雄鷹亦有折翼時-航天飛機退役原因簡析

雄鷹亦有折翼時航天飛機退役原因簡析

智浩雖然美國航天飛機鑄就了巨大的輝煌，但是它將在2011年發(fā)射3架次后退役，這是為什么呢？千方百計難圓滿為了極大提高運輸能力，航天飛機當初被設計得很復雜。它里面有3500個重要的分系統(tǒng)和250萬個零部件，只要其中的1個重要分系統(tǒng)或關(guān)鍵零部件失靈，就有可能導致重大事故。另外，為了可重復使用，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雜氣動外形，又要有能承受再人大氣層時高溫氣動加熱的防熱系統(tǒng)，并在世界上首次裝備了可重復使用50次的主發(fā)動機。這些都大大增加了航天飛機研制的技術(shù)難度和風險。還有，由于技術(shù)上的限制，在運載能力和結(jié)構(gòu)安排出現(xiàn)矛盾時，美國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用。這也大大增加了航天飛機的危險性。其實，很早就有人對航天飛機的安全性提出過批評。一是航天飛機是人貨混用，而不是像宇宙飛船那樣分載人飛船和貨運飛船，所以用航天飛機發(fā)射衛(wèi)星時需有數(shù)名航天員陪著上天，這樣做既不經(jīng)濟，也不安全；二是美國自認為其航天飛機可靠性極高，所以沒有采取安全救生措施，因為安裝救生設備很麻煩。為了節(jié)省費用，當年在決策航天飛機方案時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。這也是美國政治領(lǐng)導人與美國航宇局領(lǐng)導人在20世紀70年代初期相互“妥協(xié)的產(chǎn)物”。最棘手的技術(shù)難關(guān)是航天飛機主發(fā)動機和機身表面防熱系統(tǒng)。航天飛機主發(fā)動機單臺最大推力達到210噸，比發(fā)射“阿波羅”的土星-5火箭上的J-2發(fā)動機增加了1倍多，并且推力在65%～109%之間連續(xù)調(diào)節(jié)，以適應航天飛機從發(fā)射到入軌整個過程不同階段的不同要求，而且要能重復使用100次。它的燃燒室壓力、噴管面積、工作時間、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)動機高好幾倍。這些高性能要求對結(jié)構(gòu)設計、材料選擇、推進劑輸送、發(fā)動機控制以及加工和制造都是極為困難的，為此，進行了大量的試驗、長期的研制才滿足了設計要求。軌道器表面防熱系統(tǒng)是另一個技術(shù)難題。因為用普通鋁合金制成的軌道器外形太復雜，返回地面再人大氣層時會產(chǎn)生極高的溫度，為此，航天飛機采用了輻射式防熱系統(tǒng)，設計人員根據(jù)軌道器返回時機身各處的熱環(huán)境貼了3萬多塊4種不同類型的防熱瓦。這4種防熱瓦實際上是一些疏松、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)生物理和化學性能的破壞并可重復使用，作為航天飛機防熱材料有其獨特的優(yōu)點。但是，它們的這些性能卻給連接和承受力學載荷造成了很大的困難，留下了許多隱患。2003年，哥倫比亞號航天飛機就是因為在起飛時遭到外力撞擊，結(jié)果導致防熱瓦上出現(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，所以再人防熱問題較易解決。而航天飛機外形復雜，又要重復使用，因此它在返回地面時，對周圍空氣的壓縮和摩擦產(chǎn)生的高溫高熱的防護和處理問題很復雜，要求有適合大面積復雜構(gòu)形的耐高溫、抗沖刷、重量輕、能多次使用的高級防熱材料，維修也應方便。由于在返回階段，目前尚無專用的系統(tǒng)援救航天員，所以航天飛機返回比發(fā)射更危險，關(guān)鍵看軌道器防熱系統(tǒng)是否遭到破壞。不斷改進保平安美國剛開始研制并發(fā)射了4架航天飛機，即哥倫比亞號、挑戰(zhàn)者號、發(fā)現(xiàn)號、阿特蘭蒂斯號。1986年1月28日，美國挑戰(zhàn)者號航天飛機升空時發(fā)生爆炸后，航天飛機的安全救生問題就擺上了極為重要的位置。美國對剩余的哥倫比亞號、發(fā)現(xiàn)號和阿特蘭蒂斯號3架航天飛機進行了283項改進，它們包括重新設計和制造固體助推火箭發(fā)動機連接處墊圈，更新航天飛機的防熱系統(tǒng)，提高主發(fā)動機的可靠性和工作壽命等等，其中最大的改進是吸取了血的教訓，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，結(jié)果是成功的。美國在非洲北部增設了2個迫降跑道，供航天飛機在發(fā)生事故時緊急迫降用；還改進了發(fā)射塔上的應急滑行吊籃和滑索系統(tǒng)，對發(fā)射場周圍的溫度、雷電等發(fā)射氣象限制條件也制定了更加嚴格的標準。為了填補挑戰(zhàn)者號爆炸造成的空缺，保持航天飛機群的整體規(guī)模，美國于1987年開始耗資近30億美元制造了1架新的航天飛機奮進號，并于1992年5月7日進行了首次發(fā)射。這架航天飛機在設計指標上有所改進，例如，在軌道器后部增加了1個低溫貯箱，故能攜帶更多的燃料，使航天飛機在太空持續(xù)飛行28天左右；配備了一個直徑13米的著陸減速傘，從而減少了著陸起落架與制動器上的拉力，縮短了機場跑道長度；在艙內(nèi)新增了先進的抽水馬桶和空調(diào)設備；增大了機身前段中層的空間，用于存放更多的食品、衣物和個人用品；用1個新型的廢物管理系統(tǒng)和1個可去除C02的再生裝置替代了原設計的氫氧化鋰系統(tǒng)；裝備了先進的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2003年1月16日，哥倫比亞號進行第28次發(fā)射時，外貯箱上的一塊重約700克的保溫泡沫材料脫落，致使機翼上出現(xiàn)了一個小洞，最終導致哥倫比亞號災難的發(fā)生，7名機組人員全部喪生。航天飛機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，這些冰在航天飛機發(fā)射時很容易脫落，并對軌道器誥成損壞。不過，由于技術(shù)原因，目前在每次航天飛機發(fā)射時都會有保溫泡沫碎塊從外貯箱表面脫落。但又因為這種采用聚異氰酸脂制成的保溫泡沫材料泡沫比冰輕得多，所以以前一直被認為是無足輕重的，直到2003年哥倫比亞號失事才引起重視。為此，美國航宇局花費了巨資重新設計了外貯箱，目的是防止在發(fā)射時外貯箱上的較大保溫泡沫材料脫落撞擊航天飛機機身和助推器。對新外貯箱所采取的措施有：改進保溫泡沫材料的安裝方式，提高保溫材料敷設工藝的標準，重新培訓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“凸起氣動負荷”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。這是美國航宇局有史以來在空氣動力方面對航天飛機進行的最大改進。但從技術(shù)上講，保溫泡沫材料的脫落已成為航天飛機的頑疾，而且在短期內(nèi)很難解決。要想在航天飛機升空時不產(chǎn)生任何泡沫碎塊，被證明過于困難和昂貴而無法實現(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。致命弱點中要害導致航天飛機停飛的主要原因是原先預想的航天飛機應有的五大優(yōu)越性經(jīng)大量飛行實踐證明只有兩項，航天飛機存在嚴重的致命缺陷。航天飛機原先預想的五大優(yōu)越性是：一是發(fā)射便宜。因為其軌道器、固體助推火箭可重復使用，每次發(fā)射費用只需3000萬美元就行，而不像運載火箭和宇宙飛船是一次性使用的。為此，美國甚至把運載火箭生產(chǎn)線停了下來，認為用航天飛機來代替運載火箭發(fā)射衛(wèi)星更經(jīng)濟。二是功能強大。它每次能運4～7人和20～30噸貨物，用途十分廣泛，似乎是神乎其神的萬能運輸器。而目前的載人飛船每次最多只能運3人和幾百千克貨物，即使是無人貨運飛船最多也只能運送幾噸貨物，滿足不了運送質(zhì)量達20噸左右空間站艙段的需求。三是更加安全。因為有很大機翼的航天飛機在再人大氣層時可獲得足夠的升力，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，使航天飛機準確地降落在跑道上，并重復使用；而載人飛船沒有機翼，因而無升力或升力很小，只能以彈道式或半彈道式方法返回，其結(jié)果是氣動力過載和落地誤差都較大，返回時采用在海面某一區(qū)域濺落或在荒原某一區(qū)域上徑直著陸的方式。載人飛船這種著陸方式不僅對航天員的要求很高，需要長期訓練才行，對航天員生命安全也有一定威脅。四是非常舒適，因為從起飛到返回地面的整個過程中，加速和減速都很緩慢，所以航天飛機過載比飛船小得多，即大大降低了對航天員的身體要求，可把稍加訓練的科學家、工程師、醫(yī)生和教師等送上太空。五是間隔很短。原以為航天飛機可以像民航客機一樣，每次返回后進行簡單維修就可再次發(fā)射，并樂觀地估計每1～2周就能進行一次發(fā)射。然而，實踐證明，航天飛機只有兩大優(yōu)越性，即功能強大、非常舒適，而其他三項正好相反：由于航天飛機技術(shù)難度大、系統(tǒng)設計復雜、零部件更容易耗損，返回地面以后要進行大量費時費力的維修工作，從而使每次發(fā)射費用高達4～5億美元，讓財大氣粗的美國航宇局也不堪重負；因此，每架航天飛機每2次發(fā)射時間的間隔也很長，每年僅能進行5～6架次左右的飛行；更要命的是由于體積龐大、外形復雜，發(fā)射時航天飛機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的保溫材料的撞擊，至今，美國5架航天飛機已損失了2架，并因此犧牲了14名航天員。美國航天飛機原計劃壽命最多為20年，每架應飛行100次，但截至目前，5架航天飛機加起來才飛行了132次。所以，航天飛機目前只能稱得上是當代世界上用途很廣，但成本很高、風險很大的大型運載工具。針對航天飛機存在諸多難以克服的不足，美國也曾大力研制第2代航天飛機，包括“冒險星”和“軌道空間飛機”以及可水平起降的空天飛機，以克服上述弊端，但都因資金和技術(shù)等原因而中途夭折，沒有成功。為此，美國很早就想淘汰航天飛機了，并以此加速對太空的“深度探測活動”，但由于建造中的國際空間站離開運載能力巨大的航天飛機就無法完成，所以經(jīng)過與國際空間站其他成員國協(xié)商，美國最終決定在完成國際空間站建造任務后，讓航天飛機于2011年結(jié)束歷史使命。雖然今后美國將用多種新型載人飛船完成天地往返運輸任務，認為它比航天飛機更安全，成本也低許多，但是航天飛機在世界載人航天史上立下的汗馬功勞永遠不可磨滅，其很多先進技術(shù)還將在未來的很長一段時間發(fā)揮重要作用。相關(guān)鏈接航天飛機的結(jié)構(gòu)美國的航天飛機結(jié)構(gòu)基本相同，都是由1個軌道器、1個外貯箱和2個固體火箭助推器組成。軌道器軌道器是航天飛機的主體，也是航天飛機最復雜的組成部分，每次升空都要經(jīng)歷航天飛機發(fā)射、飛行和返回的全過程。其外形是一個三角翼滑翔機，長37米，翼展24米，跟1架中型噴氣式客機大小差不多，不帶有效載荷時自重68噸，允許最大著陸質(zhì)量84.3噸；內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似一般飛機的結(jié)構(gòu)形式。通常所說的航天飛機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，哥倫比亞號航天飛機的第21次飛行，是目前航天飛機飛行任務歷史上時間最長的一次，飛行時間為17天15小時53分鐘。軌道器是整個航天飛機系統(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，主要特點是外表貼有3萬多塊防熱瓦，被認為是解決了一個重大技術(shù)問題，它可保證軌道器在返回大氣層飛行中不被再入產(chǎn)生的氣動高熱燒壞，以340～365千米／小時的速度在3千米長跑道上著陸。軌道器由機身、機翼等組成，其中機身又分機頭、機身和機尾三段。機頭是乘員密封艙，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、生活艙和儀器設備艙3層。駕駛艙在上層，其前面2個座位是駕駛員和指令長座位，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。氣閘艙后面有一個艙口，在軌道飛行時，駕駛艙中的人員可通過此口走到后面的貨艙里去。中層還有一個很大的邊門，供起飛前或著陸后人員和設備從這里進出。儀器設備艙在下層，主要裝載環(huán)境控制設備，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，提供由氧氣和氮氣組成的一個大氣壓的氣體。飛行中的最大軸向過載為3g。這些環(huán)境條件優(yōu)于載人飛船。軌道器中各種設備所需電源由3個氫氧燃料電池和3個鎳鎘電池提供，每個氫氧燃料電池可發(fā)出7千瓦～10千瓦的電力，而鎳鎘蓄電池供給短時間內(nèi)需要大電流的設備的用電，并作為燃料電池的備用電源，每個容量是10安時。機身是一個長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)換方向的遙控機械臂，最遠可伸到15米遠的地方，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。機尾是裝有3臺以液氫／液氧為推進劑的主發(fā)動機的艙，每臺能產(chǎn)生1780千牛的推力。這個艙的兩側(cè)上方各有一個突出的艙段，用以安裝軌道機動發(fā)動機。軌道器的三角形機翼和垂直尾翼可使航天飛機在返回地球過程中在大氣層中飛行時具有良好的穩(wěn)定性和操縱性，能像普通飛機一樣飛行自如。外貯箱外貯箱是航天飛機最大的部件，位于軌道器下方，也是唯一的不可回收的