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航天飞机

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航天飞机是把通常的火箭、宇宙飞船和飞机的技术结合起来的一种新型运载工具,它最主要的特点是能够像客货运班机一样,在宇宙航行中往返使用多次。关于航天飞机的研制工作虽然迟至70年代才大力展开,但早在50多年前,一批先驱者已认识到了它的优越性,并做了大量工作。
20世纪初,在齐奥尔科夫斯基、哥达德和奥伯茨为一次性火箭奠定理论基础并进行实验的同时,对于宇航工具就存在着一种截然不同的设想:运载工具不仅要飞离地球,而且要能回到地球,即可以重复使用。虽然可多次使用的运载工具有很多优越性,但却仅仅留在纸面上,首先付诸实施并获得巨大成就的还是一次性使用的火箭。这是因为可多次使用的运载器的研制要困难得多。此外,多次使用这个优点,对于兵器技术没有什么吸引力,因为在军事上这并不十分重要。但利用可重复使用运载器飞向空间的想法却从来没有放弃过。
60年代至70年代,由于使用一次性火箭耗费太大,于是人们迫切要求研制可多次使用的廉价运载工具。到60年代末,人类已经掌握了洲际导弹、载人登月和大型喷气客机等技术,研制航天飞机的技术条件成熟了。美国在1968年就开始了航天飞机方案的讨论,先后提出了许多方案。1970年7月正式开始研制,具体方案经过多次修改,到1976年2月才基本确定下来,这就是哥伦比亚航天飞机方案。哥伦比亚航天飞机主要包括三部分:轨道器、助推火箭和推进剂外贮箱。总长度为56米,机重2000吨。轨道器是航天飞机的主体,可以载人和有效载荷。轨道分前、中、后三段,前段乘人,中段可以容纳人造卫星和各种仪器设备,后段装有三台使用液体燃料的主发动机,推力为510吨。两个固体燃料助推火箭重580吨,推力为1315吨。
推进剂外贮箱内前后两个贮箱分别装液氢和液氧,为轨道器的主发动机提供燃料。哥伦比亚号的整个飞行过程可分为上升、轨道飞行和返回三个阶段。发射时助推火箭和主发动机同时点火,航天飞机垂直起飞,当飞到50千米高时,助推火箭熄火,同轨道器自动分离。在快要进入绕地球运行的轨道时,主发动机熄火。接着由两台发动机提供推力,使轨道器进入地球轨道,至此上升阶段结束,轨道器绕地球开始无动力飞行,乘员执行各种任务。任务完成后开始返回阶段。
机动发动机再次点火,进行制动减速,使轨道器脱离运行轨道,重新进入大气层,在大气中摩擦减速。这时轨道器变成了一架重型滑翔机,机翼成了决定性的器件,使它完成最后着陆阶段的滑翔飞行。在机场着陆时的速度为每小时341~346千米。1981年4月12日,美国航天飞机哥伦比亚号载着两名宇航员首次试飞,经过54个半小时的飞行,绕地球36周后于14日安全着陆。继第一次试飞成功之后,哥伦比亚号航天飞机又成功地进行了三次试飞,对系统的各种性能进行全面的试验。1982年11月11日,哥伦比亚号航天飞机正式开航。
它携带宇航员成功地在空间将两颗卫星发射到预定的地球同步轨道位置上,从而开创了商业性空间运输的新纪元。继哥伦比亚号之后,1983年美国第二架航天飞机挑战者号也试飞成功。航天飞机的出现是航天事业中的一场革命,航天飞机和大型空间站将是航天新时代的标志。

航天飞机具有人造地球卫星、货运飞船、载人飞船的功能.能向近地轨道和高轨道发射卫星,从轨道上捕捉、维修、回收卫星,向空间站运送物资,还能在航天飞机上完成许多科学实验.人类从1972年开始,已有许多次成功的飞行.

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  • 名称:航天飞机
  • 制造商:罗克韦尔公司
  • 发射日期:1981年4月12日

航天飞机是一部复杂的机器,它有着火箭、宇宙飞船和滑翔机的功能,这一切的正常运行都在计算机的控制之中,几乎都是自动运行.倘若出现异常情况,也可以人工操作,当然这比开飞机要复杂得多.

【奋进号的最后一次发射】

结构尺寸

  • 56米×8.7米(183英尺×28.5英尺)

  航天飞机是世界上第一种可重复使用的航天运输工具,现在几乎完全供国际空间站的建造使用。航天飞机的最后一次飞行预计于2010年进行。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,是航天史上的一个重要里程碑。

航天飞机的主体象飞机一样,外形为三角形机翼的滑翔机,表面有可承受1500℃高温的防热隔热材料.在航天飞机身后段的舱内有三台主发动机,主发动机为液体火箭发动机,其中燃料为氢[H2],氧化剂为氧[O2].由于启动阶段需要,在机身后面有一个体积庞大的存贮箱,里面是液氢和液氧.在这个存贮箱的两侧是固体火箭助推器,使用的是新型的固体推动剂,主要为航天飞机垂直起飞提供主要能量.助推器和存贮箱在航天飞机起飞后将依次脱离,固体燃料火箭助推器回收重复使用,外挂液氢液氧存贮箱脱离后在大气中焚毁.

随着奋进号航天飞机的最后一次发射,以及7月亚特兰蒂斯号的最后一次航天任务后,航天飞机的时代就此终结。美国国家航空航天局(NASA)官方最近宣布了代替航天飞机的新方案:多用途载人飞船(MPCV)。

结构特点研制历程

航天飞机的发射是由三个主发动机和两个外挂固体燃料助推器来驱动的.主发动机点火后助推器也点火,但主发动机的一切受控制中心电脑监控,而外助推器是自行运转,它只在航天飞机启动时服务,大约2分钟[2min]航天飞机的速度超过音速数倍后,两外挂固体燃料火箭推进器就与航天飞机脱离了.三个主发动机继续工作,大约8分钟[8min]以后主发动机关闭,航天飞机的时速达到2.8万公里[2.8×104km/h],高度为109公里[109km].这时航天飞机还在一个很扁的椭圆形轨道上运动,轨道的近地点距地面较近,还有可能落回到大气层中.为了使航天飞机处于稳定状态,在航天飞机上还装配有两个轨道操作系统的发动机,它也是液体发动机,使用的燃料是甲基联氨[N2H3CH3],氧化剂为四氧化氮[N2O4].当航天飞机处于近地点时,轨道发动机点火,将航天飞机送到大约296公里[296km]高空,这时轨道变得圆了起来,同时发射启动阶段方告完成.

这个刚被定名为MPCV的机器,基于猎户座号载人飞船时的设计,更注重安全,并在负载能力和容积上节约成本。似乎NASA完全放弃了带翼航天飞机,转而继续发展阿波罗式空间飞行器了。

结构特点

航天飞机的基组成员为7人,位于机首的位置。它的有效载荷舱能够容纳一颗或两颗卫星、科学实验设备或压力舱(包括太空实验室、Spacehab货舱或多用途后勤舱)。典型的航天飞机任务时间为12~14天。在完成任务后,航天飞机作为没有动力的滑翔机降落在佛罗里达州或加利福尼亚州。

发射时的推力由两部捆绑式助推器提供,这两部助推器是世界上最大的固体燃料火箭发动机。3部液体燃料航天飞机主发动机由一个外挂的燃料箱供应燃料,这个燃料箱随后将脱离。最后将使用轨道机动系统来进入近地轨道。

航天飞机升空进入轨道后,根据需要完成的各种任务,以及轨道调整、姿势调整等都要靠排列在航天飞机的三个主轴上,有正方向有反方向的共计44枚小火箭来完成.在宇宙空间没有大气,没有摩擦,因此航天飞机的每一个动作每一个姿势的改变都需要两个阶段来完成,首先使航天飞机动起来,然后使它停下来,当然这些都是由电脑控制自动完成的,也就是说根据需要先启动哪个或哪些小火箭,按怎样的顺序,以及启动时间的长短都是自动化的电脑控制.在轨道上,除了需要动作,即各种工作、调整、变轨时起用小火箭外,航天飞机在太空中象卫星一样绕着地球运转,也不需要消耗能量.对航天飞机来说就停在地面上一样.

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研制历程

美国先后建造了6架航天飞机,其中包括“企业”号测试飞行器。“挑战者”号是美国建造的第2架航天飞机,在1986年1月28日发射升空后71秒坠毁,原因是一部固态火箭推进器高温气体泄漏引起燃料箱爆炸。经过重新设计的航天飞机有效载荷从原来的27850千克(61270磅)减少到了24400千克(53700磅)。最早的“哥伦比亚”号航天飞机于2003年2月1日重入大气层时解体。目前还在使用的航天飞机有“发现”号、“亚特兰蒂斯”号和“奋进”号。

航天飞机在飞行结束时,就要返回地球.这一过程基本上不再使用燃料发动机,航天飞机返回大气层中,就象一个滑翔机一样,确切地说是一个超音速滑翔机,这一阶段主要是保持一个平衡稳定的姿势,使航天飞机的飞翔能符合空气动力学原理,这些都是由电脑指挥小火箭来完成的,而这时小火箭的喷射是很少量的.在返回过程还要解决的问题是和大气摩擦,产生大量的热,所以表面有防热隔热材料.当航天飞机的速度减到低于音速时,飞行员才开始人工掌握操纵杆,完成接近轨道和着陆任务.刚着陆时飞机的时速为370公里[370km/h],同时飞行员打开降落伞,使航天飞机很快减速和稳定着陆.

【MPCV结构图,这整个结构都安装在火箭顶端】

航天飞机是一部非常复杂的机器,上面我们只简单介绍了一些有关知识,不过我们都知道在航天飞机上电脑控制系统是非常复杂的,还要有由电脑指挥完成各种任务的电气系统、液压系统、监控系统等等.另外还要考虑到当电脑或别的系统失常时的应急情况和飞行员的生活情况等问题.所以航天飞机不仅是一个复杂的机器,同时还是一个科技含量很高的机器.

洛克希德•马丁公司设计的猎户座号飞船结构像三明治一样,中间的载人模块被夹在发射终止模块、服务模块和适配系统之间。这些被整个安装在战神号火箭顶端,发射到宇宙中。

不同于旧的阿波罗号,MPCV拥有19.5立方米密封仓,其中9立方米为宽敞的居住空间。MPCV可以携带四名宇航员执行任务,并维持正常生活供给达21天。之前的猎户座号可以容纳6名宇航员,而老式航天飞机通常可以乘载6-8人。

相比于庞大的航天飞机,MPCV将只能携带较小的项目上天,也不能用于发射大型人造卫星,或者国际空间站的零件,当然它还是可以和空间站进行对接的。

新系统相对于现有的航天飞机来说,主要好处是安全提升与成本的极大降低。(在发射与升空阶段大约安全10倍。)但最大的优势也许还是在于它能做到航天飞机做不到的项目:脱离近地轨道。

航天飞机被限制于近地轨道上,无法飞得比那些绕地运行的空间站更远。从猎户座号到MPCV的改进是很重要的。MPCV不仅将提供一个新选择,取代以往用联盟号把人员和货物送到国际空间站的方案,同时也能作为一个向宇宙更深处发射的平台。

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【飞向更广袤宇宙的梦想一直都没有改变】

如NASA的星座项目计划里所列出的那样,奥巴马政府希望把一些常规的货物与人员的地空运输工作交给一些像SpaceX这样的私人公司来做,而NASA则专注于更深层次的空间任务,包括火星航行等。

MPCV将不会成为把宇航员们送上火星的载具,尽管它的一些改良版本可能会陪伴上月球。但它会成为未来的一个发展方向,火星登陆舰将满载船员与物资,安全到达火星,并且返回。

最后,这个载人器看起来没有航天飞机那么性感,但面临私人公司在近地空间旅行上的巨大竞争压力,这是一个确保宇航员们依然使用自家设计制造的飞行器进入太空的务实方案。

不过也许我们可以起个更好听的名字吧,NASA?

图片和消息来源:
Gizmodo