浅谈航天飞机

海拉尔二中研究性学习

结题报告

报告题目

二〇一五年七月六日

目录

引言 (1)

航天飞机的初步认识 (2)

美国航天飞机的发展历史 (3)

航天飞机的“弊” (5)

航天飞机的探索的意义与启示 (6)

结论 (7)

引言

随着世界航空航天事业的发展，投入到航空航天领域的人力物力也不断增加。我组本着对航空事业的进一步探索，将对航天事业的热爱更多元且全面的表现出来而选择了“宇航生活与航天飞机”课题。

我组进行的研究目的主要有二：一，对航天飞机的结构与原理进行初步认识。二，了解航天飞机的发展史。通过对航天飞机的发展进程，探究航天飞机发展中的历史必然性及偶然性。

航天飞机的产生本是一次大胆的创新，也是世界航空领域的重要进步，然而航天飞机的产生却从某种程度上对现阶段航空技术的发展产生了很大的阻碍。我组待解决的问题便是对航天飞机的发展进行分析，对此得出客观准确的评价。

1 航天飞机的初步认识

1.1什么是航天飞机

航天飞机（Space Shuttle，又称为太空梭或太空穿梭机）是可重复使用的、往返于太空和地面之间的航天器，结合了飞机与航天器的性质。它既能代表运载火箭把人造卫星等航天器送入太空，也能像载人飞船那样在轨道上运行，还能像飞机那样在大气层中滑翔着陆。航天飞机为人类自由进出太空提供了很好的工具，它大大降低航天活动的费用，是航天史上的一个重要里程碑。

1.2 航天飞机的基本构造

1.2.1基本组成部分

航天飞机是一种借助外挂助推器垂直起飞、自身可以水平降落的载人航天器，它以火箭发动机为动力发射到太空，能在轨道上运行，且可以往返于地球表面和近地轨道之间，可部分重复使用的航天器。它由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成。

1.2.2外部燃料箱

外表为铁锈颜色，主要由前部液氧箱、后部液氢箱以及连接前后两箱的箱间段组成。外部燃料箱负责为航天飞机的3台主发动机提供燃料。外部燃料箱是航天飞机三大模块中唯一不能重复使用的部分，发射后约8.5分钟，燃料耗尽，外部燃料箱便被坠入到大洋中。

1.2.3火箭助推器

这对火箭助推器中装有助推燃料，平行安装在外部燃料箱的两侧，为航天飞机垂直起飞和飞出大气层进入轨道，提供额外推力。在发射后的头两分钟内，与航天飞机的主发动机一同工作，到达一定高度后，与航天飞机分离，前锥段里降落伞系统启动，使其降落在大西洋上，可回收重复使用。

1.2.4轨道器

即航天飞机本身，它是整个系统的核心部分。轨道器是整个系统中惟一可以载人的、真正在地球轨道上飞行的部件，它很像一架大型的三角翼飞机。它的全长37.24m，起落架放下时高17.27m；三角形后掠机翼的最大翼展23.97m；不带有效载荷时质量68t，飞行结束后，携带有效载荷着陆的轨道器质量可达87t 。它所经历的飞行过程及其环境比现代飞机要恶劣得多，它既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速和水平着陆的气动外形，又要有承受载人大气层时高温气动加热的防热系统。因此，它是整个航天飞机系统中，设计最困难，结构最复杂，遇到的问题最多的部分

2 美国航天飞机的发展历史

2.1 20世纪美航天飞机的发展

1981年4月12日，第一架航天飞机哥伦比亚号航天飞机发射，宇航员约翰·杨和克里平揭开了航天史上新的一页。

从1981年至1993年底，美国一共有5架航天飞机进行了79次飞行，其中哥伦比亚号航天飞机15次，挑战者号10次，发现者号17次，亚特兰蒂斯号12次，奋进号25次。每次载宇航员2至8名，飞行时间从2天到14天。在12年中，已有301人次参加航天飞机飞行，其中包括18名女宇航员。航天飞机的59次飞行中，在太空施放卫星50多颗，载2座空间站到太空轨道，发射了3个宇宙探测器，1个空间望远镜和1个γ射线探测器，进行了卫星空间回收和空间修理，开展了一系列科学实验活动，取得了丰硕的探测实验成果。美国航天飞机创造了许多航天新纪录。

2.2 21世纪美航天飞机的发展

2003年2月1日，“哥伦比亚”号在返回地面过程中于空中解体，成为继“挑战者”之后的第二艘失事的航天飞机。

2005年8月9日，美国“发现”号航天飞机在美国加利福尼亚州的爱德华兹空军基地安全降落，结束了长达14天的太空之旅。这是自“哥伦比亚”号航天飞机失事后，美国航天飞机首次顺利地重返太空，并且平安回家。

2006年17日，发现号航天飞机在佛罗里达州肯尼迪航天中心成功着陆。此次发现号顺利完成国际空间站维修和建设任务，并为国际空间站送去一名宇航员。

2009年，美国东部时间5月11日下午2时左右，美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，机上7名宇航员将对哈勃太空望远镜进行最后一次维护。美国西部时间24日8时39分，“亚特兰蒂斯”号航天飞机载着7名宇航员安全降落在加利福尼亚州爱德华兹空军基地，圆满完成了对哈勃太空望远镜最后一次维护的飞行任务

2009年7月15日（北京时间16日6时3分），美国“奋进”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心成功升空，启程前往国际空间站日本舱安装最后一个组件。

2009年8月，美国东部时间28日23时59分（北京时间29日11时59分），美国“发现”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。“发现”号搭载7名宇航员，从肯尼迪航天中心发射升空前往国际空间站，运送数吨的补给和设备。此前，“发现”号的发射已三次被延迟。25日因为天气状况推迟，随后于26和28日两度推迟，主要原因是装有液体氢的燃料箱阀门出现问题。

2009年9月美国东部时间11日晚间7时47分(北京时间12日上午7时47分)发现号开始点火进行变轨，于当天晚间8时53分(北京时间12日上午8时53分)在爱德华兹空军基地安全着陆。

2010年美国东部时间4月5日早上6点21分(北京时间18时21分)，美国“发现号”航天飞机顺利发射升空，携带7名宇航员前往国际空间站。此次“发现号”除载有4名男性宇航员外，还携带有3名女性宇航员，将在国际空间站与1名女性宇航员会合，创造史上上太空的女性宇航员人数最多的纪录，达到4人。

2011年2月24日美国“发现”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，前往国际空间站，服役近27年的“发现”号将最后一次执行飞行任务。

2011年7月21日美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机于美国东部时间21日晨5时57分(北京时间21日17时57分) 在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，结束其“谢幕之旅”，这意味着美国30年航天飞机时代宣告终结。

3 航天飞机的“弊”

3.1 航天飞机的经费负担

美国起初对航天飞机计划的预算为430亿美元（换算为2011年的美元价格），每次发射费用预计为5400万美元，但由于航天飞机系统过于复杂（机身超过250万个零件），技术和系统维护需要大量的人力物力，这一计划远远超出预算。截止2011年的统计显示，航天飞机计划共花费1960亿美元，其中每架航天飞机的造价约为120亿美元，单次发射的费用约为4.5亿美元（超预算近十倍），而一次性使用的宇宙飞船造价也仅为2-3亿美元。

2005年美国宇航局近30%的经费，约50亿美元，都花在航天飞机上，2006年这一数字下降为43亿美元，其中航天飞机的地面维护占了很大的比重。2004至2006年间，因为哥伦比亚号事故，航天飞机仅仅发射了3次，但美国宇航局仍为此计划花费了130亿美元。

3.2 航天飞机的劣势分析

第一个是可靠性非常低，这是被事实证明了的。由于可靠性不足，导致航天飞机必须投入大量人力物力进行维护，结果是航天飞机的发射费用远远高于火箭，而发射频率却远远低于火箭。

相反，目前火箭技术非常成熟，可靠性，安全性已经很高。

第二个是可重复使用。本来可重复使用是航天飞机最大的优势，但是由于航天飞机的可靠性不足，导致可重复使用带来的缺点被严重放大了。那就是航天飞机需要把更多的重量发射到太空中去。一架航天飞机只有三分之一左右的重量是执行任务必须的有效载荷，其他重量都要返回地球。而火箭发射到轨道的重量几乎都是有用的。

第三是必须载人，在这一点上美国航天飞机不如苏联的暴风雪号，因为暴风雪号可以实现无人飞行。现实的问题是，航天发射的任务中绝大多数都不需要人去参与，用搭载机器人的卫星或飞船可以完成99%以上的航天任务。而航天飞机又必须把人一起送上去，这就毫无必要的增加了飞行的成本和风险。

4 航天飞机的探索的意义与启示

在某种意义上，航天飞机是个遗憾的技术产物，一些设计远没达到原定目的，甚至相反。

因为设计初衷没有实现，所以有：

1.研制航天飞机是为了降低成本，为此设计了可重复使用的轨道器和固体助推火箭，而不像运载火箭和宇宙飞船都是一次性使用。然而实践证明，由于航天飞机要求可重复使用，因此航天飞机返回地面以后要进行大量费时费力的维修工作，从而使每次发射费用高达4亿—5亿美元。

2.美国宇航局原来设想航天飞机比宇宙飞船更安全，因为航天飞机是人类第一次把航天与航空技术高度有机结合的创举，有很大机翼的航天飞机可准确地滑翔降落到预定的跑道上。然而实际上，由于体积庞大、结构复杂，发射航天飞机轨道器只能与外贮燃料箱并联在一起，所以它并不安全。

3.原来以为航天飞机能像民航客机一样，每次返回后进行简单维修就可再次发射，并乐观地估计每1—2周就能进行一次发射，1年能发射24次。但实际上由于每架航天飞机发射完以后维修量很大，所以发射时间间隔也很长，一般情况下航天飞机每年仅能进行5—6架次的发射。

回顾航天飞机发展的现代意义：

相比较而言，中国使用神舟飞船来开展载人航天，火箭和飞船都是一次使用，而且实行人货分离，是一条完全正确的道路，也是一个富有智慧的选择。美国如今集中有限资源，致力于提高火箭推进系统的速度和运载能力，把目标放在深空探索上，思路也是正确的。不过，国际金融危机后，美国遭遇了严重的资金困难，政府债台高筑，赤字居高不下，美国未来的太空探索项目能否顺利实施，还是一个未知数。

5 结论

我组的这次研究课题，较全面的了解了航天飞机的历史，简单的理解了航天飞机的构造，通过对其的分析，我组发现航天飞机存在的三点弊端使它退出国际航天舞台。我们希望中国航天事业发展能够脚踏实地的从实际科技水平与经济水平出发，从航天飞机的历程中吸取经验，从而创造辉煌的成就。

我组对航天飞机的探讨过程中，既更深层次的扩展了成员的知识面，又将我们对航天的热爱通过每个人的努力而变得更加深切。今后我组成员仍应继续深入探究航天事业的发展过程，并更加关注国际最新的航空航天领域的建树。

完。