雄鹰亦有折翼时-航天飞机退役原因简析.docx

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雄鹰亦有折翼时

航天飞机退役原因简析

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智浩

虽然美国航天飞机铸就了巨大的辉煌，但是它将在2011年发射3架次后退役，这是为什么呢？

千方百计难圆满

为了极大提高运输能力，航天飞机当初被设计得很复杂。它里面有3500个重要的分系统和250万个零部件，只要其中的1个重要分系统或关键零部件失灵，就有可能导致重大事故。

另外，为了可重复使用，以降低发射成本，其轨道器既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速飞行和水平着陆的复杂气动外形，又要有能承受再人大气层时高温气动加热的防热系统，并在世界上首次装备了可重复使用50次的主发动机。这些都大大增加了航天飞机研制的技术难度和风险。

还有，由于技术上的限制，在运载能力和结构安排出现矛盾时，美国航宇局选择了把轨道器与外贮箱平行放置的并联方案，而没有选择把轨道器置于火箭顶部这一较安全的串联方案，目的是保证轨道器的容积和降低费用。这也大大增加了航天飞机的危险性。

其实，很早就有人对航天飞机的安全性提出过批评。一是航天飞机是人货混用，而不是像宇宙飞船那样分载人飞船和货运飞船，所以用航天飞机发射卫星时需有数名航天员陪着上天，这样做既不经济，也不安全；二是美国自认为其航天飞机可靠性极高，所以没有采取安全救生措施，因为安装救生设备很麻烦。

为了节省费用，当年在决策航天飞机方案时使用了较液体火箭助推器便宜但功能稍差的固体火箭助推器。这也是美国政治领导人与美国航宇局领导人在20世纪70年代初期相互“妥协的产物”。

最棘手的技术难关是航天飞机主发动机和机身表面防热系统。航天飞机主发动机单台最大推力达到210吨，比发射“阿波罗”的土星-5火箭上的J-2发动机增加了1倍多，并且推力在65%～109%之间连续调节，以适应航天飞机从发射到入轨整个过程不同阶段的不同要求，而且要能重复使用100次。它的燃烧室压力、喷管面积、工作时间、涡轮泵每秒向燃烧室内输送的液氢液氧等也比J-2发动机高好几倍。这些高性能要求对结构设计、材料选择、推进剂输送、发动机控制以及加工和制造都是极为困难的，为此，进行了大量的试验、长期的研制才满足了设计要求。

轨道器表面防热系统是另一个技术难题。因为用普通铝合金制成的轨道器外形太复杂，返回地面再人大气层时会产生极高的温度，为此，航天飞机采用了辐射式防热系统，设计人员根据轨道器返回时机身各处的热环境贴了3万多块4种不同类型的防热瓦。这4种防热瓦实际上是一些疏松、轻质而呈脆性的陶瓷材料．如高温防热瓦密度为0.14～0.35克／厘米3，由于其耐温高、隔热好、质量轻，高温下不发生物理和化学性能的破坏并可重复使用，作为航天飞机防热材料有其独特的优点。但是，它们的这些性能却给连接和承受力学载荷造成了很大的困难，留下了许多隐患。2003年，哥伦比亚号航天飞机就是因为在起飞时遭到外力撞击，结果导致防热瓦上出现裂缝，使得超高温气流乘虚而入，最终造成航天飞机解体。

一般返回式航天器（如返回式卫星、宇宙飞船）只使用一次，所以再人防热问题较易解决。而航天飞机外形复杂，又要重复使用，因此它在返回地面时，对周围空气的压缩和摩擦产生的高温高热的防护和处理问题很复杂，要求有适合大面积复杂构形的耐高温、抗冲刷、重量轻、能多次使用的高级防热材料，维修也应方便。由于在返回阶段，目前尚无专用的系统援救航天员，所以航天飞机返回比发射更危险，关键看轨道器防热系统是否遭到破坏。

不断改进保平安

美国刚开始研制并发射了4架航天飞机，即哥伦比亚号、挑战者号、发现号、阿特兰蒂斯号。1986年1月28日，美国挑战者号航天飞机升空时发生爆炸后，航天飞机的安全救生问题就摆上了极为重要的位置。美国对剩余的哥伦比亚号、发现号和阿特兰蒂斯号3架航天飞机进行了283项改进，它们包括重新设计和制造固体助推火箭发动机连接处垫圈，更新航天飞机的防热系统，提高主发动机的可靠性和工作寿命等等，其中最大的改进是吸取了血的教训，在轨道器上增添了航天员撤离滑梯，并配备了整套航天员逃逸系统，一旦发生意外，逃逸系统能在90～100秒内从空中弹射出去，它经海军伞兵66次跳出试验，结果是成功的。美国在非洲北部增设了2个迫降跑道，供航天飞机在发生事故时紧急迫降用；还改进了发射塔上的应急滑行吊篮和滑索系统，对发射场周围的温度、雷电等发射气象限制条件也制定了更加严格的标准。

为了填补挑战者号爆炸造成的空缺，保持航天飞机群的整体规模，美国于1987年开始耗资近30亿美元制造了1架新的航天飞机奋进号，并于1992年5月7日进行了首次发射。这架航天飞机在设计指标上有所改进，例如，在轨道器后部增加了1个低温贮箱，故能携带更多的燃料，使航天飞机在太空持续飞行28天左右；配备了一个直径13米的着陆减速伞，从而减少了着