陸的飛機十分危險。因此，在飛機接地前15分鐘，地面人員要對跑道進行最后檢查。然而，飛鳥很容易打傷航天飛機表面

10、的隔熱瓦。作為野生自然保護區(qū)，這里的鳥類有300多種。工作人員使用驅鳥廣播，經常修剪跑道兩側草坪，以免鳥類接近跑道。飛機接地后，由于它沒有動力，需要用柴油牽引車把它拖回飛行保障中心。訓練用的航天飛機飛行模擬器也坐落在這里。航天飛機的飛行技能也通過T-38教練機來訓練。這些飛機也停放在這個區(qū)域。此外，用于保障工作的其它運輸機和直升機也在這里作業(yè)。此外，還有一套由電子控制的精密著陸燈光輔助系統(tǒng)。從高度2285米起，如果航天飛機高于預定的下滑道，機組人員看見的燈光是紅色的，反之，是白色的。只有飛機處于預定的下滑道之內，他們才可以同時看見紅白兩色的燈光信號。整個著陸機動階段均有燈光引導信號，機組人員只

11、要調整飛機姿態(tài)，同時看見紅白相間的燈光信號，就說明飛機處于正確的下滑道上。在離地面高度676米左右時，可以看見4組，每組各24個燈源的接地指示信號。如果機組人員看見它們?yōu)榧t白兩色，就可以放下起落架，使飛機進入接地狀態(tài)。夜間著陸時，跑道燈光呈背光照明狀態(tài)，以免機組人員感覺眩目。在氣象條件要求方面，在航天飛機處于軌道上，要決策是否開始著陸時，從時間上說，大約距離著陸點90分鐘時，要求肯尼迪航天中心當?shù)氐陀?047米的云不多于20%,能見度不小于8公里，側風不大于22公里/小時。如果本次著陸重量較大，則還需要把側風條件提高到不大于19公里/小時。同時，在著陸地帶55公里范圍內，不得有雷暴條件，在19

12、公里內，不得有降水的可能。氣象預報由約翰遜航天中心航天飛行氣象中心發(fā)布，也需要肯尼迪航天中心現(xiàn)場觀測小組的實際數(shù)據(jù)，并與相鄰的美國空軍卡納維拉爾角空軍基地的氣象預報中心協(xié)調。同時，美國航空航天局的氣象探測飛機在空中進行實際數(shù)據(jù)探測。對所有這些數(shù)據(jù)進行綜合分析比較后，才能做出是否可以開始著陸的氣象預報。著陸后工作在著陸前兩小時，著陸保障部門就投入了工作。這涉及到150多人,30輛專用車輛。他們對機組的引導和護航不僅僅在飛機落地后，而是從航天飛機脫離軌道就開始了。無論航天飛機在哪里著陸，都由這些保障人員負責。在飛機著陸后，飛機停在跑道上，首先由身著全封閉保護服的探測人員對飛機外圍進行探測，檢驗分析

13、是否有高度可燃或有毒氣體及濃度如何。如果探測到有關氣體濃度很高，而且當時無自然風，就需要使用專用車輛對航天飛機吹風。之后，由凈化冷卻車輛接上補給管，通過這根管道，以檢測氫的濃度。如果濃度高于3%,應立刻對航天飛機停車關機，并對機組實施緊急撤離。反之，著陸后的行動繼續(xù)按正常程序進行，即通過補給管道，向飛機內注入凈化空氣和冷卻劑，進一步除去飛機各艙位或腔體內可能存在的有害或可燃氣體。這些都在著陸后45分鐘內進行，當然，地面空調系統(tǒng)接通后，就可以關閉機上冷卻系統(tǒng)了。當確認一切無誤后，機組舷梯車靠上航天飛機艙門，打開“安全檢查間”，機組人員進入這里，由醫(yī)生進行短暫的體檢，通常，這種檢查工作需在飛機著陸

14、后60分鐘內完成。接下來便是機組人員撤離飛機。他們從“安全檢查間”直接走向機組接送車。這個接送車是用普通機場旅客擺渡車改裝過來的。所以，在外面觀看著陸的人看不見機組人員下機。在機組人員離開飛機后，整個引導和護航行動結束，約翰遜航天中心則把后繼工作交給肯尼迪航天中心。地面保障人員登上航天飛機，準備把它牽引回飛行保障中心。輪胎系統(tǒng)冷卻需要45分鐘，這個期間的工作是把各種開關關閉并打開保險，從實驗裝置上取下實驗數(shù)據(jù)記錄和存貯器。還需要把起落架徹底鎖定在“放下”位置上，卸下前輪減速裝置，連接好牽引桿。通常，在著PS后4小時開始牽引，整個牽引工作在6小時之內結束。雖然航天飛行任務由約翰遜航天中心指揮，但

15、肯尼迪航天中心的工程測試小組位于發(fā)射控制中心內，一直在監(jiān)測航天飛機上的數(shù)據(jù)。在約翰遜航天中心把航天飛機控制權移交給肯尼迪航天中心后，該小組開始指才i后續(xù)工作，直至把航天飛機拖回到指定的飛行保障中心。那里，也是它下一次飛行的準備地點?？夏岬虾教熘行哪壳坝腥齻€飛行保障中心，將根據(jù)任務不同決定在哪里準備下一次升空。中斷起飛和緊急返航象普通飛機要考慮緊急迫降一樣，航天運輸系統(tǒng)必須考慮發(fā)射后，遇到緊急情況航天飛機如何中斷起飛或者緊急返航。在上升階段，如果飛行性能受到影響，如主發(fā)動機故障，或姿態(tài)控制發(fā)動機故障，就要考慮中斷起飛。入軌飛行后，如果發(fā)生艙體泄漏、環(huán)境系統(tǒng)故障、人員或者實驗本身發(fā)生意外影響到飛行

16、安全等，需要縮短日程，緊急返航。無論哪種非正常返航，都可歸結為“返場著陸”和“就近著陸”兩類，前者是返回預定著陸點，后者則為了盡最大努力拯救機組人員的生命安全，在來不及返回預定地點情況下實施。由于“就近著陸”保障條件差，風險相對比較大，因此，這個方案往往是在最后抉擇。只要條件允許，應首先采用“返場著陸”方案。在“返場著陸”方案中，又可分為四種情形：如果在上升過程中發(fā)現(xiàn)問題，應立刻降低預定飛行軌道高度，立刻減少所需功率，提前進入平飛，抓緊時間評估故障情況，決定是否繼續(xù)上升還是立刻返航。因此，需要研制繼續(xù)上升或者立刻返航下降這兩套臨時機動推力程序。這套程序稱之為“中斷入軌程序”(ATO一Abort

17、toOrbit)。這時，如果可以返回發(fā)射地，則執(zhí)行“返回發(fā)射地著陸程序”(RTLSReturnToLaunchSite)。與正常著陸程序不同的是，與緊急著陸時飛機需要空中放油以減輕著陸重量類似，首先降低軌道，繼續(xù)飛行，以便盡快消耗燃料，然后再返航。第三種情況是，入軌后需要返航，即需要立刻縮短后續(xù)日程，則按正常返航程序脫軌，再入大氣層。這套緊急返航程序稱之為“中斷任務程序”(AOOAbortOnceOrbit)。第四,如已錯過執(zhí)行“返回發(fā)射地著陸程序”(RTLSReturnToLaunchSite)點，則按彈道軌跡飛越大西洋下降著陸，稱之為"飛越大西洋著陸程序”(TALTransatl

18、anticLanding)。預定的備降點設在沿著飛行軌跡預定的有關機場，以盡量減少航天飛機的機動飛行。如果兩臺主發(fā)動機發(fā)生故障，或其它系統(tǒng)也相繼發(fā)生故障，無法完成任務，就必須考慮“就近著陸”方案了。這時，首先考慮如何保障機組人身安全，并不在乎航天飛機在哪里著陸。尤其在發(fā)動機相繼故障或者引起其它系統(tǒng)的連鎖反應后，無法很好地控制住飛行姿態(tài)，這時，可能需要實施“俯沖返航方案”，即機組人員使用救生逃逸裝置脫離航天飛機?？夏岬虾教熘行奈磥淼陌l(fā)展自從第一次發(fā)射火箭以來，肯尼迪航天中心已經運轉了半個世紀。如今，這里已是世界上規(guī)模最大、發(fā)射品種最多的航天發(fā)射場。當前，它由美國空軍第45航天聯(lián)隊和肯尼迪航天中心工作隊共同支持發(fā)射任務。在這里，還從事相關科研工作，包括研究今后的太空港技術，這里也是美國在阿拉斯加州卡迪亞克島新建的火箭發(fā)射基地的主要技術支持者。當前的商業(yè)飛行主要是把價值幾百億美元的衛(wèi)星送上預定軌道，將來有哪些運輸需要呢？計劃之一是，在今后10年內，可以為科研、制造和國際運輸、商務旅行，甚至普通旅游業(yè)提供航天飛行。在旅游業(yè)方面，目前最具實用情景的是在近地軌道上小住。也許在不遠的將來，就會有普通旅游者來到肯尼迪航天中心，搭乘航天飛機去近地軌道上的太空旅館。因此，首先要考慮在肯尼迪航天中心如何部署相應的太空港。開發(fā)航天