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太空梭概述:應運而生的“寵兒”
中國網 | 時間:2006 年6 月27 日 | 文章來源:新浪科技

以美國女航太員科林斯為機長的7名航太員將在2005年7月13日乘發現號太空梭飛入太空,從而揭開哥倫比亞號太空梭失事後美國太空梭重新飛行的序幕。

應運而生的“寵兒”

早在20世紀30年代,奧地利人森格爾就繪製了用火箭發動機作動力裝置的飛機草圖,試圖進行高空高速飛行,但因技術條件的限制,當時根本無法實現。不過從此,發展一種可重復使用的火箭飛機,作為飛向宇宙空間的工具的思想就從未間斷過,人們一直在研究一種能像普通航空飛機一樣的、可進行天地往返的太空梭。到了20世紀60年代末,人類已經研製出多種洲際導彈、運載火箭、載人飛船和大型噴氣客機及運輸機,這些都為太空梭的研製積累了經驗,儲備了技術。

從20從世紀50年代起到70年代,美蘇在太空開展了激烈的競爭。然而隨著航太技術的長足發展,衛星、宇宙飛船等航太器的發射量越來越大,其登天雲梯——一次性運載火箭就顯得過於昂貴,因為它不能重復使用,每次發射都要消耗一枚火箭,就如同“狗熊掰棒子,掰一個扔一個”,這樣做太不經濟了。

而作為載人航太“領頭羊”的宇宙飛船,雖然能用於突破和掌握載人航太的基本技術,併為空間站接送航太員和物資,但也有許多不盡如人意之處,例如,它不僅運載能力小,滿足不了大型空間站的需求,而且也是“一錘子買賣”,不能重復使用。另外,宇宙飛船隻有很小的升力,所以落點散佈很大,而且航太員承受的過載也很大。

為此,人們一直盼望著能有一種像普通飛機一樣的可多次重復使用的天地往返運輸飛行器,即太空梭進行天地縱橫。於是,為了運載更多的人和貨物,降低運輸費用,滿足未來大型空間站的需求,在耗資巨大的“阿波羅”工程行將結束之際,美國從1972年開始把人力、物力和財力轉移和集中到研製被一些人吹得神乎其神的太空梭這一全新的載人航太器上面來,最終大功告成。

1981年4月12日,美國成功發射了世界第1架太空梭哥倫比亞號。至2003年1月,美國5架太空梭已陸續飛行了113架次,但損失了2架。其特有的可重復使用性、運載能力大、用途廣泛和良好的環境條件等,為人類的天地往返活動開闢較為理想的途徑。

連結:太空梭是集航空、火箭和空間技術于一身的綜合産物,它既能作為運載工具,發射各類航太器,又可以像人造衛星一樣繞地球軌道運作,然後像普通飛機一樣返回地面,並經過維修再次發射。

不過,美國太空梭投入使用後並未達到預期目的,既不安全,也不便宜,所以,從1986年挑戰者號太空梭失事後,美國就停止使用太空梭發射商業衛星了。美國空軍也放棄使用太空梭。人類現在還沒有找到物美價廉的“天梯”。

儘管美國第1代太空梭有許多不盡人意之處,但其用途最為廣泛的特長目前仍天上無敵,因而還得繼續服役。它也為下一代的太空梭發展奠定了基礎,積累了經驗。所以可以肯定地説,太空梭是20世紀最偉大的航太科技傑作之一。

1988年11月15日蘇聯第1架不載人太空梭暴風雪號由能源號運載火箭發射成功,後因蘇聯解體和俄羅斯經濟實力下降等多方面原因于1993年被取消。因此,美國太空梭是當代唯一投入實用的太空梭,並取得了巨大成果。

現在,美國還在研製第2代太空梭,以克服第1代太空梭的種種缺陷。俄羅斯、歐洲和日本甚至印度也沒閒者,都在“小的溜兒”搞著。所以,太空梭正方興未艾。

三大部件缺一不可

到2003年1月16日止,美國共發射了113次太空梭,其中哥倫比亞號28次,挑戰者號10次,發現號30次、阿特蘭蒂斯號26次和奮進號19次,上天達664人次。

耗資數百億美元研製出來的美國太空梭由軌道器、外貯箱和2個固體助推火箭3部分組成,其中軌道器可重復使用100次,軌道器上的主發動機可重復使用50次,固體助推火箭可重復使用20次,外貯箱則只能使用1次。

外型象普通飛機一樣的軌道器是太空梭的主體,也是太空梭最複雜的組成部分,每次升空都要經歷發射、飛行和返回的全過程。它長37米,翼展24米跟1架大型噴氣式客機大小差不多,內部結構也類似一般飛機的結構形式。其凈重68噸,允許最大著陸重量84.3噸,通常所説的太空梭一般主要是指軌道器。

軌道器是整個系統中唯一可以載人且真正在地球軌道上飛行的組件,所經歷的飛行過程及環境比普通飛機要惡劣得多,既要有適於在大氣層中作高超音速、超音速、亞音速飛行和水準著陸的氣動外形,又要有能承受再入大氣層時高溫氣動加熱的防熱系統。軌道器用普通鋁合金製成,貼有3萬多塊防熱瓦,能以340~365 千米/小時的速度在3千米長跑道上著陸。

軌道器可在軌道上持續工作7~30天。1996年11月19日~12月7日,哥倫比亞號太空梭的第21次飛行,是目前太空梭飛行任務歷史上時間最長的一次,飛行時間為17天15小時53分。

其機體分機頭、機身和機尾三段。其中機頭是乘員密封艙,處於正常氣壓下,容積71.5米3,能容納3~7人,最多可載10人(目前最多為7人)。它又分駕駛室、生活室和儀器設備室3層。駕駛室在上層,其前面2個座位是駕駛員和指令長座位,後面的2個可供工程師或其他專家乘坐。生活室在中層,內有廚房、衛生間和氣閘艙。氣閘艙後面有一個艙口,在軌道飛行時,駕駛艙中的人員可通過此口走到後面的貨艙裏去。中層還有一個很大的邊門,供起飛前或著陸後人員和設備從這裡進出。設備室在下層,主要裝載環境控制設備,以保持駕駛艙內的氣壓、溫度和濕度等條件。航太員在密封艙內可穿普通地面服裝工作和生活,其環境控制和生命保障系統能保持艙內溫度在18.5~24℃之間,提供由氧氣和氮氣組成的一個大氣壓的氣體。飛行中的最大軸向過載為3g。這些環境條件優於載人飛船。

軌道器的機身是一個長18米、直徑4.5米、容積300立方米的大貨艙,能裝20~30噸貨物,並可從太空運回10噸多的貨物。它曾把歐洲“空間實驗室”、各種衛星和多個深空探測器裝進艙內帶入太空。貨艙內還裝有可伸可屈、隨意轉換方向的遙控機械臂,最遠可伸到15米遠的地方。坐在駕駛艙裏的航太員能通過電視或目視觀察,準確地操縱機械手,把10多噸的貨物釋放到太空或把太空中的人造衛星捉住並回收到貨艙裏。

它的機尾裝有3台以液氫/液氧為推進劑的主發動機,總共能産生6.3兆牛的推力。還有2台變軌發動機,它們每台可産生26.5千牛的推力。

軌道器的三角形機翼和垂直尾翼使太空梭在返回地球過程中在大氣層中飛行時具有良好的穩定性和操縱性,能像普通飛機一樣飛行自如。

在軌道器上,主要是在密封艙內,還裝有制導、導航和控制系統,數據處理和軟體系統,無線電通信、跟蹤和測量系統,監測和顯示系統,電源配電系統以及機械液壓系統。

機上各種設備所需電源由3個氫氧燃料電池和3個鎳鎘電池提供,每個氫氧燃料電池可發出7~10千瓦的電力,而鎳鎘蓄電池供給短時間內需要大電流的設備的用電,並作為燃料電池的備用電源,每個容量是10安時。

外貯箱是太空梭最大的部件,也是唯一的不可回收的部件,位於軌道器下方,用於貯存液氫和液氧推進劑並向主發動機輸送推進劑。它還連接軌道器和固體火箭助推器,從結構、氣動和載荷上構成太空梭和諧的整體。

它由液氧箱、液氫箱和箱間段組成,總長47.1米,直徑8.38米,凈重33.5噸,加注推進劑後重約740噸。其由鋁合金製成,外表面敷有泡沫和軟木隔熱層。2003年哥倫比亞號太空梭的失事,就是發射過程中從外貯箱脫落的泡沫材料擊中了太空梭左翼隔熱部件並形成損傷造成的。

太空梭的2台固體火箭助推器平行裝在外貯箱兩側,為太空梭垂直起飛和飛出大氣層提供約78%的推力。其所使用的發動機長126英尺,直徑12英尺,是迄今飛行過的最大固體火箭發動機,也是世界第1台可重復使用發動機。2個火箭助推器的初始總推力達24000千牛,總工作時間117秒。助推器以3094米/小時的速度把太空梭送到距地面28英里的高空,然後與太空梭分離濺落到大洋上並被回收,整修後等待下一次飛行。其固體燃料先分段澆鑄,然後對接裝配在一起。在前錐段裏裝有降落傘系統,用於海上回收。

連結:美國為太空梭研製的首臺新型固體火箭發動機,已于2005年2月17日成功進行了靜態點火試驗。發動機靜態點火是對太空梭計劃的組件、材料和製造工藝進行驗證的一部分。美國航空航太局每年對其固體火箭發動機進行試驗,以評估、驗證和確認任何提議的改進或變更。試驗表明,這種可重復使用固體火箭發動機可達到5年的設計壽命。試驗中,發動機上安裝了167台數據收集設備,提供發動機性能資訊。另外,用1台大功率X射線儀用來檢測發動機在發射和上升階段如何工作。此次試驗總計設定了32個目標,包括確定發動機的點火器如何開始燃燒以及中期工作情況。試驗中收集到了在以往發動機試驗中無法獲得的資訊。專家將對試驗數據進行分析,每一目標的結果將被提交到一份最終報告中。試驗後,發動機的金屬外殼和噴嘴部分將被翻修以備重復使用。

不過,太空梭投入使用後並未達到預期目的。它的發射費用並沒有像預料的那麼便宜,每次發射後都要進行檢修,不可能頻繁飛行。更主要的是用太空梭發射衛星時需有2~3名航太員陪著上天,這樣做既不經濟也不安全。所以,美國正千方百計研製新型太空梭。

特殊的“護身符”

太空梭軌道器的主要特點之一是外表面敷有可重復使用的防熱瓦,它能防護軌道器再入時遇到的氣動熱。2003年2月1日,美國哥倫比亞號太空梭返回地面時在空中解體,使機上7名航太員全部遇難,就是因為防熱瓦出現問題。

防熱瓦主要用作軌道器返回時的防熱,而軌道器外形比較複雜,所以設計人員根據軌道器返回時機身各處的熱環境採用了四種不同類型的防熱瓦。

一種採用高溫可重復使用的表面隔熱材料,俗稱高溫防熱瓦。它用在溫度為648~1260℃的表面,如機身中、前段和機翼的下表面。太空梭再入時,以40o的攻角飛行,所以機身和機翼的下表面為迎風面,是鼻錐和機翼前緣以外的最高熱流區。此種防熱瓦約使用了20000多塊,每塊尺寸為152.4毫米×152.4毫米。其厚度隨該處熱流水準而不同,範圍為19.5~64毫米,覆蓋面積達480平方米,總重達4413千克。

另一種防熱瓦採用碳碳複合材料。它主要用在機身的鼻錐、機翼前緣。該防熱瓦總重約1698千克,使用的表面積約38平方米,使用處表面最高溫度約1650℃,表面呈黑色。

第三種防熱瓦採用低溫可重復使用表面隔熱材料。它俗稱低溫防熱瓦,用在溫度371℃~648℃的表面,如機身中、前段和機身的上表面(由於這些位置處在背風面,所以表面溫度不高)。此種防熱瓦共用了7000塊,每塊尺寸為203毫米×203毫米,厚度隨該處熱流水準而變化,覆蓋面積達255平方米,總重1014 千克,經涂層處理表面呈白色。

最後一種防熱瓦採用柔性可重復使用表面隔熱材料。該防熱材料是一種硅橡膠浸漬的氈狀物,用在表面溫度371oC以下的部位,如機身上表面和機翼上表面的後段以及機身兩側。每塊防熱瓦的尺寸遠大於上述3種防熱瓦,典型的尺寸為900毫米×1200毫米。其厚度為4.8~16毫米,覆蓋面積達333平方米,總重約532千克。由於它是一種柔性的氈狀物,所以可用常溫固化硅橡膠粘貼在機身鋁合金的結構上。

以上幾種防熱瓦實際上主要是一些疏鬆、輕質而呈脆性的陶瓷材料,如高溫防熱瓦密度為0.14~0.35克/立方釐米,由於其耐溫高、隔熱好、品質輕,高溫下不發生物理和化學性能的破壞並可重復使用,因此作為太空梭防熱材料有其獨特的優點。但是,它們的這些性能卻給連接和承受力學載荷造成了很大的困難,留下了許多隱患。

哥倫比亞號失事是因為在起飛時遭到外力撞擊,結果導致防熱瓦上出現裂縫,使得超高溫氣流乘虛而入,最終造成飛機解體。

連結:太空梭以其獨有的重復使用性、多用途性、經濟性和良好的環境條件,為人類的航太活動開闢了新的途徑,但這是以解決了大量複雜的技術問題為代價換來的。例如,就防熱設計而言,一般返回式航太器(如返回式衛星)只使用一次,再入防熱問題較易解決,而太空梭外形複雜,又要重復使用,因此它在返回地面時,對周圍空氣的壓縮和摩擦産生的高溫高熱的防護和處理問題很複雜,要求有適合大面積複雜構形的耐高溫、抗沖刷、重量輕、能多次使用的高級防熱材料,維修也應方便。文/龐之浩(中國空間技術研究院研究員 《國際太空》雜誌副主編)

 

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