航天方面的基本知识－航天飞机

虽然载人飞船实现了人类进入太空的梦想，但无论是登上月球的阿波罗，还是经久耐用的联盟号，在将人类送入太空之后，返回地球的都只是载有航天员的座舱，整个飞船的其余部分不是留在了太空，就是在返回地球时被焚毁，而就是返回地球的部分也不可能再次进入太空。这也就意味着每次太空飞行，都需要研制一艘新的载人飞船，这无疑提高了太空飞行的成本。因此各国的技术人员自然而然的想到可不可以设计一种可重复使用的航天器，这种航天器可以像飞机一样，来往于地面和太空之间执行太空任务。于是出现了经常听说的航天飞机。

在各种媒体中我们可以看到航天飞机令人惊心的发射场面，而对于航天飞机的认识可能也就只有发射时冒起的滚滚浓烟。可航天飞机究竟是什么样的？是如何进行飞行的呢？本章就要回答这些问题。在回答这些问题之前，先要清除一个事实，即美国是目前惟一将航天飞机投入正式使用的国家，所以我们对航天飞机的技术解释是以美国航天飞机为基础的。

什么是航天飞机

通过报纸或电视我们经常可以看到航天飞机，在技术上这个词实际指的是一个航天交通系统(Space Transportation System，STS)，它包括三个部分：轨道器(Orbiter)、外贮箱(External Tank)和固体火箭助推器(Solid Rocket Boosters)。

轨道器是航天飞机系统中最主要的部分，也是惟一进入轨道飞行的部分。其形状与飞机非常相似，大小与一般的中型商业客机差不多。整个轨道器可以分为前、中、后三段。前段主要是航天员工作生活的机组座舱，中段是有效载荷舱，后段是航天飞机和轨道舱的动力系统。

机组座舱同载人飞船的返回舱、轨道舱一样，提供了航天员在整个飞行期间的生存环境和活动空间。座舱的空间比载人飞船的空间要大，但是一般情况下，座舱内要有7名航天员，如果有紧急情况，乘员还要增加到10名，这样空间似乎还是显得有些狭小。

机组座舱分为两层，顶层为飞行舱。里面装有上升、着陆及在轨期间驾驶轨道器所需的各种控制器。飞行舱的前部非常像客机的驾驶舱，透过窗口航天员可以看到外面的景象。飞行舱的后墙有两个观察窗，透过这两个窗口，航天员可以直接观察有效载荷舱，在太空中他们操纵后墙上的各种仪器来控制有效载荷舱内的系统。飞行舱后部的天花板上同样有两个观察窗，给航天员提供了更为广阔的视野。

在飞行舱的下面是航天员的生活间，被称为中舱。中舱实际上是航天员的生活间，所有的食品和生活用品都储存在这里。中舱内和飞行舱间有两个通行舱口可以使航天员在两舱之间自由通行。中舱一侧的机组通行舱门是航天员在地面上进出轨道舱的惟一通道。在中舱的后面有一气闸舱，是航天员在太空中进入太空，或进入未加压有效载荷舱的通道。

有效载荷舱占据了整个轨道器的大部分，舱内装的是由轨道器送入太空的卫星，或者是为航天员提供科学试验空间的小型实验室。它有两扇从中间对开的舱门。舱门分为内外两层，外层是防热层，内层是辐射冷却器。在轨道器上升和返回时舱门处于关闭状态，以保护放在载荷舱内的货物。而在轨期间舱门则一直开着，这样可以起到散热的作用。

轨道器后段的动力系统包括有3台主发动机，航天飞机发射时，这些发动机提供了轨道器进入轨道的部分推进力。主发动机的两侧各有1个轨道机动发动机，采用轨道器自身携带的甲基肼和四氧化二氮作为推进剂，用于主发动机关闭后的轨道器加速、变轨或交会，以及返回制动的推力。它可以持续工作15个小时，重复启动1000次。

为了进行轨道器的姿态控制和交会、入轨控制，轨道器的尾端两侧还装有24台反作用控制发动机，可重复启动50 000次，同样的发动机在飞行舱前面的机头还有14台。在机头和机尾还装有6台微调发动机，可进行50万次的启动。这些发动机合起来称为反作用控制系统，推进剂由轨道器携带。这些发动机通过复杂的控制系统控制其点火时间，可以调整轨道器的姿态。

应该注意，轨道器只提供了在轨飞行期间的推进剂，并没有提供发射时主发动机所需的推进剂。考虑轨道器进入轨道需要燃烧大量的推进剂，而要把这些推进剂都贮存在轨道器内是很不合适的，于是设计人员在轨道器之外设计了一个专门携带推进剂的外贮箱。

外贮箱有两个贮箱组成，上端的贮箱内部装有液氧，下端的贮箱装有液氢。中间由一个连接舱连接。虽然看上去液氢贮箱的体积比液氧的大很多，但是因为液氧比液氢重16倍，所以装满推进剂后，液氢的重量只是液氧的1/6。在与轨道器连接时，液氧和液氢各通过一根管子从贮箱底端流入轨道器。当主发动机开始工作时，通过这两根管子流入发动机的液体可以很轻松的在25秒钟之内，就把一个中等大小的游泳池灌满。

由于液氧和液氢的沸点约为零下一两百摄氏度，因此很容易就会汽化。为了使汽化的程度尽量减小，在外贮箱的外表面覆盖了一层薄薄的异氢尿酸泡沫。这种材料令外贮箱的表面呈橘红色。

在最初的飞行中，外贮箱被涂成了与白色，这样做完全是为了美观，但从使用上毫无用处，因此后来不再使用这一做法。

有了外贮箱的航天飞机重量加大，特别是灌满了推进剂后，如果只用轨道器上的主发动机，根本不能使它们离开地球表面。于是外贮箱的两侧又连接了两个固体火箭助推器。

这两个固体助推器是在大力神IIIC运载火箭助推器的基础上研制的，高度45.5米。为了降低研制成本，助推器采用了分段结构，推进剂分别装入四段。最上端整流罩内装有推进剂点火装置、电子设备、应急自毁装置和减速伞。最下端是可调节方向的喷口，偏转角度6.65°。

之所以采用这种分段结构，最大的好处在于推进剂的灌装。固体推进剂在灌装前呈橡皮膏似的粘稠液体，灌入助推器后，要经过几天的干燥才能形成固态。整个灌装和干燥的过程要绝对保证推进剂的搅拌均匀，否则会影响发动机效率。比较之下，灌四个小段当然比灌一个长段要容易的多。

助推器各段之间的连接也是极其讲究的，要严格保证推进剂的密封性，防止高温燃气泄漏。虽然NASA的设计人员很早就注意到了这个问题，但还是在1986年挑战者号航天飞机的发射中付出了血的代价。