航天飞机 （往返于近地轨道和地面的航天器）

简介

航天飞机系统设计为由火箭推进入轨，返回地面时像滑翔机一样下滑着陆，为人类自由进出太空提供了良好的工具，是航天史上重要的里程碑。

航天飞机在轨道上运行时，可完成释放卫星、回收及维修卫星、微重力实验等多种任务。

整个航天飞机系统由轨道器、助推器和外贮箱组成。

迄今为止，只有美国与苏联曾制造并实验过完整的航天飞机，而美国是唯一曾以航天飞机成功进行过载人任务的国家。因此，后文主要讨论美国的航天飞机。

研发历史

背景需求

20世纪60年代末，随着人类对太空的探索愈加频繁，人类需要进行越来越多的太空发射任务。由于发射火箭的成本过于高昂，而火箭的箭体又难以回收，因此研发一种可重复使用、成本低廉、乘坐舒适的载人航天运输工具已迫在眉睫。在阿波罗计划开启后，发射火箭的高昂成本再次摆在人类面前，人们不得不寻求新的空间运输方式。

研发过程

1969年，美国提出研制“航天飞机”这种新的空间运输系统，并于1971年正式开始研究工作。美国将研制工作分为A、B、C、D四个阶段。A阶段研究航天飞机的外形，并提出进一步研究的要求和方向；B阶段确定指标并进行方案设计；C阶段进行技术设计；D阶段则进行生产与试飞。1972年1月15日，美国正式宣布研制新的空间运输系统，并于当年3月确定接近于现有状态的总体方案。研发过程中的大致变化如下表所示：

NASA共生产过6架航天飞机轨道器，分别为OV-101企业号（Enterprise）、OV-102哥伦比亚号（Columbia）、OV-099挑战者（Challenger）号、OV-103发现者号（Discovery）、OV-104亚特兰蒂斯号（Atlantis）、OV-105奋进号（Endeavour）。其中，企业号为试验机，其余5架为工作机，奋进号则是为填补挑战者号失事后的空缺而制造。

设计特点

总体布局

根据自身推进装置发射入轨、轨道器无动力自主返回、可重复使用的任务需求，航天飞机被设计成运载火箭和入轨载荷的组合体。因此，航天飞机是一种独特的部分入轨、部分重复使用的航天运输系统。

航天飞机由轨道器、外贮箱和固体助推器组成：

（1）轨道器：轨道器是航天飞机的核心部分，是整个航天飞机系统中唯一可载人、可重复使用的部分。

（2）固体助推器：固体助推器的作用是在发射航天飞机时助推，补充主发动机的推力。

（3）外贮箱：外贮箱是一个独立的可抛弃的结构，用于在发射时贮存燃料。采用这种结构形式，可以减少航天飞机轨道器的尺寸和重量。

主要系统

轨道器

气动布局

轨道器为无尾三角翼布局，机翼安装靠后，为带前缘边条的大后掠三角翼。采用这种靠后的大后掠布局，有利于改善飞行器返回平飞时的压心与质心匹配。飞行器采用下单翼布局，既保证了机翼和中央翼的有效高度，提高了结构性能，又为主起落架的收起和有效载荷舱的打开提供了充足的运动空间。

轨道器包含众多控制舵面，其中每侧机翼后缘各连接内外两块副翼，副翼差动实现滚转控制，同向偏转实现俯仰控制，着陆时向下偏转，作为襟翼增加升力。

机身背部后方设置垂尾，其中方向舵分为上下两组，每组又分为左右两片，张开时可起到减速板的作用。

尾部下方还安装有一块体襟翼，正常飞行时可发挥体襟翼的纵向配平及俯仰控制作用，再入返回时可为发动机尾喷管遮挡空气热流。

轨道器是航天飞机唯一能够全部重复使用的组件。

内部构造

轨道器的机身由前段、中段和后段三部分组成：

• 前段包括头锥和乘员舱。乘员舱分上、中、下三层，容积为71.54m。上层为飞行操作控制室，中层为乘员生活舱，下层为仪器设备舱，装有环境控制和生命保障系统。乘员舱正常情况下可乘载7名航天员，紧急状态下可增加至10人。

• 中段为有效载荷舱，容积约300m。为便于大型卫星出入，在背部有两个很大的舱门。同时，舱内有可遥控的机械臂，由总长超过15m的三节细长杆组成，可用于在轨道上布放、回收有效载荷。机械臂在地面上几乎不能承受自身高达410kg的重量，但在太空失重条件下却可以迅速而灵活地装卸10吨的有效载荷。

• 后段较为复杂，装有3台主发动机，2台轨道机动发动机，和2个反作用控制推力系统。此外，尾部还装有升降副翼、襟翼、垂直尾翼、方向舵和减速板等气动控制部件。

热防护

在轨道器重返大气层时，气动加热现象会导致轨道器的表面温度迅速升高，所以必须进行热防护处理。对轨道器而言，考虑到“重复使用”的要求，因此不适合用“烧蚀法”来防热。根据温度的不同，应采用不同的材料。具体如下：

• 机身头部和机翼前缘温度最高，采用增强碳碳复合材料（RCC），其可重复使用的温度高达1593℃。

• 机身、机翼下表面前部和垂尾前缘，温度较高，采用防热隔热陶瓷瓦（HR-SI）。

• 机身、机翼上表面和垂尾，气动加热不是特别严重，采用LRSI。

• 机身中后部两侧和有效载荷舱门处，温度较低（约350℃），采用柔性的、可重复使用的表面隔热材料（FRSI）。

陶瓷材料很脆，如果直接粘接到蒙皮上，在受热和受力情况下，陶瓷瓦会破裂。因此，陶瓷瓦和铝合金蒙皮之间胶有一层4mm厚的变形隔离垫。

外贮箱

外贮箱是航天飞机上质量最大的组件，同时也是最大的不可重复使用设备。主动段飞行过程中，固体助退器在燃料耗尽后首先与其分离，达到入轨高度和速度后，外贮箱与轨道器分离，最终在再入大气层时解体。

外贮箱全长47m，直径8.38m，结构主要选用2195铝合金，质量约为33.5t，加注后质量高达744.3t，其中液氧加注604.2t，液氢加注101.6t。外贮箱主要由前端低温液氧贮箱、箱间段、后端低温液氢贮箱组成，并包括顶部整流罩、固体助推器和轨道器连接结构等。箱体外侧覆盖厚度为12.7mm的软木/环氧树脂复合材料层，并喷涂25.4~50mm厚的泡沫塑料防热层。

固体助推器

固体助推器并联捆绑在外贮箱两侧，与外贮箱分离后，抛掉喷管延伸段并最终落入海中。

美国航天飞机的SLS固体助推器是迄今为止建造的最大的固体助推器。每个助推器高17层，每秒燃烧约6吨推进剂。该款助推器采用推进剂为聚丁二烯丙烯腈。

飞行程序

发射倒计时阶段

航天飞机发射倒计时一般从发射前 70h 开始，在倒计时期间完成各项检查测试与系统配置工作：

1. 完成航天飞机的数据与计算机系统的配置。

2. 为外贮箱加注燃料，这也是最危险的一步。航天飞机采取远程遥控的方式完成加注，液氧最高加注流速高达32550L/min，而补加时需维持的稳定流速低至340L/min，因此要求主发动机系统具备适应并控制流量变化的能力。

3. 激活通信设备，并将回转平台从连接位置转移至停泊点，与航天飞机断开连接。

4. 各小组排查可能导致发射终止的各种问题，并配置轨道器乘员舱以及进入乘员舱的通道。配置完成后，机组人员将进入乘员舱。

5. 在各项工序完成后，机载计算机接管倒计时，并完成主发动机和助推器的点火。

升空入轨阶段

以航天飞机离开发射台为起飞零秒，主发动机在 -6s 点火，之后航天飞机以垂直上升的姿态离开发射台。之后按如下程序完成入轨：

• 11~18s，完成滚转和程序转弯，处于外贮箱朝上、轨道器朝下的飞行姿态。

• 2min2s~2min3s时完成助推器分离，之后助推器落入大西洋。

• 5min28s时，调整姿态至轨道器朝上，外贮箱朝下。

• 8min24s和8min33s，分别完成主发动机关机和外贮箱分离，之后轨道器开始入轨，外贮箱坠落并烧毁。

• 38min14s时，轨道器到达远地点，轨控发动机二次点火，使轨道器进入圆轨道。

• 发射1h后，轨道器在轨稳定运行，可打开有效载荷舱舱门，实施后续任务。

自发射起，发射团队需时刻关注主发动机、助推器和外贮箱的工作情况，以便随时采取应对措施。例如，当一台发动机故障时，飞行控制团队需要判断航天飞机是否可以执行直接返回的预案。轨道器入轨期间，电气及环控系统人员需关注相应系统的功能情况，而在爬升及入轨的整个阶段，任务控制中心的工作人员都要始终保持高度警惕。

返回阶段

航天飞机轨道器通过离轨制动发动机降低飞行速度和高度，并调整姿态实现再入与返回着陆。整个再入返回过程由如下四个阶段组成：

1.高速再入阶段

• 距着陆点28865km

• 高度282km

• 速度26498km/h

• 离轨制动发动机点火。

2.第一阶段

• 距着陆点7600km

• 高度122km

• 速度25898km/h

• 机头倾斜，进行侧向机动，保持高阻力进入过渡状态。

3.第二阶段

• 距着陆点90km

• 高度24km

• 速度2700km/h

• 进行S形转弯机动，地面跟踪轨迹并进行航向校正，准备进入最后阶段。

4.第三阶段

• 距着陆点12km

• 高度3km

• 速度682km/h

• 在地面导引的辅助下进行下滑，约100m高度时放下起落架，最终以约350km/h的速度着陆。

每次飞行任务中，NASA会为着陆提供2天时间与多个着陆窗口，最常选择在肯尼迪航天中心着陆，有时也会在爱德华兹空军基地着陆，此时需要一架改装过的波音747将轨道器运回肯尼迪航天中心。

固体助推器回收

紧随发射之后的便是固体助推器的回收工作。在发射约6~7min后，固体助推器将溅落在离发射场约258km的大西洋海域。每个固体助推器配备有三套降落伞，以减缓在海面上溅落时的冲击。助推器由两艘专用回收船（自由之星号、独立之星号）负责回收。回收船一般在发射前1天即启程前往佛罗里达东海岸的预定海域，在助推器溅落后迅速靠近并开展各部件的打捞回收工作。

回收船靠近后，潜水员拆下助推器上的主降落伞，将它们缠绕在回收船甲板的卷轴上。潜水员还将找回减速伞、前裙段和截锥段，并将它们运回甲板。对于尺寸较大的助推器壳体，潜水员将潜入32m深的海中，将一个特制堵塞放入助推器的喷管，再压入空气，排出海水，将助推器由竖直状态变为水平状态，随后将其固定在船侧，运回卡纳维拉尔角空军基地。

服役历程

美国航天飞机一般从肯尼迪航天中心发射执行任务。自1981年4月12日首架航天飞机发射以来，来自16个国家的355名航天员，乘坐航天飞机飞行852人次，共执行135次任务。其中，企业号只用于测试，一直未进入轨道执行太空任务。完成试验任务后，企业号即被收藏在史密桑尼亚协会的博物馆里。

受挑战者号爆炸、哥伦比亚号解体等事故的影响，且航天飞机本身在经济性和安全性上存在问题，这种空天运输系统于2011年7月20日退出历史舞台。

安全事故

挑战者号爆炸

1986年1月28日，“挑战者”号航天飞机进行第10次飞行，升空73秒后发生爆炸。价值12亿美元的航天飞机化作碎片，7名机组人员全部遇难。这是美国进行25次载人航天飞行中首次发生在空中的大灾难。

6月9日调查委员会正式向里根总统提出长达256页的调查报告。报告认为，“挑战者”号爆炸的原因是右侧助推火箭存在问题。航天飞机发射时气温过低，寒冷的天气对火箭垫圈产生影响，最终导致爆炸。

1988年，NASA投入2亿美元改进设备，扩编安全部门。其中最重要的改良是，增加第三个O型圈，重新设计绝缘，从而阻止热废气从引擎侧边外泄。此外，航天飞机还配备了基本的逃生系统。

哥伦比亚号解体

2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机在返回地面过程中解体，机上7名航天员全部遇难。失事时，哥伦比亚号的飞行高度是6.3万米，时速1.9万公里。

后续调查认为，左机翼上的防热瓦失效，使得机翼结构受损，最终导致航天飞机解体。防热瓦失效原因为：在航天飞机再入大气层时，外贮箱上的绝热泡沫由于工艺问题脱落，一块重约0.76kg的泡沫脱落后撞击左机翼，随后破损处的防热瓦在高温中迅速失效。

主要问题

成本高昂

美国设定的目标是：至少重复使用100次，成本降低到原来的四分之一到二分之一。然而，这两项目标均没有实现。航天飞机每次发射的成本至少为5亿美元，而“挑战者”号和“哥伦比亚”号的相继失事更使情况雪上加霜。

美国在设计航天飞机时，希望能将运送1千克有效载荷到地球低轨道的费用降到350美元，但事实上一直卡在1万美元这个瓶颈，这就使得航天飞机不仅没有达到降低运输费用的目标，而且在地面周转的时间太长，导致整个飞行计划缺乏灵活性。

最初，NASA计划设计一款有翼航天器，这种航天飞机能够完全重复使用，且每次飞行的费用可以减至最低程度，但研发费用很高，约需100亿美元。然而，国会希望航天飞机计划的费用在50~60亿美元。因此，最终选择现有的航天飞机布局。首飞日期原定于 1978年3月，但实际首飞晚了三年，在1981年4月12日。其中，因技术问题拖延两年， 经费不足拖延一年。

从总投资来看，1970-1989财年NASA用于航天飞机的费用每年平均为19.86亿美元，总投资预算为385.9亿美元，占NASA1970-1989财年总预算1029.43亿美元的37.5%。其中，1985-1989财年用于航天飞机的年平均费用高达34.09亿美元，约占NASA该五年预算的一半。受此影响，NASA不得不挪用其他项目的预算，挤占一些原有的研究计划。

综合多方数据，美国于1972年1月5日正式批准经费为51.5亿美元，至1982年研制阶段结束，费用达到100.83亿美元。至1989年时，在航天飞机项目上已花费430亿美元。

安全性不足

与其他航天器不同，航天飞机在设计中没有考虑宇航员的逃生通道。一旦出现问题，宇航员就会失去逃生机会。我国战略导弹与运载火箭技术专家、中国工程院院士龙乐豪认为，这是一个重大的战略失误。

航天飞机系统设计过于复杂，包括250万个零部件，制造工艺难度高，需要解决运载能力和结构设计的矛盾，满足重复使用的复杂气动外形和耐高温气动加热的热防护要求。同时，人货混运，轨道器、外贮箱和助推器并联的设计方式导致航天飞机先天不足，没有设置逃生系统，无法从根本上解决安全问题。

历史意义

各界人士评价

美国总统奥巴马在访谈中对航天飞机作了如此评价：“航天飞机取得了非凡成就，我们都以此为荣。”

航天飞机“亚特兰蒂斯”号指令长克里斯·弗格森表示：“没有航天飞机，国际空间站根本无法建设。”

美国新科学家网站盛赞航天飞机是“人类迄今建造过的最先进、最复杂、功能最为齐全的航天器”。

俄罗斯宇航专家利索夫这样评价：“起初指望这个计划能带来商业利润，这成了幻想……美国人对综合体的复杂性和星际飞行工作的规模和难度估计不足。”

英国《经济学人》杂志认为：“航天飞机的运营成本超出预想地高昂，为了确保复杂的设备系统的完全性，发射日期总是一拖再拖，需要核查的项目层出不穷，维修费用居高不下，最终成本并没有因多次使用而降低下来。”

航天飞机前项目经理韦恩·黑尔表示，虽然他对航天飞机的缺陷有所认识，但航天飞机一旦真的进了博物馆，自己是会难过的。

没有航天飞机可用的NASA压力重重

美国历来是航天大国，卫星的维修和发射任务十分频繁。随着时间推移，越来越多的卫星维修任务也摆在了NASA的面前。尤其是哈勃望远镜，它为人类认识宇宙做出了巨大的贡献，但它已经老了，有许多维修工作需要做。但没有航天飞机可以升空的现状，让NASA感到十分头痛，如果不去维修哈勃望远镜，来自天文爱好者的压力也让NASA感到无法承受。

压力不仅来自于国内，也同样来自于国外。航天飞机的一个最重要工作是参与国际空间站的建设，有许多部件需要由航天飞机送上太空，但自从“哥伦比亚”号爆炸后，国际空间站的宇航员无法换班，于是，这些任务全部落到了俄罗斯头上。俄罗斯的联盟号货运飞船，开始肩负起频繁的发射任务。所有国际空间站需要的物品都由俄罗斯航天局承担，俄罗斯方面对此已有怨言。

国外的怨言不仅来自俄罗斯，也同样来自当年参与空间站建设的欧洲宇航局，欧洲宇航局为国际空间站制造的大型观察窗已经完成，可是这要等到四年以后才能发射安装，这使国际空间站的建成速度大大减缓。没有航天飞机，NASA就要承受来自各方面的压力。

总体评价

与宇宙飞船相比，航天飞机因其超强运载力，能将一些无法用运载火箭发射的航天器送上太空，大大拓宽了有效载荷体积和质量，也增加了航天飞机的功能。同时，它能够在轨回收、检修卫星，可以在空间轨道上精确部署、组装各类有效载荷，从而极大扩展了人类的空间活动范围和规模，“国际空间站”就是最典型的例子。可以说，30年来，航天飞机为美国乃至全人类的太空探索事业画出了一道独特亮丽的风景线，然而高技术也隐含着高风险，这成为航天飞机致命的缺陷。

从成本来讲，航天飞机每次的发射费用高达4亿至5亿美元，返回地面后需要大量维修工作，从而使发射间隔变得很长，每年最多只能进行5至6次发射。

航天飞机的安全性更是不容乐观。航天飞机设计极为复杂，包含3000多个重要的分系统和超过300万个零部件，只要其中一个分系统或关键零部件出问题，就可能导致重大事故。美国发射航天飞机的30年间，5架航天飞机损失了2架，共有14名航天员牺牲。134次飞行就有两次事故，14人遇难，按照百万公里死亡人数来计算，其风险比民航客机高138倍。NASA在2010年的一份内部安全报告说，现在航天飞机安全性比30年前提高了10倍，但发生灾难性事故的风险仍达1/90。

航天科技对美国经济的发展曾经起过巨大的牵引作用。NASA的一份统计资料指出，向航天科技领域每投入１美元，就能从整个经济领域得到８美元的回报。NASA的另一份调查报告则指出，航天工程在就业、教育、经济发展、军民两用技术等方面对美国产生了巨大影响，它带来的技术突破直接促成了20世纪若干重大的技术进步。美国将航天技术转化为民用产业，创造了2万亿美元的巨额利润。另外，航天工业不仅直接产生经济效益，航天科技的转化和移植还能够带来更多的效益。据NASA公布的数据，美国在上世纪90年代开发的1000多种新材料80%是在空间技术的刺激下完成的，有近4000项空间技术成果已移植到民用领域，数万家企业参与了载人航天的生产、研制。航天技术的二次应用已渗透到日常生活的方方面面。

美国航天飞机时代画上句号后，美国将不得不以高价向俄罗斯购买宇宙飞船座位，使本国航天员得以进入国际太空站。

美国30年的航天飞机发展历程，告诉我们这样一个道理，一个人、一个民族，永远不要停下追寻梦想的脚步。在这个过程中，错误也自有它的价值。正如美国航空航天局局长博尔登所说：“在NASA，失败并不是最终结果。”航天计划可以终止，然而人类向未知领域进发的脚步永远不会停下。

其他国家的航天飞机

苏联研制过暴风雪号航天飞机，并于1988年成功进行无人试飞，后由于苏联解体而计划终止。