雄鹰亦有折翼时-航天飞机退役原因简析

雄鹰亦有折翼时航天飞机退役原因简析

智浩虽然美国航天飞机铸就了巨大的辉煌，但是它将在2011年发射3架次后退役，这是为什么呢？千方百计难圆满为了极大提高运输能力，航天飞机当初被设计得很复杂。它里面有3500个重要的分系统和250万个零部件，只要其中的1个重要分系统或关键零部件失灵，就有可能导致重大事故。另外，为了可重复使用，以降低发射成本，其轨道器既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速飞行和水平着陆的复杂气动外形，又要有能承受再人大气层时高温气动加热的防热系统，并在世界上首次装备了可重复使用50次的主发动机。这些都大大增加了航天飞机研制的技术难度和风险。还有，由于技术上的限制，在运载能力和结构安排出现矛盾时，美国航宇局选择了把轨道器与外贮箱平行放置的并联方案，而没有选择把轨道器置于火箭顶部这一较安全的串联方案，目的是保证轨道器的容积和降低费用。这也大大增加了航天飞机的危险性。其实，很早就有人对航天飞机的安全性提出过批评。一是航天飞机是人货混用，而不是像宇宙飞船那样分载人飞船和货运飞船，所以用航天飞机发射卫星时需有数名航天员陪着上天，这样做既不经济，也不安全；二是美国自认为其航天飞机可靠性极高，所以没有采取安全救生措施，因为安装救生设备很麻烦。为了节省费用，当年在决策航天飞机方案时使用了较液体火箭助推器便宜但功能稍差的固体火箭助推器。这也是美国政治领导人与美国航宇局领导人在20世纪70年代初期相互“妥协的产物”。最棘手的技术难关是航天飞机主发动机和机身表面防热系统。航天飞机主发动机单台最大推力达到210吨，比发射“阿波罗”的土星-5火箭上的J-2发动机增加了1倍多，并且推力在65%～109%之间连续调节，以适应航天飞机从发射到入轨整个过程不同阶段的不同要求，而且要能重复使用100次。它的燃烧室压力、喷管面积、工作时间、涡轮泵每秒向燃烧室内输送的液氢液氧等也比J-2发动机高好几倍。这些高性能要求对结构设计、材料选择、推进剂输送、发动机控制以及加工和制造都是极为困难的，为此，进行了大量的试验、长期的研制才满足了设计要求。轨道器表面防热系统是另一个技术难题。因为用普通铝合金制成的轨道器外形太复杂，返回地面再人大气层时会产生极高的温度，为此，航天飞机采用了辐射式防热系统，设计人员根据轨道器返回时机身各处的热环境贴了3万多块4种不同类型的防热瓦。这4种防热瓦实际上是一些疏松、轻质而呈脆性的陶瓷材料．如高温防热瓦密度为0.14～0.35克／厘米3，由于其耐温高、隔热好、质量轻，高温下不发生物理和化学性能的破坏并可重复使用，作为航天飞机防热材料有其独特的优点。但是，它们的这些性能却给连接和承受力学载荷造成了很大的困难，留下了许多隐患。2003年，哥伦比亚号航天飞机就是因为在起飞时遭到外力撞击，结果导致防热瓦上出现裂缝，使得超高温气流乘虚而入，最终造成航天飞机解体。一般返回式航天器（如返回式卫星、宇宙飞船）只使用一次，所以再人防热问题较易解决。而航天飞机外形复杂，又要重复使用，因此它在返回地面时，对周围空气的压缩和摩擦产生的高温高热的防护和处理问题很复杂，要求有适合大面积复杂构形的耐高温、抗冲刷、重量轻、能多次使用的高级防热材料，维修也应方便。由于在返回阶段，目前尚无专用的系统援救航天员，所以航天飞机返回比发射更危险，关键看轨道器防热系统是否遭到破坏。不断改进保平安美国刚开始研制并发射了4架航天飞机，即哥伦比亚号、挑战者号、发现号、阿特兰蒂斯号。1986年1月28日，美国挑战者号航天飞机升空时发生爆炸后，航天飞机的安全救生问题就摆上了极为重要的位置。美国对剩余的哥伦比亚号、发现号和阿特兰蒂斯号3架航天飞机进行了283项改进，它们包括重新设计和制造固体助推火箭发动机连接处垫圈，更新航天飞机的防热系统，提高主发动机的可靠性和工作寿命等等，其中最大的改进是吸取了血的教训，在轨道器上增添了航天员撤离滑梯，并配备了整套航天员逃逸系统，一旦发生意外，逃逸系统能在90～100秒内从空中弹射出去，它经海军伞兵66次跳出试验，结果是成功的。美国在非洲北部增设了2个迫降跑道，供航天飞机在发生事故时紧急迫降用；还改进了发射塔上的应急滑行吊篮和滑索系统，对发射场周围的温度、雷电等发射气象限制条件也制定了更加严格的标准。为了填补挑战者号爆炸造成的空缺，保持航天飞机群的整体规模，美国于1987年开始耗资近30亿美元制造了1架新的航天飞机奋进号，并于1992年5月7日进行了首次发射。这架航天飞机在设计指标上有所改进，例如，在轨道器后部增加了1个低温贮箱，故能携带更多的燃料，使航天飞机在太空持续飞行28天左右；配备了一个直径13米的着陆减速伞，从而减少了着陆起落架与制动器上的拉力，缩短了机场跑道长度；在舱内新增了先进的抽水马桶和空调设备；增大了机身前段中层的空间，用于存放更多的食品、衣物和个人用品；用1个新型的废物管理系统和1个可去除C02的再生装置替代了原设计的氢氧化锂系统；装备了先进的卫星导航系统。2003年1月16日，哥伦比亚号进行第28次发射时，外贮箱上的一块重约700克的保温泡沫材料脱落，致使机翼上出现了一个小洞，最终导致哥伦比亚号灾难的发生，7名机组人员全部丧生。航天飞机橘红色的外贮箱被保温泡沫材料所覆盖，其作用是防止外贮箱内的低温液体氢氧推进剂被抽送至外贮箱内后其表面出现结冰现象，而一旦结冰，这些冰在航天飞机发射时很容易脱落，并对轨道器诰成损坏。不过，由于技术原因，目前在每次航天飞机发射时都会有保温泡沫碎块从外贮箱表面脱落。但又因为这种采用聚异氰酸脂制成的保温泡沫材料泡沫比冰轻得多，所以以前一直被认为是无足轻重的，直到2003年哥伦比亚号失事才引起重视。为此，美国航宇局花费了巨资重新设计了外贮箱，目的是防止在发射时外贮箱上的较大保温泡沫材料脱落撞击航天飞机机身和助推器。对新外贮箱所采取的措施有：改进保温泡沫材料的安装方式，提高保温材料敷设工艺的标准，重新培训为外贮箱喷涂保温泡沫材料的技术工人，去掉容易从外贮箱“凸起气动负荷”斜面处脱落的保温泡沫材料，在外贮箱上安装调温装置等。这是美国航宇局有史以来在空气动力方面对航天飞机进行的最大改进。但从技术上讲，保温泡沫材料的脱落已成为航天飞机的顽疾，而且在短期内很难解决。要想在航天飞机升空时不产生任何泡沫碎块，被证明过于困难和昂贵而无法实现，但可把泡沫碎块控制在比较安全的40g以内。采取了改进措施后，外贮箱保温泡沫碎块脱落的现象目前已大大减少了。致命弱点中要害导致航天飞机停飞的主要原因是原先预想的航天飞机应有的五大优越性经大量飞行实践证明只有两项，航天飞机存在严重的致命缺陷。航天飞机原先预想的五大优越性是：一是发射便宜。因为其轨道器、固体助推火箭可重复使用，每次发射费用只需3000万美元就行，而不像运载火箭和宇宙飞船是一次性使用的。为此，美国甚至把运载火箭生产线停了下来，认为用航天飞机来代替运载火箭发射卫星更经济。二是功能强大。它每次能运4～7人和20～30吨货物，用途十分广泛，似乎是神乎其神的万能运输器。而目前的载人飞船每次最多只能运3人和几百千克货物，即使是无人货运飞船最多也只能运送几吨货物，满足不了运送质量达20吨左右空间站舱段的需求。三是更加安全。因为有很大机翼的航天飞机在再人大气层时可获得足够的升力，控制升力的大小和方向就能调节纵向距离和横向距离，使航天飞机准确地降落在跑道上，并重复使用；而载人飞船没有机翼，因而无升力或升力很小，只能以弹道式或半弹道式方法返回，其结果是气动力过载和落地误差都较大，返回时采用在海面某一区域溅落或在荒原某一区域上径直着陆的方式。载人飞船这种着陆方式不仅对航天员的要求很高，需要长期训练才行，对航天员生命安全也有一定威胁。四是非常舒适，因为从起飞到返回地面的整个过程中，加速和减速都很缓慢，所以航天飞机过载比飞船小得多，即大大降低了对航天员的身体要求，可把稍加训练的科学家、工程师、医生和教师等送上太空。五是间隔很短。原以为航天飞机可以像民航客机一样，每次返回后进行简单维修就可再次发射，并乐观地估计每1～2周就能进行一次发射。然而，实践证明，航天飞机只有两大优越性，即功能强大、非常舒适，而其他三项正好相反：由于航天飞机技术难度大、系统设计复杂、零部件更容易耗损，返回地面以后要进行大量费时费力的维修工作，从而使每次发射费用高达4～5亿美元，让财大气粗的美国航宇局也不堪重负；因此，每架航天飞机每2次发射时间的间隔也很长，每年仅能进行5～6架次左右的飞行；更要命的是由于体积庞大、外形复杂，发射时航天飞机轨道器只能与外贮燃料箱并联在一起，所以它并不安全，轨道器很容易受到从外贮箱掉下来的保温材料的撞击，至今，美国5架航天飞机已损失了2架，并因此牺牲了14名航天员。美国航天飞机原计划寿命最多为20年，每架应飞行100次，但截至目前，5架航天飞机加起来才飞行了132次。所以，航天飞机目前只能称得上是当代世界上用途很广，但成本很高、风险很大的大型运载工具。针对航天飞机存在诸多难以克服的不足，美国也曾大力研制第2代航天飞机，包括“冒险星”和“轨道空间飞机”以及可水平起降的空天飞机，以克服上述弊端，但都因资金和技术等原因而中途夭折，没有成功。为此，美国很早就想淘汰航天飞机了，并以此加速对太空的“深度探测活动”，但由于建造中的国际空间站离开运载能力巨大的航天飞机就无法完成，所以经过与国际空间站其他成员国协商，美国最终决定在完成国际空间站建造任务后，让航天飞机于2011年结束历史使命。虽然今后美国将用多种新型载人飞船完成天地往返运输任务，认为它比航天飞机更安全，成本也低许多，但是航天飞机在世界载人航天史上立下的汗马功劳永远不可磨灭，其很多先进技术还将在未来的很长一段时间发挥重要作用。相关链接航天飞机的结构美国的航天飞机结构基本相同，都是由1个轨道器、1个外贮箱和2个固体火箭助推器组成。轨道器轨道器是航天飞机的主体，也是航天飞机最复杂的组成部分，每次升空都要经历航天飞机发射、飞行和返回的全过程。其外形是一个三角翼滑翔机，长37米，翼展24米，跟1架中型喷气式客机大小差不多，不带有效载荷时自重68吨，允许最大着陆质量84.3吨；内部结构类似一般飞机的结构形式。通常所说的航天飞机一般主要是指轨道器，它可在轨道上持续工作7天～30天。1996年11月19日～12月7日，哥伦比亚号航天飞机的第21次飞行，是目前航天飞机飞行任务历史上时间最长的一次，飞行时间为17天15小时53分钟。轨道器是整个航天飞机系统中唯一可以载人且真正在地球轨道上飞行的组件，其结构部分采用普通铝合金制造，主要特点是外表贴有3万多块防热瓦，被认为是解决了一个重大技术问题，它可保证轨道器在返回大气层飞行中不被再入产生的气动高热烧坏，以340～365千米／小时的速度在3千米长跑道上着陆。轨道器由机身、机翼等组成，其中机身又分机头、机身和机尾三段。机头是乘员密封舱，处于正常气压下，容积71.5米3，能容纳3～8人，最多可载10人（目前最多1次为8人）。它又分驾驶舱、生活舱和仪器设备舱3层。驾驶舱在上层，其前面2个座位是驾驶员和指令长座位，后面的座位可供工程师或其它专家乘坐。生活舱在中层，内有厨房、卫生间和气闸舱。气闸舱后面有一个舱口，在轨道飞行时，驾驶舱中的人员可通过此口走到后面的货舱里去。中层还有一个很大的边门，供起飞前或着陆后人员和设备从这里进出。仪器设备舱在下层，主要装载环境控制设备，以保持驾驶舱内的气压、温度和湿度等条件。航天员在密封舱内可穿普通地面服装工作和生活，其环境控制和生命保障系统能保持舱内温度在18.5～24。C之间，提供由氧气和氮气组成的一个大气压的气体。飞行中的最大轴向过载为3g。这些环境条件优于载人飞船。轨道器中各种设备所需电源由3个氢氧燃料电池和3个镍镉电池提供，每个氢氧燃料电池可发出7千瓦～10千瓦的电力，而镍镉蓄电池供给短时间内需要大电流的设备的用电，并作为燃料电池的备用电源，每个容量是10安时。机身是一个长18米、直径4.5米、容积300米3的大货舱，能装20千瓦～30吨货物，并可从太空运回10吨多的货物。货舱内还装有可伸可屈、随意转换方向的遥控机械臂，最远可伸到15米远的地方，可把航天器从货舱里释放到太空（包括把舱段移至国际空间站），或把太空中的人造地球卫星捉住并回收到货舱里。机尾是装有3台以液氢／液氧为推进剂的主发动机的舱，每台能产生1780千牛的推力。这个舱的两侧上方各有一个突出的舱段，用以安装轨道机动发动机。轨道器的三角形机翼和垂直尾翼可使航天飞机在返回地球过程中在大气层中飞行时具有良好的稳定性和操纵性，能像普通飞机一样飞行自如。外贮箱外贮箱是航天飞机最大的部件，位于轨道器下方，也是唯一的不可回收的