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世界科技全景百卷书: 航空与航天的混血儿
——航天飞机 1986年1月28日，美国佛罗里达州卡纳拉尔角宇航中心，美国“挑战者号”航天飞机在39号B发射台上翘首等待。在“挑战者”巨大的座舱里，七名机组人员更是兴奋异常。四周成千上万的人们也是格外高兴。因为这七名宇航员中有一位37岁的女教师克里斯塔·麦克利夫。大家紧张而又满怀激情地等待着升空的时刻到来。当地时间11点38分，巨大的火焰喷出，“挑战者号”航天飞机冉冉升起。在73秒钟时，一声轰鸣，飞机联络中断；随之又一声巨响，航天飞机变成了一个大火球，庞大的飞机躯体连同七名宇航员化成成千上万个碎片，落向大西洋——惊愕的人们闭上了眼睛，不少人眼泪夺眶而出。 这是美国“挑战者号”航天飞机第十次飞行时失事的情况。然而，“挑战者号”航天飞机的阴影并不能压制人们再向太空挑战的勇气，此后一架架航天飞机仍旧频频上天，捷报一一传来。有人会纳闷儿：航天飞机到底是干什么的呢？它有什么特殊的本事叫科学家们如此倾心？现在我们就来一起看一下航天飞机的魅力所在。 魅力何处寻 航天飞机的本质是一种火箭飞机，它依靠火箭发动机来提供动力。由于航天飞机既可以在稠密的大气层中穿行，又能在行星际空间自由翱翔，所以把航天飞机看作是航空与航天的混血儿一点也不过分。从更广泛的意义上说，它是集卫星、飞机、宇宙飞船于一体的杂交种。显然，它的诞生非同寻常，意义深远。航天飞机比起别的飞行器有自己的特色： 首先，航天飞机是世界上唯一可以部分重复使用的航天飞行器。它可以实现定点着陆和无损返回。用火箭发射航天器的费用很高，平均把一磅重的物体送到太空需要2000美元；而航天飞机往返一次的费用只有 1000万美元，将每磅物体送入太空只需100美元，仅此一点，航天飞机就可为发射减少90％的费用。 而且，航天飞机由于货舱很大，一般长约18米，直径约4.6米，可以容纳30吨左右的货物。这么大的容积比起运载火箭整流罩内的小小空间就宽敞多了。由于人造天体用航天飞机发射时不必过分计较尺寸、重量，所以就相应地减少了研制费用 （据估计可减少一半）。 其次，减少发射故障，增加保险系数。近些年来运载火箭发射事故频繁，1994年就有四次发射失败；1995年竟有八次发射失败；1996年6月“阿丽亚娜5号”运载火箭的失事更叫人痛心。但如果使用航天飞机来释放人造天体，就不会有这么多的事故。因为运载火箭一旦发射出去，只能是“有去无回”，人造天体是死是活难以料定，但航天飞机却可以“有去有回”。虽然在1986年发生过“挑战者号”航天飞机机毁人亡的事故，但迄今为止，其保险系数还是很高的。航天员在飞机上渡过了一个个险关，避免了一个个意外事故，就是例证。 再者，使用面广，完成的工作量大。航天飞机由于货舱大，一次就可以装载一颗大型人造天体和一批小型人造天体。航天飞机可以在轨道上利用机械手布置任何类型的人造天体。 而且，航天飞机本身可以搭载空间站进行科研活动，“空间实验室—1”号就是这样。“空间实验室—1”号装在航天飞机内，其工作间由两个连接在一起的圆柱形加压的舱室组成，这儿的科技工作者不必经过严格的宇航训练，因为航天飞机的上升速度与返回速度都不高，这就使航天飞机太空实验的可靠性大大提高。 同时，航天飞机还可以进行空间维修、卫星回收活动，甚至还可以向地球轨道和高轨道发射同步卫星和深空探测器。 再者，航天飞机由于其起飞容易，回归迅速，因此可以参与各种应急救生活动。航天飞机定期返航后，可以像飞机那样进行定时的检查维修与保养，大大地提高了使用次数。 最后，在军事上是一种新的突破。人造卫星、洲际导弹的产生与运用，使军事领域扩展到太空。而在地面军事设施对这些“太空武器”束手无策时，航天飞机却在反卫星的能力上迈出了一步。航天飞机作为空间武器来说，可以对别国空间轨道上的军事人造天体，如间谍卫星，进行拦截、破坏或捕获，对自己本国的军事人造天体则可以密切监视，加强保护。航天飞机如果配上粒子束武器，还可以摧毁太空中敌方人造天体，当然对地面导弹的拦截能力也就不言而喻了。 日趋完美的结构 航天飞机目前只有美国、俄罗斯两国有，但俄罗斯（以前的苏联）的“暴风雨号”航天飞机只做过一次不载人的试验飞行，一直未能投入使用。美国的航天飞机有六架，即“企业号”、“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号”、“阿特兰蒂斯号”和“奋进号”。在这之中，“企业号”只用于各种试验，没有投入使用，“挑战者号”已于1986年失事。 美国的航天飞机一般由轨道器加上两个大型固体火箭助推器，以及一个外接的燃料贮箱组成。通常人们把轨道器也叫航天飞机。燃料贮箱中有液氧、液氢燃料，为航天飞机的主发动机提供推力；固体火箭助推器也为航天器提供升力。航天飞机有三个舱段，即前段、中段和尾段。 前段是乘员舱，可以乘坐4～7人，最多时可以容纳10人。这些人中约有三名为宇航员，其余为各类专家，负责各种实验活动。乘员舱有三层，一层是设备，一层是驾驶室，一层是生活舱。乘员舱里布置得典雅别致，乘员身穿普通的便装即可生活。中段是个货舱，装有各种科学实验仪器、天文望远镜、深空探测器等。货舱中还备有能自动操作的机械手和电视装置，以便于在轨道上释放或捕获人造天体。尾段装有发动机和自动控制系统等。 航天飞机的飞行过程大致有上升阶段 （像运戴火箭一样）、轨道飞行阶段 （像宇宙飞船一样）、返回阶段（像普通飞机一样）。 起初，航天飞机停放在发射台上准备起飞。等起飞命令下达后，航天飞机的三台主发动机和两个固体助推火箭同时点火，推动航天飞机垂直上升。大约到50公里的高空后，助推火箭燃料用完，自动分离，借用降落伞系统到海上溅落，直升机和舰船进行回收。这种助推火箭一般可重复使用 20次左右。航天飞机携着燃料贮箱在主发动机的作用下继续上升，一直入轨。进入轨道后，燃料贮箱被扔掉，进人大气层烧毁。至此，上升阶段已经完成。 航天飞机人轨后主发动机熄火，由两台小型火箭发动机控制飞行。不过为了更精确地调整飞行姿态，航天飞机三角翼和垂直尾翼上也装有小型发动机，作航向姿态的修正使用。到达预定地点后，航天飞机开始正式工作，它或者进行科学实验，或者释放和回收卫星，或者修复各种太空人造天体，等等。 航天飞机完成任务后，便开始重新启动发动机进入大气层。大气层阻力很大，航天飞机速度开始放慢，并且可以像普通滑翔机一样滑翔着陆，着陆速度为每小时300公里。从这儿大家可以看出，航天飞机的着陆跑道比普通飞机的跑道要长得多。 展望各国航天飞机 美国的航天飞机 到目前为止，美国仍是唯一拥有载人航天飞机的国家。但这并不意味着美国就不打算研制下一代航天飞机。早在1985年，美国就提出要发展更先进航天飞机的计划。我们先来对美国各航天飞机作一了解。 “哥伦比亚号”，它长约56米，高约23米，起飞重量为二千二百多吨，航天飞机发动机总推力可达3140吨。该机于1981年首次试飞成功后，由波音747大型喷气客机运回肯尼迪。后来航天中心为此机装置了加拿大制造的 “机械手”，机身还贴着防高温的硅瓦。 “挑战者号”，比“哥伦比亚号”轻4.5吨。它施放过一颗2.5吨重的卫星，它的宇航员也进行过空中行走。该机于1986年爆炸。 “企业号”是美国航天飞机的正规检测机，1977年制造。 “发现号”，1984年8月30日首次发射入轨，它载有五名宇航员，不仅发射了3颗地球静止轨道卫星，还进行了各种实验。到1991年为止，它已被使用13次。 “阿特兰蒂斯号”，1985年10月3日，首次发射，载有5名航天员。 “奋进号”于1992年5月7日发射成功。该机在空间轨道的时间得到延长。 美国80年代提出过“东方快车”的构想，后来不知是什么原因，已经消声匿迹了。 据称，美国国防部正在加紧研制X—30空天飞机。该机能够水平起飞，整机入轨、返回并能水平着陆。X—30空天飞机全长45米，起飞重量约90吨。它有喷气式发动机、高超声速喷气式发动机、火箭发动机，分别用于水平跑道起飞、加速、太空运行三个飞行阶段。 1996年7月7日，美国副总统戈尔宣称，洛克希德——马丁公司开发的可重复使用的新一代航天飞机X—33被选中，该机性能与X—30相似，预计2000～2006年投入使用。 日本的航天飞机 日本东京宇宙和宇航科学研究所从80年代初开始研究一种叫“HIMES”的宇宙运输飞船。此飞船最大有效载荷约半吨，最高飞行高度为300公里，它能够垂直起飞和水平降落，所以其实质是一种航天飞机。 HIMES全长13.7米，用1.5吨的液氢、一吨的液氧作推进剂，装有两个可重新点火的发动机。该航天飞机有一个三角形支撑面，支撑面末端旁边还有两个用液氢作动力燃料的发动机，以备不测。有关HIMES的技术已经存在，但目前它尚未真正露面。 此外，日本空间厅及国家航空航天实验室从 1987年开始研制了一种叫 “ Hope”的 H—Ⅱ轨道飞机。此机长约 13米，翼展9.2～12米，总质量约一吨。 Hope飞机将由日本H—2火箭发射上天，进入380公里高的轨道后，它能与空间站对接。在返回时， Hope飞机能到普通跑道水平着陆。 1996年 2月12日，日本从种子岛将 Hope号小型航天飞机试验机发射升空，该试验机以15倍音速飞行了19分钟，但溅落在小笠源群岛东北300千米的海上后回收失败。 英国的“雷托尔”航天飞机 英国航空航天公司和罗尔斯——一罗伊斯公司正在研制一种水平起降的小型航天飞机“霍托尔”。“霍托尔”起飞重量约2000吨，运载能力为7～11吨，雷托尔属无人驾驶飞机。它能在任何普通机场起飞和降落。该飞机设计需要40亿美元以上。 德国的“森格尔”航天飞机 1986年，前联邦德国梅塞施米特——伯尔特——布洛姆公司提出了“森格尔号”航天飞机设计方案。此飞机能在普通机场上降落和起飞，并分两级。飞机第一级装有涡轮喷气发动机，能把第二级送到30公里的高空后再返回地面；飞机第二级装有氢氧火箭发动机，重约50吨。 “森格尔”航天飞机是两级空天飞机，第一级本质上是一个大型音速驮运航天飞机；第二级航天飞机是火箭飞机。此飞机的发展费用在100亿美元左右，大约按计划到2004年可以使用。 俄罗斯的航天飞机 前苏联在1988年11月15日发射过无人驾驶的“暴风雪号”航天飞机。90年代前苏联分裂解体后，俄罗斯继承了其主要技术和设备。 据消息称，“暴风雪号”航天飞机总推力可达3000吨，自身质量62吨，能将38吨的有效重物送入到180公里的低轨道。另外，前苏联还在1982年6月 3日发射过“宇宙” 1374小型航天飞机，在印度洋得到回收；1983年3月、12月发射了“宇宙” 1445、“宇宙” 1517航天飞机，分别从印度洋、黑海回收；1984年12月发射了“宇宙”1614航天飞机等。目前，由于俄罗斯财政出现赤字、经济衰退、政治不稳，同时也由于有“和平号”轨道站、 “联盟号”飞船在发挥作用，估计新型的航天飞机研制进展不大。 叹为观止的空中作业 航天飞机在频繁的太空活动中扮演着重要的角色，这里着重谈谈太空行走、空间维修、施放卫星。 太空行走分两种，一种是身着宇宙服的舱外活动，为了保险，这种宇宙服的一端系有一根保险绳，此绳的另一端接在航天飞机上。世界上第一位从航天飞机步入太空的是美国宇航员马斯格雷夫。他于1983年4月7日当地时间下午4点23分，从打开的货舱舱门走了出去，此时他的宇宙服拴有一根长约15米的保险丝，以免他飞离航天飞机而去。马斯格雷夫在太空中时而伸腿舒脚，时而自由飘飞，时而凝神定气，好不自在。据报道，到目前为止，已有三位华人在太空中行走过。最近一次是 1996年美籍华人柴立中搭乘“奋进”号航天飞机，在舱外进行了活动。 另一种太空行走说起来有些离谱。因为宇航员已经离开了航天飞机，停留在茫茫无际的太空中；按一些人的话说，他成了完完全全的一个“卫星人”。这个奇迹是1984年1月美国布鲁斯·麦坎德利斯创造的。他之所以能在航天飞机周围100米的地方“游而不离”，完全归功于那个价值750万美元的“背包”。 这种“背包”叫“载人机动装置”，是美国马丁·玛丽埃塔公司制造的。它里面全部是铝合金结构，装有供电系统和推动系统。供电系统由两个锌银电池组成，每小时可提供752瓦特的能量。推进系统包括两个贮气瓶，每个贮气瓶高约76厘米，容积约39升，可以装液氮。液氮汽化后通过一个套管道和阀门到达推进器的24个喷口。这24个喷口分布在上下、左右、前后方向，每个喷管可以产生7.6牛顿的推力。这个“背包”重约 150公斤，加上宇航员及生命维持系统，总重量可达三百多公斤。如果同一方向的四个推进器一起工作，宇航员可以获得每小时 75公里的速度，这个速度比走快得多，而在失重的状态下，真是别有一番滋味。 这个“背包”的操作有两种方式：要么宇航员直接用手操作，操作手柄部在背包边沿上；要么自动操作，控制钮随时等待着宇航员去按。 这种“背包”并非只有一个。1995年2月7日，身着新式“背包”的美国宇航员伯纳德·哈里斯和麦克尔·福勒在太空中进行了太空自由表演，这被当时的人们称为“太空芭蕾”。这个新装置价值为700万美元，质量只有以前背包的1/3，速度为 3米/秒。 再看空间维修。空间维修是载人航天飞机的一种特殊勤务活动。它的应用范围很广，包括对各种航天器和航天设备的回收、修复、更换等。空间维修必须有两个条件，一是航天器能够拆卸；一是要有长时间空间停留的载人航天器。对此能够做到的只有航天飞机和空间站。现在我们来回顾一下目前世界上规模最大、任务最艰巨的空间维修——对“哈勃”空间望远镜的修复。 “哈勃”空间望远镜于1990年由“发现号”航天飞机送入到近地600公里的近地轨道。两个月后，“哈勃”空间望远镜病症一个个出现。先是镜头出了问题，成了“近视眼”，可以看到140亿光年的观测距离缩短为只有40亿光年；再就是“颤抖症”，望远镜由于太阳能电池帆板经不起热胀冷缩，出现了颤抖，大约一天要颤抖16次；再就是“大脑”出了问题，DF—224主计算机部分失效。解铃还需系铃人，修复“哈勃”望远镜的任务落在了航天飞机的肩上。 1995年12月2日，美国东部标准时间4时27分，美国“奋进号”航天飞机发射成功。六个小时后，航天飞机的指令长和副驾驶员操纵机上11台轨道机动发动机，完成了两次机动飞行，靠近了“哈勃”望远镜。12月4日，航天飞机上伸出加拿大制造的15米长的遥控机械臂，将这个庞然大物抓住，并放在货舱内的可转动专用支架上，修复工作拉开了序幕。 12月5日，宇航员霍夫曼中校、博士马斯格雷夫身着宇宙服进入敞开的货舱。霍夫曼用脚上的一个装置将自己的一只脚套在机械臂端的平台上，并打开了望远镜壳体上的一组后舱盖。马斯格雷夫顺着货舱壁的扶手到达维修位置，他把一只脚捆在望远镜内，两人更换了三台陀螺速率传感器，并装上了新的安培保险丝。此次活动花了近八个小时的时间。 第二天，女航天员桑顿、空军中校艾克斯“重蹈覆辙”，进行了第二次舱外活动。先是舱内机械臂操纵手——瑞士航天员尼科利耶空军上尉操纵机械臂将太阳能电池帆板扔掉；再就是两个舱外人员装上了美国制造的新太阳能电池帆板，采用新伸缩软管式隔热结构，治愈了“颤抖病”，此活动用了近七个小时。 12月7日，霍夫曼和马斯格雷夫进行了另三次舱外活动。两人密切配合，先将272千克的相机沿镜内导轨推出，再换上美国研制的WF/PC—2新型相机。这一次也用了近七个 12月8日，艾克斯和桑顿为“哈勃”望远镜主镜装上了新光学系统和计算机。这样，“哈勃”望远镜眼睛得到复苏，头脑也清醒多了。这次活动花了六个多小时。 12月9日，霍夫曼和马斯格雷夫进行了最后一次舱外活动，他们用七个小时更换了一个太阳能电池帆板驱动装置。到这里，整个“哈勃”望远镜修复工作告一段落。12月13日，“奋进号”航天飞机到肯尼迪航天中心安全着陆，举世瞩目的空间维修计划全部完成。 最后说施放卫星。到1991年为止，美国航天飞机在七次任务外的37次飞行中，共发射了30个高轨道卫星，释放了19个低轨道航天器，捕获了七个航天器。美国航天飞机施放的卫星占发射卫星总数相当的比例。不过，美国航天飞机在这方面也并不是一帆风顺，特别是在采用新技术时，这里有两个例子： 1994年2月，美国“发现号”航天飞机在轨道上预定施放一颗卫星，并准备48小时后回收。可是由于卫星的导航系统出了故障，机组人员一连错过了几次施放机会，最后因时间关系而不得不取消了这次施放计划。 1996年2月25日，美国“哥伦比亚号”航天飞机进行绳系卫星试验时，飞离卫星数公里，直径仅2.5毫米的白色缆绳因电压过高而断裂。卫星拖着缆绳消失在茫茫太空中。 当然，吃一堑，长一智。航天飞机在失败的经验教训中会不断地完善卫星施放技术，这是有目共睹的事。 |
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