■ 梁曉鵬

航天飛機(jī)是為人類太空飛行任務(wù)而開發(fā)并運(yùn)行的一種集火箭發(fā)射、軌道飛行器及攜帶標(biāo)準(zhǔn)組件的再入太空飛機(jī)為一體的可重復(fù)使用發(fā)射系統(tǒng)。（通常所說的航天飛機(jī)只是其中的軌道飛行器，有點(diǎn)用詞不當(dāng)。）迄今為止，只有美國與蘇聯(lián)有能力制造能進(jìn)入近地軌道的航天飛機(jī)，并曾實(shí)際成功發(fā)射并回收。蘇聯(lián)解體后，相關(guān)的設(shè)備由哈薩克斯坦接收，但由于經(jīng)費(fèi)不足致使航天計(jì)劃陷入停頓。目前，世界上只有美國的航天飛機(jī)可以實(shí)際使用并執(zhí)行任務(wù)。

美國研制的航天飛機(jī)執(zhí)行美國航空航天局、美國國防部、歐洲航天局、日本以及德國的軌道飛行任務(wù)，發(fā)射地均為佛羅里達(dá)州的肯尼迪太空中心。按計(jì)劃，該系統(tǒng)在完成發(fā)射135次任務(wù)之后于2011年卸任，主要任務(wù)包括發(fā)射衛(wèi)星和星際探測(cè)器、執(zhí)行太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)、保養(yǎng)并建設(shè)空間站等。該系統(tǒng)總共有五個(gè)軌道飛行器：“哥倫比亞”號(hào)、“挑戰(zhàn)者”號(hào)、“發(fā)現(xiàn)”號(hào)、“亞特蘭蒂斯”號(hào)和“奮進(jìn)”號(hào)。

航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)由外艙、固體燃料助推器和搭載宇航員及輜重的軌道飛行器組成。它在二個(gè)助推器和三個(gè)主引擎的作用下升空，使用的燃料為裝載于外艙的液態(tài)氫和氧。航天飛機(jī)二級(jí)升空，起飛到達(dá)一定高度時(shí)助推器被拋入大海，供回收再利用。軌道器和外艙借助主引擎動(dòng)力繼續(xù)升空，速度達(dá)到7.8千米/秒時(shí)主引擎關(guān)閉，進(jìn)入近地軌道，外艙被拋向大氣層燒毀，軌道操作系統(tǒng)引擎可用來調(diào)整軌道。

航天飛機(jī)通常搭載7人，可載重量20多噸。軌道器頂端順長設(shè)置帶門貨艙，因此可以裝卸像哈勃空間望遠(yuǎn)鏡之類的大號(hào)衛(wèi)星，也方便將大量貨物帶回地球。

航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)及建造早在20世紀(jì)70年代就已開始，其概念在“阿波羅”計(jì)劃之前就已形成。1954年，美國國家航空咨詢委員會(huì)將其作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由瓦爾特·道恩伯格提出，代號(hào)為X－15。這一項(xiàng)目到1958年發(fā)展為另一X系列飛船議案，稱為X－20，但沒有執(zhí)行，取而代之的是1966年提交的HL－10。值得注意的是，它們都挑選阿姆斯特朗做領(lǐng)航。

20世紀(jì)60年代中期，美國空軍開始秘密研究新一代太空運(yùn)載系統(tǒng)，認(rèn)為最廉價(jià)的選擇是部分再利用。經(jīng)過反復(fù)醞釀、討論和競(jìng)爭(zhēng)，最后提出一種由大助推器和小軌道器組成的二級(jí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，稱為DC－3。1969年尼克松總統(tǒng)決定實(shí)施航天飛機(jī)研制計(jì)劃，1973年在比利時(shí)召開的歐洲部長會(huì)議批準(zhǔn)了西歐載人航天計(jì)劃和太空站項(xiàng)目，直接促成了航天飛機(jī)的誕生。

航天飛機(jī)是第一批重復(fù)使用的軌道飛行器，往返于地球與太空及國際空間站之間，執(zhí)行運(yùn)送、回收和維修保養(yǎng)等任務(wù)。它的核心因素為運(yùn)載商用和軍用衛(wèi)星的能力，設(shè)計(jì)壽命為100次發(fā)射和10年運(yùn)營，總設(shè)計(jì)人是馬克西姆·費(fèi)格特。航天飛機(jī)的各個(gè)部件分工負(fù)責(zé)，肯尼迪太空中心負(fù)責(zé)赤道環(huán)行的發(fā)射、著陸和轉(zhuǎn)向，美國空軍范登伯格基地負(fù)責(zé)環(huán)行二極的發(fā)射、著陸和轉(zhuǎn)向，林頓·約翰遜太空中心為飛行操作中心，馬歇爾太空飛行中心負(fù)責(zé)主引擎、外艙和火箭助推器，史泰尼斯太空中心處理主引擎試驗(yàn)，高達(dá)太空中心負(fù)責(zé)全球跟蹤網(wǎng)絡(luò)。

航天飛機(jī)最早使用可靠的計(jì)算機(jī)化半自動(dòng)數(shù)碼飛行控制系統(tǒng)，使用的是類似PL/I的高級(jí)語言HAL/S，共五臺(tái)相同冗余共用IBM32比特AP－101計(jì)算機(jī)。其中四臺(tái)同步運(yùn)行初級(jí)航空電子軟件系統(tǒng)，即使二臺(tái)出現(xiàn)失誤，立即會(huì)被清除；如果四臺(tái)都出現(xiàn)故障，第五臺(tái)飛行備份系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)的目的是：若出現(xiàn)一次故障，航天器可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，出現(xiàn)二次故障，仍可安全著陸。1990年，原來的主機(jī)被更換，升級(jí)為AP－101S，增大了儲(chǔ)存量和數(shù)據(jù)處理速度。

航天飛機(jī)研制于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過多次升級(jí)和調(diào)整，性能、可靠性及安全性能都得到改善。從航天器內(nèi)部看，除了航空電子計(jì)算機(jī)之外，與原來設(shè)計(jì)大體相似。原來的模擬首航儀器更換為現(xiàn)代全色平板顯示器，像空中巴士A380和波音777那樣。隨著國際空間站的建立，軌道器的內(nèi)部氣閘更換為外部對(duì)接系統(tǒng)，這樣便可儲(chǔ)存更多的貨物以備后用。

航天飛機(jī)發(fā)射的氣候條件包括降水、溫度、濕度、云層、閃電預(yù)報(bào)及風(fēng)力，當(dāng)然也不限于這些。航天飛機(jī)的主要材料是鋁，它可以保護(hù)飛船內(nèi)部系統(tǒng)，但起飛時(shí)尾部排出的煙柱直通地面形成接地，因而會(huì)誘發(fā)閃電，因此只要有閃電的可能，就得取消發(fā)射。即便已經(jīng)進(jìn)入倒計(jì)時(shí)狀態(tài)，只要發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵性問題，控制中心的地面發(fā)射定序器也會(huì)停止計(jì)數(shù)而終止發(fā)射。

航天飛機(jī)一旦進(jìn)入運(yùn)行軌道，就開始作業(yè)，往往多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。20世紀(jì)八九十年代多為空間站任務(wù)，或發(fā)射各種衛(wèi)星及科學(xué)探測(cè)器；世紀(jì)之交其重心轉(zhuǎn)移到維護(hù)空間站，發(fā)射衛(wèi)星的次數(shù)減少。大多數(shù)任務(wù)需要在軌停留數(shù)天至半個(gè)月。

航天飛機(jī)再入的整個(gè)過程基本上是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，當(dāng)然在緊急或意外情況下也可以人工操作；接近和著陸階段可以自動(dòng)操作，但通常是人工控制。軌道操作系統(tǒng)引擎點(diǎn)火后，機(jī)尾向前，離開軌道大約3分鐘，航天飛機(jī)速度降到大約322千米/小時(shí)，其結(jié)果是航天飛機(jī)降低近地點(diǎn)而進(jìn)入大氣層，開始滑翔飛行和水平著陸階段。

著陸后，航天飛機(jī)必須在跑道停留幾分鐘以便冷卻，工作人員檢測(cè)首尾是否有氫、肼、甲肼、二氧化氮和氨。一旦發(fā)現(xiàn)氫，立即進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，馬上關(guān)機(jī)并撤出該區(qū)域。40分鐘～60分鐘之后，由25種特制儀器和150名熟練工程師及技術(shù)人員組成的護(hù)衛(wèi)隊(duì)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，通過凈化和通風(fēng)管道清除燃料管道和貨艙的有毒氣體。飛行醫(yī)護(hù)人員登機(jī)對(duì)機(jī)組人員進(jìn)行離艙前的初步檢查。機(jī)組人員出艙后，航天飛機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到肯尼迪太空中心，準(zhǔn)備再次發(fā)射。

航天飛機(jī)的理想著陸地是肯尼迪太空中心。如果氣候不利，可推遲降落，當(dāng)然也可降落在別處，但必須由航天器運(yùn)載機(jī)背回卡納維拉爾角。

航天飛機(jī) 飛行次數(shù) 飛行日數(shù) 飛行圈數(shù) 最長飛行哥倫比亞 28 300日17小時(shí)46分鐘42秒 4808 17日15小時(shí)53分鐘18秒挑戰(zhàn)者 10 62日07小時(shí)00分鐘00秒 5830 15日02小時(shí)48分鐘08秒亞特蘭蒂斯 32 282日00小時(shí)56分鐘15秒 995 08日05小時(shí)23分鐘33秒發(fā)現(xiàn) 39 365日00小時(shí)奮進(jìn) 24 280日09小時(shí)00分鐘28秒 4602 13日20小時(shí)12分鐘44秒39分鐘44秒 4429 16日15小時(shí)08分鐘48秒

對(duì)于航天飛機(jī)來說，致命因素包括：軌道微型流星碎片，主引擎災(zāi)難性故障，固體火箭失靈，攀升產(chǎn)生的殘片撞擊熱保護(hù)系統(tǒng)，機(jī)組人員登陸失誤，高壓容器故障等。2011年年初，美國航空航天局的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究表明，操作航天飛機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)不容低估，但隨著安全系統(tǒng)的改善，事故發(fā)生率從先前的1/9下降到后來的1%。

隨著科技的發(fā)展，美國決定終止航天飛機(jī)計(jì)劃，這是由多方面的原因造成的。在航天飛機(jī)服役的數(shù)十年中，設(shè)計(jì)者最初設(shè)想的以航天飛機(jī)大載荷、可重復(fù)使用等特點(diǎn)來節(jié)約經(jīng)費(fèi)的目的并沒有達(dá)到，因?yàn)楹教祜w機(jī)的自重、回收后必須徹底檢修等原因，航天飛機(jī)運(yùn)載453克物資的花費(fèi)達(dá)到2萬美元！而且航天飛機(jī)最初100次飛行任務(wù)的設(shè)計(jì)壽命根本不可能達(dá)到，目前執(zhí)行任務(wù)最多的是“發(fā)現(xiàn)”號(hào)，也只完成了39次。

在美國新的航天器誕生之前，宇航員只能通過俄羅斯的航天器往返于國際空間站。20世紀(jì)八九十年代，美國曾計(jì)劃研制第二代航天飛機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)后，美國航空航天局開始研制新的航天器，不但計(jì)劃搭載游客并向國際空間站運(yùn)送物資，而且還超越了環(huán)地軌道飛向月球和火星。這個(gè)航天器的概念后來演化為“獵戶座”號(hào)太空飛船，這個(gè)項(xiàng)目也被命名為“星座”計(jì)劃。美國航空航天局原計(jì)劃于2010年之前啟動(dòng)“星座”計(jì)劃，但是2010年2月，奧巴馬總統(tǒng)的美國政府提議不再使用公共資金進(jìn)行“星座”計(jì)劃，并把這個(gè)負(fù)擔(dān)推給了私營企業(yè)。2010年10月11日，美國航空航天局授權(quán)法的簽訂取消了“星座”計(jì)劃，這標(biāo)志著航天飛機(jī)退役時(shí)將會(huì)留下一個(gè)空白。

此外，還有一個(gè)名為HLV的項(xiàng)目在利用航天飛機(jī)發(fā)射系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上計(jì)劃研制一種高重量級(jí)的發(fā)射器，按照設(shè)計(jì)可以將載重90噸的航天器送入近地軌道，其成本將是“星座”計(jì)劃1/5，到2015年可以完成。