太空梭（）又称-{zh-cn:太空梭;zh-sg:航天飞机;zh-tw:航天飛機}-，是美国国家航空航天局（NASA）於1981至2011年运作的近地轨道航天器系統，有一定重复使用空-{}-间，也是美國太空梭計劃的核心。太空梭是1969年美國太空運輸系統計劃方案中唯一获资助的项目，太空梭系統的正式名称繼承自該計劃，為“太空運輸系統”（，简称STS）。
航天飞机在1981年起先後進行四次轨道测试飞行，首次為STS-1；到1982年开始执行正式的飞行任务，首次為STS-5。美国共制作五架完整的航天飞机轨道器（挑戰者號、哥倫比亞號、發現號、亞特蘭提斯號和奮進號），并在前后三十余年间执行135次任务，每次都是从佛罗里达州的肯尼迪航天中心起飞。除发射哈勃空间望远镜、多枚人造衛星和空间探测器外，航天飞机执行的任务还包括進行轨道科学实验，及参与国际空间站的建设和维护。航天飞机退役前的最後一次任務為2011年的STS-135，所有航天飞机的任务总时长为1322天19小时21分23秒。
航天飞机的部件包括：三个洛克达因RS-25发动机和兩个OMS發動機的轨道飞行器；一对可回收的固体火箭助推器；属消耗品、用于存放液氢和液氧的外储箱。航天飞机是可重复使用的航天器，两个固体火箭助推器和轨道器上由外储箱提供燃料的三个主发动机就像常规火箭一样并行操作。固体火箭助推器在航天器抵达轨道前分离；外储箱在即将入轨时分离；入轨机动由轨道器的两个轨道机动发动机完成。在任务完成后，轨道器将会启动轨道机动发动机脱离轨道并返回大气层。再入期间，轨道器会受到隔热瓦保护，最后经过滑行像太空飛機一样在跑道着陆。航天飞机大多数着陆点是佛罗里达州肯尼迪航天中心的航天飞机着陆设施或加利福尼亚州爱德华兹空军基地的罗杰斯干湖。轨道器在爱德华兹空军基地着陆后，会用波音747特别改装后的航天飞机运输飞机送回肯尼迪航天中心。
1976年制成的“企业号”是第一个轨道器，但并没有实际的轨道飞行能力，只能用于进近与着陆测试。起初建造的全功能轨道器共有四架，分别是“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号”和“亚特兰提斯号”，其中“挑战者号”和“哥伦比亚号”分因1986年和2003年的任务事故损毁，导致14名宇航员丧生。1991年，美国建造第五架可运作轨道器“奋进号”，用于代替“挑战者号”。2011年7月21日，“亚特兰提斯号”完成最后一次飞行任务后，航天飞机从此宣告全部退役。此后，美国长年依靠俄罗斯联盟号宇宙飞船将宇航员送上国际太空站，直至2020年5月30日的商业航天员计划首飞时止。
设计和发展
历史背景
美国空军在20世纪50年代提议用配备飞行员且可重复使用的滑翔器执行军事任务，如侦察、卫星攻击和空对地武器攻击等。50年代末，空军开始发展有一定重复使用空间的X-20试验机。1961年，空军同美国国家航空航天局在试验机项目合作并训练六名飞行员。由于开发成本不断上升，而且双子座计划更加优先，试验机项目于1963年12月取消。空军还曾于1957年开展研究，检测是否能重复使用助推器，这些研究成为航空航天飞机的基石。1962至1963年的初步设计阶段尚未涉及能完全重复使用的航天器。
美国国家航空航天局还从20世纪50年代初开始同空军合作开发舉升體，测试主要通过机身而非机翼产生升力的飞行器，测试项目包括M2-F1、M2-F2、M2-F3、HL-10，以及X-24A和X-24B试验机。项目测试的空气动力学特征后来纳入航天飞机设计，如高空高速无动力着陆等。
设计过程
1966年9月，美国国家航空航天局和空军发布联合研究结论，为满足将来需求研发的新型航天器最好能够实现部分再利用来节省成本
1968年12月，航空航天局成立航天飞机任务组负责确定可重复使用航天器的最佳设计，通用动力、洛克希德公司、麦克唐纳-道格拉斯公司和北美罗克韦尔拿到研究合同。1969年7月，航天飞机任务组发布报告，认为航天飞机可用于短期载人飞行和空间站任务，也能用于发射、维护和回收人造卫星。报告还将未来的可重复使用航天飞机分成三类：第一类是把可重复使用的轨道器装上一次使用助推器；第二类采用多个一次使用运载火箭的发动机与单个推进剂储存箱；第三类的轨道器和助推器都能重复使用。1969年9月，美国副总统斯皮罗·阿格纽领导的太空任务组发布报告，呼吁开发可运送人员和货物到近地轨道的航天飞机，能在轨道和月球间传输的太空拖船，以及用于深空旅行的可重复使用核上面级。但美国空军飞行动力学实验室指出，直翼设计无法承受再入时的极高热力和空气应力，而且功能单一，不能实现提供多种功能的设计目标。此外，空军需要的有效载荷能力业已超出法格设计所限。1971年1月，航空航天局与空军高层确定，航天飞机的最佳设计方案是三角翼轨道飞行器和消耗型推进剂储存箱。罗克韦尔制出“098号主推进试验品”，是附在外储箱上的结构桁架，带有三个航天飞机主发动机，并在国家空间技术实验室测试确保发动机能安全完成发射过程。
航天飞机主发动机开始开发的时间比预订延迟九个月，同时普惠公司质疑洛克达因公司为何能拿到合同。首个可重复使用变推力发动机的开发过程遇到许多问题，第一台直到1975年3月才完成。发动机测试期间有多个喷嘴故障，甚至出现涡轮叶片断裂，但航空航天局还是向洛克达因订购三架轨道器所需的九台发动机，这些发动机从1978年5月开始制作。航空航天局与空军合作，使用卫星拍摄“哥伦比亚号”机底照片，确定没有损伤
航天飞机详解
航天飞机是历史上第一种可操作且可重复使用的轨道航天器，每个航天飞机轨道器的设计使用寿命都有十年，能发射一百次，而且后来还得以延长。发射时的航天飞机主要包括三大部分，分别是载有人员和有效载荷的轨道器，外储箱和两个固体助推器。
航空航天局和空军各机构分别负责航空飞机任务的不同领域。肯尼迪航天中心负责赤道轨道任务的发射、着陆和周转操作（所有任务都在此发射）；空军下属的范登堡空軍基地负责极轨道任务的发射、着陆和周转（从未使用）；林顿·约翰逊太空中心负责所有航天飞机运作的指挥协调，馬歇爾太空飛行中心负责主发动机、外储箱和固体助推器，斯坦尼斯航天中心负责测试主发动机，戈达德太空飞行中心管理全球测控网。
轨道器
”、“挑战者号”、“发现号”、“亚特兰提斯号”和“奋进号”]]
轨道器包含火箭和飞行器双重设计元素，既能像火箭般垂直发射，又能像滑翔机一样着陆
航天飞机任务通常会携带便携式通用支持计算机，能够与轨道器的计算机和通讯套件集成，并监控科学和负载数据。早期任务携带的Grid Compass和便携式通用支持计算机都是历史上很早的笔记本电脑，之后的任务开始采用苹果公司和英特尔的笔记本电脑。
货仓
在STS-61任务期间连接遥控机械臂维护哈勃空间望远镜]]
货舱占据轨道器的大部分机身，为航天飞机有效载荷提供货运空间。货舱长18米，宽4.6米，能容纳直径最大为4.6米的圆柱形负载。货舱两边各铰接两扇舱门，提供相对气密的密封空间，能在起飞和再入时防止货物因高温损坏。舱内货物在縱樑的附着口上固定，舱门还能用于散发轨道器的热量，抵达轨道时就能打开来排热。
航天飞机主发动机
和两个轨道机动系统模块]]
航天飞机主发动机共有三台，又称“RS-25”发动机，位于轨道器机身尾部并呈三角形排列。轨道器上升期间，发动机的俯仰角能偏移±10.5°，偏航角偏移±8.5°来改变推力方向，进而调整航天飞机朝向。发动机使用钛合金制作且能重复使用，而且与轨道器独立，能在着陆后拆除和替换。“RS-25”属分级燃烧循环低温发动机，使用液氧和液氢为燃料，燃烧室压比过去任何液体火箭都高。原配发动机的主燃烧室能在最大226.5巴的压力下运作。发动机喷嘴高287厘米，内径229厘米，采用1080条液氢内部管线冷却，并由绝缘和烧蚀材料隔热。。每枚固体助推器高45米，宽3.7米，重68吨，钢质外壳约厚13毫米。固体助推器由固体推进剂发动机、鼻锥和火箭喷嘴组成，其中固体推进剂发动机占据绝大部分机体，由11钢壳组成，内含四截药柱；鼻锥装有分离发动机和降落伞系统，用于分离后的地面回收；火箭喷嘴能向各方向转动最多8°，以提供飞行调整功能。。航天飞机运输飞机是两架改装的波音747，能负上轨道器飞行。第一架航天飞机运输飞机编号“N905NA”，于1975年首飞，用于执行进近与着陆测试，并且1991年前每次发射任务都是她从爱德华兹空军基地把轨道器运到肯尼迪航天中心。第二架航天飞机运输飞机编号“N911NA”，于1988年收购，首次任务是把“奋进号”从工厂送到肯尼迪航天中心。航天飞机退役后，“N905NA”放在林顿·约翰逊太空中心展览，“N911NA”在加利福尼亚州棕榈谷的乔·戴维斯遗产空中公园展示。机组人员运输车是由机场旅客运输车改装，在轨道器着陆后带宇航员离开。航天飞机发射当天，宇航员从操作与测试大楼的机组人员宿舍乘宇航员转送车前往发射平台。NASA铁路拥有三台机车，用于将固体助推器各截药柱分别从泰特斯维尔通过佛罗里达东海岸铁路运到肯尼迪航天中心。
任务简介
发射准备
任务准备]]
航天飞机发射前基本是在肯尼迪航天中心的航天器装配大楼完成准备。固体助推器在移动发射平台装配并附上外储箱，轨道器在轨道器处理设施装好后运到航天器装配大楼，再用起重机转至头部朝上的垂直方向并与外储箱配对。航天飞机不会在可能遭雷击时发射，因为发射后产生的尾烟可传导电流、引发雷击，阿波罗12号就曾遇到这种情况。航空航天局还规定，航空飞机不能在发射点方圆19公里范围出现砧状云时发射。航天飞机发射气象官员保持监测气象条件，直至发射的最终决定下达。除发射点的天气外，航天飞机意外中止时至少要有一个跨大西洋中止着陆场和固体助推器的回收点天气在可接受范围。
发射
任务机组人员和发射控制中心工作人员在倒计时期间完成系统检查。根据预置计划，发射前20分钟和九分钟各有一次休息时间，用于解决各种问题和其他准备工作。发射前十秒，每个喷管下方的氢点火器启动，用于在点火前清除锥形喷气孔内部残留的氢气。如果这些气体没有燃掉，机载传感器可能跳闸，还可能在点火前导致航天飞机超压和爆炸。发射前9.5秒，液氢罐前阀打开，准备启动发动机。。发射前6.6秒至3秒期间，主发动机刚刚点火但固体助推器还用螺栓固定在发射台上，抵消的推力令航天飞机向外储箱方向倾斜65厘米，然后有三秒钟时间确保航天飞机各主要部件在固体助推器点火前基本恢复垂直。倒计时结束时，用于固定助推器的八个爆炸螺栓引爆，最后的连接断开，主发动机达到100%推力同时固体助推器点火。0.23秒后，固体助推器已积累升空所需的足够推力，燃烧室压在发射0.6秒后达到最大值。此外，林顿·约翰逊太空中心在发射时开始从发射控制中心接手飞行控制权。现场连接空调和氟利昂管线，为人员和设备降温，消除再入产生的多余热量。
预算
估计航空航天局为航天飞机计划投入的预算总额为2210亿美元设计工程师曾一再警告，没有足够证据表明O形环在温度低于12°C时仍能保证密封效果，但被航空航天局高管置若罔闻；航空航天局高管也没有考虑出动“亚特兰提斯号”派宇航员修理“哥伦比亚号”或营救机上人员。
批评
航天飞机在开发初期就包括部分可重复使用的主要设计要求航天飞机最初打算用作部署卫星的发射航天器，“挑战者号”失事前也的确如此。航空航天局的定价低于一次性使用发射航天器，而且低于实际成本，本期望通过大量执行航天飞机任务弥补早期经济损失。但随着一次使用运载火箭的改善，以及“挑战者号”失事导致许多商业货物改用一次使用运载火箭运送，最终卫星布署也开始以一次使用运载火箭为主。航空航天局工程师和管理人员早期的安全分析结果称，发生重大事故导致人员伤亡的几率在前一百次发射期间仅有十万分之一。两架航天飞机失事后，初始任务风险经过重新评估，重大事故导致人员丧生或轨道器损毁的几率高达一比九。外界谴责航空航天局管理层为提高任务频率不惜以加大机组人员人身安全风险为代价。“挑战者号”和“哥伦比亚号”的事故报告都表明，航空航天局存在不能客观评估任务潜在风险以确保机组人员安全的文化。
退役
航天飞机退役计划在2004年1月公布。为确保国际空间站妥善装配，参与建设各方于2006年3月确定接下来还需要16次装配任务。
每个轨道器完成最后一次飞行后都经过处理，能够安全展示。轨道机动系统和反推力系统使用的自燃推进剂对人体有毒，是轨道器展示的主要风险来源，两系统的绝大部分零件均已永久移除，防止任何危险排气的可能。。1986年电影《突破二十五马赫》讲述“亚特兰提斯号”意外发射升空，机上的美国太空夏令营师生不得不充当机组人员。2013年电影《地心引力》虚构“探险家号”航天飞机执行STS-157任务，但因遭遇轨道上高速飞行的太空垃圾导致机毁人亡。樂高推出航天飞机模型。飞行模拟器和太空飞行模拟器游戏中同样可见航天飞机的身影，如《微软太空模拟器》、《轨道器》和《航天飞机任务2007》。美国邮政署已发行多种描绘航天飞机的邮票，其中首枚于1981年面世，现在国家邮政博物馆展出。
参见
- 暴風雪號穿梭機
- 载人飞船
注释
参考资料
外部链接
- [https://science.howstuffworks.com/space-shuttle.htm 航天飞机如何运行]
- [https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19810022734/downloads/19810022734.pdf 1981年美国国家航空航天局航天飞机新闻参考]
- [https://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/main/index.html 美国国家航空航天局载人航天：航天飞机]
- [https://www.nationalgeographic.com/news/2012/4/120416-nasa-space-shuttle-discovery-smithsonian-360-tour-panorama-science/ 《国家地理》：航天飞机内外360度全景高清图像]
评论 (0)