美国航天飞机与苏联航天飞机

航天飞机

一、美国的航天飞机

世界很多国家，从自己的实际需要出发，都在竞相发展自己的运载火箭。已发射升空的近5000个各类航天器，也几乎全是用运载火箭发射的。但时至今日，世界上使用的运载火箭都还是一次性使用的，发射费用十分昂贵。因此，早在发展一次性使用运载火箭的同时，美国、前苏联等国就已经对多次重复使用问题进行过研究，只是因为受当时科学技术水平的限制，才暂时搁置，但对多次重复使用运载器的探索研究都从未中断。到了1969年至1970年间，美国的航天专家曾先后提出过两种能完全重复使用的航天飞机方案，但由于技术上还不太成熟，特别是出于经费上的原因，到1972年1月，美国总统尼克松批准美国航宇局提出的研制航天飞机计划，采用的却是部分重复使用的方案。

航天飞机与运载火箭截然不同，它是一种带翼的可重复使用的，像普通飞机一样能水平着陆在机场跑道上的，载人与运货合一的天地往返运输器。垂直起飞似火箭，轨道航行像飞船，返航降落又如滑翔机。航天飞机系统主要由轨道器、两枚固体燃料助推火箭和推进剂贮箱等三大部分组成。其中轨道器和助推火箭是按标准规格生产组装的，对于每次飞行任务都具有通用性。当航天飞机垂直竖立在发射台上时，推进剂贮箱位于中央，两枚固体助推火箭分立两旁，有如3根粗大的立柱，而轨道器像是叮在中央立柱上的一只大飞蛾一样。推进剂贮箱为高47米，直径8．4米的大圆锥体，里面装有700多吨的液氢和液氧，专供轨道器从地面上升到预定轨道时火箭发动机工作所需的推进剂。推进剂耗尽后，贮箱便与轨道器分离，不再回收而成为太空垃圾。两个固体助推火箭的直径均为3．7米，高45米，推力各为120吨，提供航天飞机所需的70%的推力。作为航天飞机主体的轨道器，身长37米，翼展24米，高17米，外形像是一架短粗的飞机，头部是乘员座舱，机身是货舱，还配备有5台主计算机和200多台小型计算机，上千个传感器构成的中枢神经系统，为航天飞机的发射、航行和降落提供各种安全保障信号。但它与飞机有本质的区别，飞机是靠空气喷气发动机推进，能在大气层内飞行，而轨道器是靠火箭发动机推进，既可在大气层内也可在大气层外飞行。航天飞机净重约68吨，可载7名航天员和14～29吨货物。起飞重量达到2000吨。航天飞机垂直起飞时，轨道器的液氢/液氧发动机和两台固体助推火箭同时点火工作，带着推进剂贮箱一齐上升。当固体助推火箭工作完毕后，在高空与轨道器分离，依靠张开的降落伞在海面上被回收，可再次装填新的固体推进剂后重复使用。轨道器与推进剂贮箱在固体助推火箭分离后将依靠轨道器本身的发动机继续升空飞行，直到入轨高度达到110公里左右，速度达到7．8公里/秒时，轨道器的氢氧火箭发动机关机，同时抛掉巨大的推进剂贮箱。这时，“轻装上阵”的轨道器就像载人飞船一样，可以摆脱地球引力，靠惯性进入环形轨道，在太空中做轨道飞行。航天飞机的货舱很大，直径6米，长18米，可同时装载好几颗卫星，因此它可以一次释放2～3颗卫星。在这些卫星部署到太空预定轨道之前，航天员还可以对卫星做最后一次测试。然后通过遥控机械手，将卫星从舱内转移到投放位置予以释放。航天员还可以完成捕捉太空卫星，修复太空飞行体和从事观察等多项任务。待航天飞机完成升空前所赋予的各项使命后，便脱离轨道，最终返回地面。

美国经过10年的不懈努力，1981年4月12日恰恰是世界上第一个航天员加加林上天20周年纪念日，将第一架航天飞机——“哥伦比亚号”送入近地轨道，并安全返回地面。

“哥伦比亚号”航天飞机

“哥伦比亚”，在诗歌中是“美洲、美国”的意思，意为“哥伦布发现之地”。取名“哥伦比亚”的航天飞机首次实现在太空这个广阔无垠的新天地遨游，预示人类航天也开始进入一个新阶段。此外，美国又相继发射了“挑战者号”，“发现号”和“阿特兰蒂斯号”三架航天飞机。几乎是每隔一年，就有一架新的航天飞机升空。从1981年至1990年的10年里，4架航天飞机天上天下来回穿梭共完成38次往返于天地之间的运载任务。其中“哥伦比亚号”和“挑战者号”各飞行10次，“发现号”11次，“阿特兰蒂斯号”7次。遗憾的是，1986年1月28日，当“挑战者号”航天飞机执行它的第10次飞行任务时，航天飞机升空73秒后凌空爆炸，机上7名航天员全部壮烈牺牲，成为世界航天史上“机毁人亡”最悲惨的一幕。

“挑战者号”航天飞机

“发现号”航天飞机

“阿特兰蒂斯号”航天飞机

事件发生后，美国总统任命弗莱彻为航宇局新局长，并成立了以罗杰斯为首的调查委员会。根据调查委员会的建议，首先对航天飞机管理机构进行了全面改组，主要是加强集中领导，明确各级部门的管理职责，并设置了一个由登月航天员格里平领导的，包括航天飞机主要承包商的计划管理人员在内的航天飞机发射任务管理小组，亲临发射现场指挥决策，这在美国航天史上是前所未有的。与此同时，为了提高飞行安全性，避免“挑战者号”航天飞机事件再次发生，决定采取重新设计固体助推器连接件，增加航天员逃逸系统，改进防热系统的设计，提高主发动机的可靠性和工作寿命，增设改进着陆系统，设置紧急着陆减速网和紧急着陆滑梯等安全着陆手段以及多方改进发射台安全性等多项改进措施。此外，为使复航准备工作慎之又慎，挑选了5名执行过太空任务，被视为最有经验的机组人员进行多功能的全面训练。

这样，共耗资25亿美元，经过两年多的停机整顿和改进、培训后，1988年9月29日“发现号”航天飞机首次复航获得成功，以指令长弗雷德里克·豪克为首的5名机组成员在四天的飞行中，充满信心地施放了一颗跟踪和数据中继卫星，在进行了11项科学试验后，于10月3日返回地面，从而抹去了因“挑战者号”的不幸遇难阻滞美国航天事业前进的阴影。三年后的1992年5月7日，美国为代替“挑战者号”而新建的“奋进号”航天飞机又一次顺利升空后，于同年9月12日至18日进行的第二次太空飞行格外引人注目。因为参加这次飞行的5男2女中，有世界上第一对双双遨游太空的航天员夫妇，有第一次搭乘美国航天飞机的日本航天员，还有第一位黑人女航天员，可以说是同时创造了航天史上的三项第一。参加这次飞行的还有一批小动物。它们是2条鲤鱼，4只南美雌性爪蛙，180只大黄蜂，7600只果蝇和30只受精鸡蛋。这次飞行是美国航天飞机第50次执行航天任务，共进行了43项科学实验，主要目的是为了调查失重对人和其他活体的影响，找出战胜太空病的方法，以及了解利用微重力环境制造完美晶体、新药和超纯金属的情况，为人类有朝一日去太空生活、生产和旅游提供准备。1991年1月结为伉俪的第一对太空夫妻马克·李和简·戴维丝，在太空共同渡过8天的“牛郎织女”般的生活也是一个创举，为未来在太空轨道上组建太空家庭走出了第一步。

二、前苏联的航天飞机

1988年11月15日，前苏联的第一架航天飞机由“能源号”大型通用运载火箭从拜科努尔航天发射中心送入太空，无人驾驶绕地球飞行两圈，于当日自动降落在发射台附近的跑道上。“暴风雪号”的试飞成功，无疑是前苏联航天事业的一项重大成就，对提高前苏联的太空竞争力和威望具有重要意义。

“暴风雪号”航天飞机

前苏联现代航天学创始人卡拉廖夫早在20世纪50年代就曾多次谈到过要研究多次重复使用的航天运输系统问题，20世纪60年代世界第一位航天员加加林在空军学院的毕业论文也是论证多次使用的航天往返系统。就拿“暴风雪号”航天飞机的试制来说，起步于20世纪70年代，按理说也不比美国的“哥伦比亚号”晚多少。但航天飞机的首次发射却比美国晚了7年半，这期间存在的差距是显而易见的。据国外报刊的一些评论，主要原因有二：

一是美国、前苏联在发展载人航天方面所走的道路有所不同。前苏联的发展顺序是载人飞船→载人轨道站→大型空间站；而美国走的道路是载人飞船→航天飞机→永久性空间站。前苏联当局认为，重复使用是一个很难解决的问题，即使把运载火箭的第一级进行回收，如何可靠地、客观地用非破坏性检验方法去评定它的结构状态和寿命余量，也有一系列技术问题尚待解决。因此，在20世纪六七十年代，前苏联集中人力、物力投入一次性运载火箭和空间站的研制，并一直认为美国在70年代把主要资金集中到航天飞机的研制，而放松了对一次性使用运载火箭的发展，是个错误的决定。结果，导致了前苏联在空间站的研究和应用方面取得了举世公认的领先地位。而一次性使用的运载火箭，双方大体打成平手。就航天成就的总体水平而言，美国、前苏联两国基本上旗鼓相当。

二是就航天飞机本身的技术路子和需要解决的关键问题而言，两者也不完全一致。尽管前苏联与美国航天飞机的外形尺寸和起飞重量都很接近，研制费用也基本接近，但两者区别较大。最大的不同点是“暴风雪号”是无人驾驶航天飞机，它是靠“能源号”运载火箭发射升空的。而“能源号”是一个独立的、通用性很强的巨型运载火箭，既可发射航天飞机，也可完成发射去月球和其他行星的飞行器。而美国航天飞机的两个固体助推火箭只能与航天飞机配套使用，起飞时，航天飞机的主发动机与固体助推火箭同时点火，一起把航天飞机推向太空；第二个不同点是“暴风雪号”靠“能源号”火箭发射升空后几秒钟，即开始改变方向，几乎是沿着地球表面运行，并加速到第一宇宙速度。作为航天飞机组成部分的巡航发动机，只在航天飞机脱离“能源号”火箭的发射轨道进入过渡轨道和圆轨道，以及在空中变轨和返回下降轨道时才启动。而美国航天飞机依靠氢氧主发动机和固体助推火箭垂直升空后，基本上是沿着一条弹道导弹的主动段弹道飞行，固体助推火箭脱落后，主发动机将继续推动航天飞机升空到入轨高度；第三个不同点是前苏联回收的是“能源号”的第一级液体火箭，经检修评定后，可重复使用；美国回收的是两台固体助推火箭，经检修后也可重复使用；第四个最大的不同点是前苏联航天飞机实现了自动着陆。为此，有一套代号为“三角旗”的自动着陆控制系统，它由地面雷达系统，航天飞机上的远距离无线电导航系统和全天候微波无线电自动着陆系统等三大部分组成。1988年11月15日，这套控制精确的“三角旗”自动着陆控制系统使“暴风雪号”试飞着陆时偏离跑道中心仅3．5米，滑行后停机时，前轮偏离跑道中心线只有80厘米。而美国航天飞机虽也可自动控制飞行，但需航天员手控着陆。

由上可见，“暴风雪号”航天飞机由于是无人驾驶，相对来说，设计更为复杂，需要解决的关键问题更多，对制造工艺和精度要求更高，这对在科技、工业实力相对处于劣势的前苏联来说，需要花费比美国更多的时间来实现航天飞机的升空也就在意料之中了。