今年8月21日，美國“奮進”號航天飛機完成了為期13天的太空飛行任務(wù)后，在佛羅里達州肯尼迪航天中心安全著陸。這是“奮進”號的第20次太空飛行，也是美國5架航天飛機的總計排序的第117次飛行。由于航天飛機是目前世界上最大的又是唯一可部分重復(fù)使用的載人航天器，故而它的每次發(fā)射和返回都引起了國際輿論的廣泛關(guān)注。不過，也許幾年之后，人們就只能在航空博物館里一睹其身影，傾聽它們充滿傳奇與悲傷的故事了。

研制航天飛機的緣由

人類在掌握了一次性使用的宇宙飛船技術(shù)之后，就追求像在大氣層中多次飛行的飛機一樣能在太空重復(fù)使用的航天器，以降低發(fā)射成本和便于載人航天。20世紀(jì)70年代至80年代，美國、蘇聯(lián)、法國、日本等國相繼研制航天飛機，由于技術(shù)、經(jīng)濟等問題，到目前為止，只有美國和蘇聯(lián)制造了航天飛機，而真正投入使用的僅有美國。

航天飛機是載人航天器突破一次性使用的慣例而進入可以重復(fù)使用階段的重要標(biāo)志和創(chuàng)新成果。它的突出特點是綜合運用了火箭、航天器和飛機技術(shù)，形成一種新型飛行器，既能載人載物升空入軌繞地球進行航天飛行，又能像飛機一樣下滑和著陸。

航天飛機外形類似于普通飛機，在完成航天飛行任務(wù)后，能在一般機場滑行降落。這種有翼式載人航天器，在起飛和入軌的上升階段使用火箭技術(shù)；在軌道飛行階段運用航天技術(shù)；而在再入大氣層后的滑翔飛行和水平著陸階段卻采用航空技術(shù)。它是當(dāng)代最先進、最復(fù)雜的載人飛行器。

1981年4月12日，世界上第一架完全自主飛行的航天飛機“哥倫比亞”號試飛成功。它在航天員約翰·揚和羅伯特·克里平的駕駛下進入距地面277千米的近地圓形軌道，環(huán)繞地球飛行了36圈，航程160.9萬千米，歷時54小時30分鐘。到1982年11月11日“哥倫比亞”號的第5次飛行時，它便開始執(zhí)行商業(yè)搭載任務(wù)了，把美國和加拿大的兩顆總重6噸的衛(wèi)星送上了太空。

繼“哥倫比亞”號之后，美國依次投入使用的航天飛機是：1983年首飛的“挑戰(zhàn)者”號、1984年首飛的“發(fā)現(xiàn)”號、1985年首飛的“阿特蘭蒂斯”號和1992年首飛的“奮進”號。1986年1月28日“挑戰(zhàn)者”號爆炸，2003年2月1日“哥倫比亞”號墜毀，目前只剩下其他3架航天飛機。

由三大部分組裝而成

美國的航天飛機由軌道器、兩個固體火箭助推器、推進劑外掛貯箱3部分組成，起飛總質(zhì)量為2022噸。飛機全長56米，高23米，通?？沙俗?－8人，飛行時間為一周至一個月。它豎立在發(fā)射臺上時，兩個助推器和外掛貯箱像3根巨大的立柱，貯箱位于中央，助推器分列兩側(cè)，軌道器像個龐大的飛蛾趴在柱子上。

軌道器是進入軌道飛行和返叫地球的裝置，形同飛機，長為37.2米，翼展為23.8米，重68噸，從前至后分為駕駛艙、貨艙、動力服務(wù)艙3段，能把29.5噸重的有效載荷送上185－1100千米的繞地軌道，并可以從太空運回14.5噸的貨物。著陸時，軌道器一般重約96.2噸。后艙尾部裝有3臺液氫液氧燃料的主發(fā)動機，它們每次工作約8.5分鐘，要求使用50次以上。軌道器其他部分要使用100次以上。

掛在貯箱兩旁的固體火箭助推器，高45米，每個重585噸，由4節(jié)直徑為3.66米的柱形無縫鋼管筒連接而成，里面澆鑄著固體推進劑。發(fā)射時，它們與軌道器的3臺主發(fā)動機一起點火，總推力約3140噸。兩個固體助推器為軌道器的垂直起飛和沖出大氣層提供78％的推力，要求使用20次以上。它們點火工作兩分鐘后，同時關(guān)機并與軌道器和貯箱分離，然后靠降落傘徐徐掉在大西洋海面上，由回收船回收，重新充填推進劑后供下次再用。

推進劑外掛貯箱，直徑8.4米，高47米，是一個龐大的固體柱，用鋁合金制造。它分為液氫箱和液氧箱，依次裝有100噸液氫和600噸液氧，同時分別為3臺主發(fā)動機提供推進劑。航天飛機起飛約8.5分鐘后，3臺主發(fā)動機關(guān)機，貯箱即與軌道器分離，成了太空垃圾，隨即墜入大氣層燒毀。然后軌道器在自身攜帶的變軌發(fā)動機、姿態(tài)控制發(fā)動機的推動下，進入預(yù)定軌道運行。正因為推進劑外掛貯箱是一次性使用的，故稱航天飛機為部分重復(fù)使用的航天器。

優(yōu)越性能和主要貢獻

航天飛機既是可載人載物多次往返于地面與太空之間的飛行器，又是能夠進入近地軌道執(zhí)行多種任務(wù)的航天器。與載人飛船相比，它具備著更多的功能：一是能在太空直接施放近地軌道衛(wèi)星；二是可捕獲并修理發(fā)生故障的近地軌道航天器，修復(fù)后予以重新釋放；三是可回收出了問題的近地軌道衛(wèi)星，送回地面進行修理：四是可將高軌道衛(wèi)星送入近地軌道，然后啟動衛(wèi)星本身攜帶的火箭發(fā)動機讓它進入高軌道；五是可在近地軌道釋放深空探測器，使后者依靠本身攜有的動力裝置進入預(yù)定軌道遠(yuǎn)航；六是載人數(shù)量多，單獨飛行時間長；七是可運載多種精密儀器，在太空開展科學(xué)試驗；八是可將太空艙段送入近地軌道，并進行在軌組裝；九是可與空間站對接進行聯(lián)體飛行，接送航天員和各種物品等。

5架航天飛機的輪番飛行取得了突出的成就，共向近地空間運送了近150萬千克的物資和633人次的乘客。在載人航天器中，它是運載航天員進入太空人次最多的一種。航天員共計在航天飛機上拖放和回收了上百顆不同用途的人造衛(wèi)星，向地球軌道發(fā)射了哈勃、康普頓、錢德拉3座太空望遠(yuǎn)鏡，向深空發(fā)射了麥哲倫號金星探測器、伽利略號木星探測器、尤利西斯號太陽探測器等，還進行了繩系衛(wèi)星的發(fā)電試驗。它們6次運載組件飛赴建設(shè)中的國際空間站，使空間站具備了航天員長期居住和工作的基本條件。

航天飛機在太空特殊條件下開展了地面無法實現(xiàn)的多種科學(xué)試驗。由中國科學(xué)院電工所和中國運載火箭技術(shù)研究院合作研制的，意在尋找宇宙中的反物質(zhì)和暗物質(zhì)的阿爾法磁譜儀，于1998年6月3日至13日搭載“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機在太空遨游了10天且工作正常。按照發(fā)射成本來說，航天飛機把航天器送入太空軌道的費用僅是地面起飛一次性使用的運載火箭費用的1／3或一半。如果將發(fā)射故障的航天器在太空予以捕獲、修理和重新釋放，那還可節(jié)約從地球上再次發(fā)射的費用，并避免了大量周折時間。

兩次機毀人亡的大悲劇

1986年1月28日，“挑戰(zhàn)者”號從佛羅里達州肯尼迪航天中心發(fā)射進行第10次飛行時，開始一切正常，誰知升空73秒后，突然一聲爆炸，出現(xiàn)了機毀人亡的悲慘景象，7名航天員全部喪生，成千上萬的觀眾痛哭流涕。這一可怕事故在世界航天史上留下了深沉的烙印。

經(jīng)過仔細(xì)調(diào)查分析，最終確認(rèn)是由于航天飛機右側(cè)固體火箭助推器連接處的合成橡膠O型密封圈性能失效而引起爆炸。這種密封圈，因設(shè)計上存在缺陷和當(dāng)日發(fā)射環(huán)境氣溫過低，沒有起到應(yīng)有作用，致使助推器兩節(jié)鋼套接口處出現(xiàn)裂縫，讓固體推進劑燃燒時產(chǎn)生的火焰漏射出來。溫度高達3000多攝氏度的火焰越竄越長，最后加熱了推進劑外掛貯箱，引起了液氫箱和液氧箱劇烈爆炸，航天飛機瞬間被炸成碎片，造成了空前悲劇。本來計劃在太空授課的女教師克麗斯塔·麥考利夫也一同罹難。

事過17年之后的2003年2月1日，“哥倫比亞”號在第28次飛行的返回地面途中，于德克薩斯州上空63千米處突然解體，7名航天員全部遇難。令人痛心和遺憾的是，事故發(fā)生在它邀游太空16天后，離回家僅差16分鐘的時間。

經(jīng)事故調(diào)查委員會的全面分析認(rèn)為，造成“哥倫比亞”號失事的直接原因是該機1月16日發(fā)射升空81.7秒后，推進劑外掛貯箱表面脫落一塊泡沫材料。這塊材料撞擊導(dǎo)致航天飛機左翼前緣的熱保護系統(tǒng)形成裂孔。“哥倫比亞”號在太空運行時，幾乎處于真空狀態(tài)，裂孔無關(guān)大礙，可到返回途中再入大氣層時由于摩擦產(chǎn)生的氣動加熱使受損部位溫度高達1300～1600℃，造成內(nèi)部線路和金屬部件熔化，終致結(jié)構(gòu)破壞而解體。

接受“哥倫比亞”失事的教訓(xùn)，美國航天專家對外掛貯箱的泡沫材料作了改進，但仍未取得理想效果。為解決這種材料脫落問題，雖花了13億美元，但收效不大。這在此后的兩次“發(fā)現(xiàn)”號飛行、一次“阿特蘭蒂斯”號飛行和一次“奮進”號飛行中都表現(xiàn)了出來，只是脫落的材料未直接擊中航天飛機要害部位而己。正因如此，今年8月份搭乘“奮進”號巡天的女教師航天員芭芭拉·摩根才完成了21年前麥考利夫未能實現(xiàn)的夙愿。

“暴風(fēng)雷”號的悲慘命運

1988年11月15日，蘇聯(lián)耗資100億美元研制的“暴風(fēng)雪”號航天飛機從拜科努爾發(fā)射場發(fā)射騰空，在距離地面250千米的圓形軌道上繞地飛行兩圈歷時3個多小時后順利返回，完成了原設(shè)計載人而未載人的首次也是最后一次飛行任務(wù)。

“暴風(fēng)雪”號與美國航天飛機比較起來，功能相同，形狀和大小相似，有效載荷和起飛質(zhì)量也很接近。不同的是，“暴風(fēng)雪”號軌道器未裝主發(fā)動機，服務(wù)艙攜有兩臺小型火箭發(fā)動機，幫助其自身最終進入預(yù)定軌道飛行。它的主發(fā)動機是安裝在能源號運載火箭上的。

能源號運載火箭由芯級和周圍捆綁的4個助推器組成。4個以煤油和液氧為推進劑的液體火箭助推器組成第一級，工作完畢分離后乘降落傘墜地，可以回收重復(fù)使用。芯級為第二級，由4臺以液氫和液氧為推進劑的液體火箭組成，僅能一次使用，其作用相當(dāng)于美國航天飛機軌道器攜帶的3臺主發(fā)動機。回收的第一級重新加注推進劑后，再配上新的第二級，不僅可以再次發(fā)射總質(zhì)量為2400噸的“暴風(fēng)雪”號航天飛機，還可以發(fā)射其他大型航天器，能夠一箭多用，這是優(yōu)于美國航天飛機之處。

“暴風(fēng)雪”號能在無人駕駛的情況下進行繞地飛行，說明自動駕駛控制方式與美國航天飛機不同，其技術(shù)難度要大得多。它在返回地面時，假如第一次著陸失敗，還可以啟動兩臺小型發(fā)動機重新拉起來再次進行著陸，安全系數(shù)比較高，這也是美國航天飛機做不到的。

航天飛機造價昂貴，耗資龐大，沒有雄厚的經(jīng)濟實力是難以為繼的。俄羅斯雖然有技術(shù)水平，卻無財力支撐，致使“暴風(fēng)雪”號航天飛機終未能逃脫被廢棄的厄運。1996年7月，一架“暴風(fēng)雪”號樣機被運到莫斯科高爾基公園建成了娛樂中心，但因管理不善，還遭遇過一場火災(zāi)，最后變得破爛不堪。

“奧賴恩”將代替航天飛機

美國航天飛機推進劑外掛貯箱表面包裹的泡沫塑料絕緣材料，是為保證液氫和液氧的低溫必不可少的保護層。由于航天飛機發(fā)射時這種材料脫落問題尚未徹底解決，極易撞壞軌道器外表面的隔熱層，致使其在返回途中有可能出現(xiàn)危險情況，故而目前的飛行仍具有一定的冒險性。有鑒于此，美國宇航局已經(jīng)決定，在2010年建成國際空間站之后，讓已有的航天飛機全部退役。在此期間，3架航天飛機大約還要進行11次飛行。

代替航天飛機的載人航天器，將是名為“奧賴恩”的新一代可重復(fù)使用的乘員探索飛行器。這原本是美宇航局根據(jù)美國總統(tǒng)布什2004年1月14日提出的最早于2015年載人重返月球、2020年左右建立月球基地。2030年后派人登陸火星的進軍太空計劃而研究的載人航天器，在其載人登月之前，先作為近地軌道載人航天器使用。

早在2005年7月23日，美國眾議院就通過議案，要求盡可能接近2010年的時候發(fā)射乘員探索飛行器。但美國宇航局透露的消息說，這種飛行器首次載人飛抵國際空間站的時間將不早于2012年。今年初，美國宇航局“奧賴恩”項目科學(xué)家同主承包商洛馬公司一道完成了系統(tǒng)技術(shù)要求評審，為這種載人飛船的設(shè)計、研制、建造和安全飛行奠定了基礎(chǔ)。該飛船將用于向地球軌道、月球乃至火星運送航天員。

“奧賴恩”飛船將用美國新研制的戰(zhàn)神1運載火箭發(fā)射到近地軌道運行，并能與國際空間站進行對接，完成太空飛行任務(wù)后再返回地面。它一次可以運載6名航天員，完全可以完成航天飛機飛往國際空間站執(zhí)行的一切任務(wù)，比俄羅斯現(xiàn)在的“聯(lián)盟TMA”號載人飛船要大得多，且在近地軌道上飛行也比航天飛機更為安全。至于“奧賴恩”載人飛往月球的時間，美國計劃安排在2020年，那時它還要與登月艙、地球出發(fā)站在近地軌道上組成聯(lián)合體后才能奔月。后兩者到時候?qū)⒂眯滦蛻?zhàn)神5運載火箭發(fā)射升空。

在2010年至2013年之間，航天飛機退役，“奧賴恩”飛船尚未問世，接送國際空間站的人員和物資問題只能靠俄羅斯載人飛船和貨運飛船來解決了?！吧裰邸碧栵w船雖有這方面的能力，但由于我國不是國際空間站的參建國，所以有力用不上。何況，我國還要實現(xiàn)載人航天的第二步和第三步計劃，同時實施“嫦娥工程”，繼續(xù)鑄就自己的太空輝煌。

責(zé)任編輯 龐 云