别了，航天飞机

尹怀勤

2007年8月21日，美国“奋进”号航天飞机完成了为期13天的太空飞行任务后，在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆。这是“奋进”号的第20次太空飞行，也是美国5架航天飞机总计排序的第117次飞行。由于航天飞机是目前世界上最大的又是唯一可部分重复使用的载人航天器，故而它的每次发射和返回都引起了国际舆论的广泛关注。不过，也许几年之后，人们就只能在航空博物馆里一睹其身影，倾听它们充满传奇与悲伤的故事了。

研制航天飞机的缘由

人类在掌握了一次性使用的宇宙飞船技术之后，就追求像在大气层中多次飞行的飞机一样能在太空重复使用的航天器，以降低发射成本和便于载人航天。航天飞机是载人航天器突破一次性使用的惯例，进入可以重复使用阶段的重要标志和创新成果。它的突出特点是综合运用了火箭、航天器和飞机技术，形成的一种新型飞行器，既能载人载物升空入轨绕地球进行航天飞行，又能像飞机一样下滑和着陆。

航天飞机外形类似于普通飞机，在完成航天飞行任务后，能在一般机场滑行降落。这种有翼式载人航天器，在起飞和入轨的上升阶段使用火箭技术；在轨道飞行阶段运用航天技术；而在进入大气层后的滑翔飞行和水平着陆阶段却采用航空技术。它是当代最先进、最复杂的载人飞行器。

1981年4月12日，世界上第一架完全自主飞行的航天飞机“哥伦比亚”号试飞成功。它在航天员约翰·扬和罗伯特·克里平的驾驶下进入距地面277千米的近地圆形轨道，环绕地球飞行了36圈，航程160.9万千米，历时54小时30分钟。到1982年11月11日“哥伦比亚”号的第5次飞行时，它便开始执行商业搭载任务了，把美国和加拿大的两颗总重6吨的卫星送上了太空。

继“哥伦比亚”号之后，美国依次投入使用的航天飞机是：1983年首飞的“挑战者”号、1984年首飞的“发现”号、1985年首飞的“阿特兰蒂斯”号和1992年首飞的“奋进”号。1986年1月28日“挑战者”号爆炸，2003年2月1日“哥伦比亚”号坠毁，目前只剩下其他3架航天飞机。

航天飞机由三大部分组装而成

美国的航天飞机由轨道器、两个固体火箭助推器、推进剂外挂贮箱3部分组成，起飞总质量为2022吨。飞机全长56米，高23米，通常可乘坐6—8人，飞行时间为一周至一个月。它竖立在发射台上时，两个助推器和外挂贮箱像3根巨大的立柱，贮箱位于中央，助推器分列两侧，轨道器像个庞大的飞蛾趴在柱子上。

轨道器是进入轨道飞行和返回地球的装置，形同飞机，长为37.2米，翼展为23.8米，重68吨，从前至后分为驾驶舱、货舱、动力服务舱3段，能把29.5吨重的有效载荷送上185—1100千米的绕地轨道，并可以从太空运回14.5吨的货物。着陆时，轨道器一般重约96.2吨。后舱尾部装有3台液氢液氧燃料的主发动机，它们每次工作约8.5分钟，要求使用50次以上。轨道器其他部分要使用100次以上。

挂在贮箱两旁的固体火箭助推器，高45米，每个重585吨，由4节直径为3.66米的柱形无缝钢管筒连接而成，里面浇铸着固体推进剂。发射时，它们与轨道器的3台主发动机一起点火，总推力约3140吨。两个固体助推器为轨道器的垂直起飞和冲出大气层提供78%的推力，要求使用20次以上。它们点火工作两分钟后，同时关机并与轨道器和贮箱分离，然后靠降落伞徐徐掉在大西洋海面上，由回收船回收，重新充填推进剂后供下次再用。

推进剂外挂贮箱，直径8.4米，高47米，是一个庞大的固体柱，用铝合金制造。它分为液氢箱和液氧箱，依次装有100吨液氢和600吨液氧，同时分别为3台主发动机提供推进剂。航天飞机起飞约8.5分钟后，3台主发动机关机，贮箱即与轨道器分离，成了太空垃圾，随即坠入大气层烧毁。然后轨道器在自身携带的变轨发动机、姿态控制发动机的推动下，进入预定轨道运行。正因为推进剂外挂贮箱是一次性使用的，故称航天飞机为部分重复使用的航天器。

优越性能和主要贡献

航天飞机既是可载人载物多次往返于地面与太空之间的飞行器，又是能够进入近地轨道执行多种任务的航天器。与载人飞船相比，它具备着更多的功能：一是能在太空直接施放近地轨道卫星；二是可捕获并修理发生故障的近地轨道航天器，修复后予以重新释放；三是可回收出了问题的近地轨道卫星，送回地面进行修理；四是可将高轨道卫星送入近地轨道，然后启动卫星本身携带的火箭发动机让它进入高轨道；五是可在近地轨道释放深空探测器，使后者依靠本身携有的动力装置进入预定轨道远航；六是载人数量多，单独飞行时间长；七是可运载多种精密仪器，在太空开展科学试验；八是可将太空舱段送入近地轨道，并进行在轨组装；九是可与空间站对接进行联体飞行，接送航天员和各种物品等。

5架航天飞机的轮番飞行取得了突出的成就，共向近地空间运送了近150万千克的物资和633人次的乘客。在载人航天器中，它是运载航天员进入太空人次最多的一种。航天员共计在航天飞机上拖放和回收了上百颗不同用途的人造卫星，向地球轨道发射了哈勃、康普顿、钱德拉3座太空望远镜，向深空发射了麦哲伦号金星探测器、伽利略号木星探测器、尤利西斯号太阳探测器等，还进行了绳系卫星的发电试验。它们6次运载组件飞赴建设中的国际空间站，使空间站具备了航天员长期居住和工作的基本条件。

航天飞机在太空特殊条件下开展了地面无法实现的多种科学试验。由中国科学院电工所和中国运载火箭技术研究院合作研制的，意在寻找宇宙中的反物质和暗物质的阿尔法磁谱仪，于1998年6月3日至13日搭载“发现”号航天飞机在太空遨游了10天且工作正常。按照发射成本来说，航天飞机把航天器送入太空轨道的费用仅是地面起飞一次性使用的运载火箭费用的1/3—1/2。如果将发射故障的航天器在太空予以捕获、修理和重新释放，那还可节约从地球上再次发射的费用，并避免了大量周折时间。

两次机毁人亡的大悲剧

1986年1月28日，“挑战者”号从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射进行第10次飞行时，开始一切止常，谁知升空73秒后，突然一声爆炸，出现了机毁人亡的悲惨景象，7名航天员全部丧生，成千上万的观众痛哭流涕。这一可怕事故在世界航天史上留下了深深的烙印。

经过仔细调查分析，最终确认是由于航天飞机右侧固体火箭助推器连接处的合成橡胶O型密封圈性能失效而引起爆炸。这种密封圈，因设计上存在缺陷和当日发射环境气温过低，没有起到应有的作用，致使助推器两节钢套接口处出现裂缝，让固体推进剂燃烧时产生的火焰漏射出来。温度高达3000多摄氏度的火焰越窜越长，最后加热了推进剂外挂贮箱，引起了液氢箱和液氧箱剧烈爆炸，航天飞机瞬间被炸成碎片，造成了空前悲剧。本来计划在太空授课的女教师克丽斯塔·麦考利夫也一同罹难。

事过17年之后的2003年2月1日，“哥伦比亚”号在第28次飞行的返回地面途中，于德克萨斯州上空63千米处突然解体，7名航天员全部遇难。令人痛心和遗憾的是，事故发生在它遨游太空16天后，离回家仅差16分钟的时间。

经事故调查委员会的全面分析认为，造成“哥伦比亚”号失事的直接原因是该机1月16日发射升空81.7秒后，推进剂外挂贮箱表面脱落一块泡沫材料。这块材料撞击导致航天飞机左翼前缘的热保护系统形成裂孔。“哥伦比亚”号在太空运行时，几乎处于真空状态，裂孔无关大碍，可到返回途中再入大气层时由于摩擦产生的气动加热使受损部位温度高达1300℃—1600℃，造成内部线路和金属部件熔化，终致结构破坏而解体。

接受“哥伦比亚”号失事的教训，美国航天专家对外挂贮箱的泡沫材料作了改进，但仍未取得理想效果。为解决这种材料脱落问题，虽花了13亿美元，但收效不大。这在此后的两次“发现”号飞行、一次“阿特兰蒂斯”号飞行和一次“奋进”号飞行中都表现了出来，只是脱落的材料未直接击中航天飞机要害部位而已。正因如此，2007年8月搭乘“奋进”号巡天的女教师航天员芭芭拉·摩根才完成了21年前麦考利夫未能实现的夙愿。

“奥赖恩”将代替航天飞机

美国航天飞机推进剂外挂贮箱表面包裹的泡沫塑料绝缘材料，是为保证液氢和液氧的低温必不可少的保护层。由于航天飞机发射时这种材料脱落问题尚未彻底解决，极易撞坏轨道器外表面的隔热层，致使其在返回途中有可能出现危险情况，故而目前的飞行仍具有一定的冒险性。有鉴于此，美国宇航局已经决定，在2010年建成国际空间站之后，让已有的航天飞机全部退役。在此期间，3架航天飞机大约还要进行11次飞行。

代替航天飞机的载人航天器，将是名为“奥赖恩”的新一代可重复使用的乘员探索飞行器。这原本是美宇航局根据美国总统布什2004年1月14日提出的最早于2015年载人重返月球、2020年前后建立月球基地、2030年后派人登陆火星的进军太空计划而研究的载人航天器，在其载人登月之前，先作为近地轨道载人航天器使用。

早在2005年7月23日，美国众议院就通过议案，要求尽可能接近2010年的时候发射乘员探索飞行器。但美国宇航局透露的消息说，这种飞行器首次载人飞抵国际空间站的时间将不早于2012年。2008年年初，美国宇航局“奥赖恩”项目科学家同主承包商洛马公司一道完成了系统技术要求评审，为这种载人飞船的设计、研制、建造和安全飞行奠定了基础。该飞船将用于向地球轨道、月球乃至火星运送航天员。

“奥赖恩”飞船将用美国新研制的“战神1”运载火箭发射到近地轨道运行，并能与国际空间站进行对接，完成太空飞行任务后再返回地面。它一次可以运载6名航天员，完全可以完成航天飞机飞往国际空间站执行的一切任务，比俄罗斯现在的“联盟TMA”号载人飞船要大得多，且在近地轨道上飞行也比航天飞机更为安全。至于“奥赖恩”载人飞往月球的时间，美国计划安排在2020年，那时它还要与登月舱、地球出发站在近地轨道上组成联合体后才能奔月。后两者到时候将用新型“战神5”运载火箭发射升空。

在2010—2013年，航天飞机退役，“奥赖恩”飞船尚未问世，接送国际空间站的人员和物资问题只能靠俄罗斯载人飞船和货运飞船来解决了。“神舟”号飞船虽有这方面的能力，但由于我国不是国际空间站的参建国，所以有力也用不上。何况，我国还要实现载人航天的第二步和第三步计划，同时实施“嫦娥工程”，继续铸就自己的太空辉煌。