美国和苏联的航天飞机

美国和苏联的航天飞机

2010-03-25

我们都知道美国和俄罗斯是两个航天大国，初了火箭之外还有航天飞机。1969年4月，美国宇航局提出建造一种可重复使用的航天运载工具的计划。1972年1月，美国正式把研制航天飞机空间运输系统列入计划，确定了航天飞机的设计方案。经过5年时间，1977年2月研制出一架“企业号”航天飞机轨道器，1977年2月15日，进行了3次滑行测试飞行。1977年2月18日到1977年3月2日，进行了5次机载背负飞行测试，载机为波音747。1977年6月18日，首次载人用飞机背上天空试飞，参加试飞的是宇航员海斯（C.F.Haise）和富勒顿（G.Fullerton）两人。随后又进行了8次载人飞行测试，1977年10月26日，载人飞行试验圆满完成。“企业号”实际上它是一个纯粹的测试平台，没有发动机，没有设备，没有执行太空任务的功能。本来“企业号”是准备作为“哥伦比亚号”之后的第二架航天飞机的，但是后来NASA发觉改装测试平台STA-099更划算，而后来“奋进号”又被建造出来，“企业号”就再也没有上天的机会了。1977年，美国又建造了“开路者号”航天飞机，后运往肯尼迪航天中心用作地面测试之用，实际上不具备飞行能力。由于开路者号与真正的航天飞机具有相似的重量、形状和尺寸，一些测试可以在其身上进行，而不必使用更加精密且昂贵的“企业号”航天飞机。

又经过4年，第一架载人航天飞机终于出现在太空舞台，这是航天技术发展史上的又一个里程碑。1981年4月12日，在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心聚

集着上百万人，参观第一架航天飞机“哥伦比亚号”的发射，首次执行STS-1任务，开启了NASA的太空运输系统计划（Space Transportation System program，STS）之序章，宇航员翰·杨（John W.Young）和克里平（Robert L.Crippen）

揭开了航天史上新的一页。“哥伦比亚号”的命名由来，是纪念第一艘环绕世界一周航行的美国籍船只。然而很不幸的，“哥伦比亚号”在2003年2月1日，在STS-107的第28次任务重返大气层的阶段中与控制中心失去联系，并且在不久后被发现在得克萨斯州上空爆炸解体，机上7名航天员全数罹难。

航天飞机总长34.24米，翼展约23.79米，该系统总高56.14米，起飞重量约2,046吨，起飞总推力达3,076吨。美国一共设计制造了5架航天飞机，分别为“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号”、“亚特兰蒂斯号”、“奋进号”。“挑战者号”是NASA旗下正式使用的第二架航天飞机，开发初期原本是被作为高拟真结构

测试体（high-fidelity Structural Test Article，因此初期机身代号为STA-099），但在“挑战者号”完成初期测试任务后，被改装成正式的轨道载具（Orbiter Vehicle，因此代号改为OV-099），并于1983年4月4日正式进行任务首航。美国的航天飞机都是以早期的船名而命名的，因此“挑战者号”的命名由来也不例外，是承袭自1870年代航行于大西洋与太平洋上的英国海军研究船“挑战者号”（HMS Challenger）。然而很不幸，“挑战者号”在1986年1月28日当地时间早上11

时38进行代号STS-51-L的第10次太空任务时，因为右侧固态火箭推进器上一个O形环失效，导致一连串连锁反应，在升空后73秒爆炸解体坠毁。当时机上的7名航天员，全在该次意外中丧生。

“发现号”航天飞机（STS Discovery，OV-103）是美国国家航空航天局（NASA）旗下的第三架实际执行太空飞行任务的航天飞机。首次飞行是在1984年8月30日，负责进行各种科学研究与作为国际太空站计划的支援。“发现号”的命名，源自于一艘18世纪时的英国探险船，伴随著名的詹姆斯·库克船长远征南太平洋的“发现号”（HMS Discovery）。在库克船长的探险中，完成了包括发现夏威夷群岛、新西兰乃至于确认澳大利亚大陆存在等的功绩，而同行中的另外一艘探险船“奋进号”（HMBarque Endeavour）也成为NASA另一架航天飞机“奋进号”的命名由来。除此之外，库克船长也曾搭乘“发现号”探索南阿拉斯加与西北加拿大之间的海岸线，虽然当时正值美国独立战争期间，英国与美国是交战国，但由于“发现号”在从事的是非常重要的科学任务，本杰明·富兰克林甚至特别下达美军不准对该船发动攻击的指令。

“发现号”的建造与在它之前的MPTA-098（主推进器测试体）、STA-099（后来的“挑战者号”）、OV-101（后来放弃改装的“企业号”）与OV-102（“哥伦比亚号”）不一样，它属于NASA建造的航天飞机之中第二期的产品。因此，“发现号”在设计组装的过程中撷取了许多来自“企业号”、“哥伦比亚号”与“挑战者号”的实际测试与飞行数据加上经验，设计上较为成熟。出厂时其重量较“哥伦比亚号”轻了约3,120千克，空重68,744千克，装上三台主发动机重77,634公千克。与“挑战者号”一样，“发现号”的酬载舱曾经过局部的修改，以便能载运与发射使用低温推进燃料的半人马上面级，但此计划因为风险过高而被中止，实际上“发现号”从未实际施放发射过该型火箭。

“阿特兰蒂斯号”航天飞机（STS Atlantis，OV-104）是美国国家航空航天局（NASA）旗下第四架实际执行太空飞行任务的航天飞机。它与“发现号”是姊妹机，属于NASA第二批制造的航天飞机，由于“发现号”与“阿特兰蒂斯号”制造的过程中也同时生产了一批备用零件，稍后NASA决定利用这些多余的零件，进

而组装成第五架航天飞机——“奋进号”。“阿特兰蒂斯号”首次飞行于1985年10月3日，代号STS-51-J的该任务之主要酬载是来自美国国防部的委托，因此任务内容是国防机密，没有对外公开。如同其他美国航天飞机都是以早年的调查船等科学船只作为命名由来的作法，“阿特兰蒂斯号”的命名，是源自于一艘1930

年到1966年间，隶属于马萨诸塞州伍兹·霍尔海洋科学研究所（Woods Hole Oceanographic Institute）的460吨双桅帆船“阿特兰蒂斯号”。这艘双桅帆船是

第一艘被用于海洋科学研究的美国船只，也是帆船时代末期最后几艘活耀在海上的范例，因为到那年代以蒸气引擎或柴油引擎做为动力的船只已经渐渐占据水面，鲜少见得到帆船还在服役的。

“奋进号”航天飞机（STS Endeavour，OV-105，又译“努力号”）是美国国家航空航天局（NASA）旗下的第五架实际执行太空飞行任务的航天飞机，也是最新的一架，首次飞行是1992年5月7日的STS-49号任务。“奋进号”负责的任

务中有不小比例是用来支援国际太空站计划。“奋进号”是美国一系列航天飞机之中首架以公开征名竞赛的方式来决定命名的先例，由美国的中小学生决定航天飞机的命名之后，再由布什总统在1989年时正式宣布。如同美国历架航天飞机的命名原则，“奋进号”的名字也是源自一艘早年的研究调查船，著名英国探险家詹姆斯·库克船长（James Cook）在1768年第一次远征时所搭乘的一艘368吨等

级的三桅帆船“奋进号”。由于“奋进号”是艘英国籍的船只，这也解释了为何“奋进号”的名字是用英式英文的“Endeavour”而非美式英文的“Endeavor”拼法。

从某种角度来说，“奋进号”是一艘“拼装航天飞机”，它是以“发现号”和“亚特

兰提斯号”建造合约中一批同时生产的备用结构零件为基础，额外组装出来的，

以填补“挑战者号”意外坠毁后留下来的任务空缺。但是这并不表示奋进号的性能就逊色一截，恰恰相反，事实上因为是最新的一艘航天飞机，“奋进号”在建造过程中吸取了许多前辈们的教训，拥有了更多新开发的硬件装备。而大部分新一代的航天飞机仪器设备都是在“奋进号”上率先采用之后，才在稍后趁着停飞维修的机会，改装追加到了其他几架航天飞机上。这些改良的重点包括有：

1.一具新型减速伞，能够缩短航天飞机落地后的减速滑行距离约300米，改良后的滑行总长为2,000呎。

2.一些配合延伸绕行期限（Extended Duration Orbiter，EDO）改装所需的管线与电路连结，因而能够将航天飞机绕地球运行的任务期限延长到28天。

3.“奋进号”完成任务后降落在加州爱德华空军基地使用升级版的航电系统，包括较先进的通用任务电脑，改良的惯性量测单元（Inertial Measurement Units），策略性飞行导航系统（Tactical Air Navigation Systems），强化版的主任务控制器，多路转换器/多路分解器（MUX/DEMUX），固态跟星仪（Solid-State Star Tracker），与一套改良过的鼻轮转向机构。

4.一套改良版的辅助动力系统（Auxiliary Power Unit，APU），是用来提供航天飞机液压系统所需的动力。

美国的航天飞机

1988年11月15日莫斯科时间清晨6时，前苏联的“暴风雪号”航天飞机从拜科努尔航天中心首次发射升空。47分钟后进入距地面250千米的圆形轨道。它绕地球飞行两圈，在太空遨游3小时后，按预定计划于9时25分安全返航，准确降落在离发射地点12千米外的混凝土跑道上，完成了一次无人驾驶的试验飞行。“暴风雪”号外型与美国航天飞机极为相似，机身全长40米，高16米，机身直径5.6米，翼展23.92米，有效载荷货舱直径4.7米，长18.3米，可将30吨载荷送入低轨道，能运回20吨货物，比美国的航天飞机货舱稍大一点儿。乘员舱容积70立方米，可供2—4名宇航员使用，另有6个座位供乘员使用，其中除机长、驾驶员外，还有卫星修理人员2名，机械手操作员1名，科研人员2—3名。全机起飞总重105吨，着陆重量87吨。“暴风雪号”航天飞机的飞行程序是：航天飞机首先被推力为3,500吨的“能源号”运载火箭推到亚轨道速度之前，第一级液体火箭发动机脱离，被抛到苏联领土之内，然后，到160千米高度时，启动自身的发动机，将航天飞机助推到轨道速度，这时，主发动机和大型燃料箱把航天飞机送到可能进入轨道的高度后，即脱离航天飞机溅落在海面上。同时再次启动机上发动机，使“暴风雪”号到达高度为260千米的圆轨道。返航着陆情况与美国航天飞机一样，着陆速度为340千米/小时，地面滑跑距离1,100—2,000米。“暴风雪号”带着着陆伞，当落地速度减到时速50千米时，弹出制动着陆伞。由于机上系统的安全可靠尚未得到充分保证，加之其后政治和经济等方面的原因，载入飞行的时间便推迟了。

在20世纪70年代初，美国研制了“太空梭”轨道飞机，也就是航天飞机。这一时间，前苏联也开始制造自己的“太空梭”，即“暴风雪号”航天飞机。为研究从轨道返回时防热问题，设计者还研制了“布拉风4”无人驾驶试验器，以“宇宙”系列的代号完成了4次轨道飞行，时间分别为1982年6月4日、1983年3月16日、12月27日和1984年12月19日。最初两架空天试验机均溅落在印度洋上，其打捞工作引起了西方国家的注意。于是，后两架“布拉风”均着陆于克里米亚海区。

1985年，“暴风雪号”的机翼运抵拜科努尔。同年还进行了“能源号”火箭的第一次点火测试，但在点火后2.58秒，系统检测到引擎涡轮出了故障；随后的测试还发现了液氦泄露等问题。第二次测试是成功的，发动机运行了390秒。为保证有充足的冷却水做测试，附近的城市不得不停水10天。“能源号”火箭与美国航天飞机设计不同，主要是出自苏联没有开发大型固体火箭经验的考虑。“暴风雪号”自身没有主推进发动机，只有两个小型发动机供调整轨道姿态用，起飞时它可以看作是“能源号”火箭的载荷。很多人认为，这一设计实际上要优于美国的航天飞机，因为如此做法将降低航天飞机的事故率，并可提高其搭载的有效载荷。但在“暴风雪”与能源火箭对接并运送到发射台的过程中，采用的是水平运输的方式，这显然没有美国的垂直运输来得方便。另外，安东诺夫设计局还为解决“暴风雪号”的运输问题专门设计了安225“梦幻”大型运输机。安225于1985年开始设计，1989年首次背负“暴风雪号”飞行，是目前已有的体积最大、载重能力最强的飞机，迄今只生产了2架。它的原形是安124，但采用的是双垂直尾翼设计，运载能力比安124提高了50%。

随着计划的逐步深入，“暴风雪”计划的弊病也逐渐暴露出来：几乎所有的研制进度都没有达到最初的要求。别的不论，单是“暴风雪号”的零件运输也成了大问题：人手不足，经验不够。苏联政府召集了大量工人前往拜科努尔，使这里为航天飞机准备的211设施工作人员从600人骤增到1800人。1986年5月，刚刚组装好的“暴风雪号”开始进行电子系统的测试。8—9月开始进行“能源号”火箭的发射试验。在“暴风雪号”真正上天之前，前苏联共进行了140余次飞行试验，其中包括近70次自动着陆试验。

“暴风雪号”于1988年11月15日发射升空，并完成了极其精确的自动着陆。“暴风雪号”首航成功，按计划应很快开始载人飞行，后来，苏联的政治与经济生活发生了巨大变化，航天计划拨款急剧减少，于是，“暴风雪号”也就成了“多余之物”。

最初，“暴风雪”承担的角色是航天武器和空间站（尤其是日后的“和平号”空间站）运输工具。航天飞机的建造工作在1980年开始，飞行测试始于1983年，但最开始只是用小型比例模型作试验。第一架全尺寸航天飞机模型完成于1984年，命名为“暴风雪OK-GLI”。他们在不同的机身上安置了不同的电子设备，采用了不同的设计以作测试用。“暴风雪OK-GLI”在地球大气层中进行了25次飞行试验，是“暴风雪号”航天飞机中唯一的一架具有发动机的试验型航天飞机，“暴风雪OK-GLI”，后来被卖掉。最后一次飞行测试是在1988年4月，参加测试的模型多用“宇宙****”为编号。除了“暴风雪OK-GLI”，前苏联总共制成了5架航天飞机，其中一架完全完工，它就是“暴风雪号”（Shuttle 1.01，毁于2002年），另一架命名为“小鸟号”（Shuttle 1.02），完成了95—97%。另外3架没有完工，

其中一架命名为“贝加尔湖号”（Shuttle 2.01），另外两架为Shuttle 2.02和Shuttle 2.03。这5架航天飞机的任务代号分别为OK-1K1、OK-2K1、OK-1K2、OK-2K2和OK-3K2。

真正的轨道飞行是在1988年11月15日，承担任务的是OK-1K1，就是那架完工的“暴风雪号”航天飞机。莫斯科时间清晨6时，OK-1K1由“能源号”火箭从拜科努尔发射场2号发射台发射升空，进入一条近地点247千米，远地点256千米的轨道。这是一次无人测试飞行，所以航天飞机的生命保障系统没有运转，其上也没有安装任何软件。由于计算机存储能力的限制，“暴风雪号”只环绕地球飞行了2圈，3小时25分钟后成功返回地面。有传言说这次飞行使OK-1K1遭受的损伤无法再恢复，OK-1K1也不能重返太空，但此说法未被官方证实。这次自动飞行的难度显然要比美国1981年“哥伦比亚号”航天飞机有人驾驶的首航大得多。“暴风雪号”配备有小型发动机，可以在一定程度上实现有动力返航，如果第一次着陆失败还可作二次飞行；它还可以通过机翼舵面调整飞行姿态，着陆时机动性也比美国的航天飞机强。从第一次飞行执行的任务看，这显然不是计划中唯一的一次无人飞行试验，因为这次飞行连最重要的生命保障系统都没有测试。自动飞行是很成功的，它顺利抵抗住了速度达34km/h的侧风。“暴风雪号”的成功首飞给各国带来了很大影响，人们期待着它能够早日作载人飞行。同年，前苏联发行了一枚以“暴风雪号”为主题的邮票。“暴风雪”航天飞机后来闲置在拜科努尔火箭发射场的机库中，2002年5月由于机库房顶倒塌而毁坏。

美国的航天飞机和暴风雪号的技术参数

1988年首飞后，用于“暴风雪”计划的资金濒临耗尽，仅仅是开发航天飞机系统本身就花费了13亿卢布之巨，整个项目的开销超过了200亿卢布。而前苏联当局也逐渐考虑起庞大的投资与发展航天飞机带来的益处之间的关系。“暴风雪计划”在某种意义上加速了苏联的瓦解，而苏联解体后，昔日的计划更是彻底失去了经济支持。1991年，苏联军方停止了对该计划的拨款支持。1993年，“暴风雪”航天飞机机身的设计者，莫尔尼亚联合体被迫承认，“暴风雪计划”就此结束。他们希望能够转向开发其他小型航天设备，但因资金不足，只能作罢。自1988年至今，“暴风雪号”航天飞机没有再进行过太空飞行，“和平号”空间站和国际空间站只能利用一次性飞船和美国航天飞机作为往返工具。按原计划，第二架航天飞机将于1991年首飞，第3架则是在1992年建造完成，而首次载人飞行将在1994—1995年间进行。但由于政治和经济原因，这一切都没有实现。所有航天飞机只能存放在库房中，任灰尘飞扬，仪器老化。而未完工的两架则已在90年代中期被拆解。2002年，“暴风雪”号航天飞机中可以飞行的一架连同“能源号”

火箭一道，因拜科努尔的厂房坍塌而被摧毁。至此“暴风雪”计划在凄凉惨淡中彻底终结。