重复使用航天器-航天飞机 - 鼎盛网

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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，即由可回收重复使用的固体火箭助推器，不回收的两个外挂燃料贮箱和可多次使用的轨道器三个部分组成。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，由波音747飞机驮着进行了机载试验。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。8月12日，载人在飞机上飞行试验圆满完成。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。
虽然世界上也有许多国家都陆续进行过航天飞机的开发，但只有美国与苏联实际成功发射并回收过这种交通工具。但由于苏联瓦解，相关的设备由哈萨克接收后，受限于没有足够经费维持运作使得整个太空计划停摆，因此全世界仅有美国的航天飞机机队可以实际使用并执行任务。
美国哥伦比亚号航天飞机总长约56米，翼展约24米，起飞重量约2040吨，起飞总推力达2800吨，自重68吨，能装运36吨重的货物。它的核心部分轨道器长37.2米，大体上与一架DC—9客机的大小相仿。每次飞行最多可载8名宇航员，飞行时间7至30天，轨道器可重复使用100次。航天飞机集火箭，卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器。
另外,太空游客也是航天员。乘坐飞船或者航天飞机上天的人都是航天员，也就是说这些人在上天前都已经具备了航天员的要求。在飞天之前，这些普通人都是经过严格的身体检查和长时间的正规的航天员培训，经考核合格的只是“太空游客”所承担的太空飞行任务不同，他是作为航天载荷任务专家参与飞行的，他与驾驶员、工程师的任务不同，所以对身体的要求相对低一些。航天飞机升空时的重量比火箭大许多，所以加速度较小，一般是3G(火箭是4-4.5G)。

美国航天飞机由轨道飞行器、外燃料箱和固体燃料火箭助推器三大部分组成。
轨道飞行器。简称轨道器，它是美国航天飞机最具代表性的部分，长37.24米，高17.27米，翼展29.79米。它的前段是航天员座舱，分上、中、下3层。上层为主舱，有飞行控制室、卧室、洗浴室、厨房、健身房兼贮物室，可容纳8人；中层为中舱，也是供航天员工作和休息的地方；下层为底舱，是设置冷气管道、风扇、水泵、油泵和存放废弃物等的地方。它的中段为货舱，是放置人造地球卫星、探测器和大型实验设备的地方，长18.3米，直径4.6米，可装载24吨物品进入太空，可载19.5吨物资从太空返回地面。货舱的上部可以像蚌壳一样张开。与货舱相连的还有加拿大制造的遥控机械臂，用于施放、回收人造地球卫星和探测器等航天器。在货舱中也可用上面级火箭将航天器发射到更高的轨道。在货舱中还可对回收的航天器进行修理。它的后段有垂直尾翼、三台主发动机和两台轨道机动发动机。主发动机在起飞时工作，它使用外挂燃料箱中的推进剂。每台可产生1668千牛的推力。在轨道器中段和后段外两侧是机翼。在轨道器的头部和机翼前缘，贴有约2万块防热瓦，保护轨道器在回返时不被气动加热产生的600－1500℃的高温所烧毁。在轨道器的头锥部和尾部内，还有用于轻微轨道调整的小发动机，共44台。外挂燃料箱。简称外贮箱，长46.2米，直径8.25米，能装700多吨液氢液氧推进剂，它与轨道器相连。固体火箭助推器。共两枚，连接在外贮箱两侧上，长45米，直径约3.6米，每枚可产生15682千牛的推力，承担航天飞机起飞时80%的推力。

助推器
固体燃料火箭助推器与主发动机同时启动，在飞行的头两分钟里为航天飞机提供额外的推力以便摆脱地球引力。大约上升到45公里(24英里)的高空时，助推器与航天飞机/外燃料油箱分离，依靠降落伞下落，最后落进大西洋。船只将其打捞上来，送回陆地，经过检查、维护后供下一次使用。在最初的上升阶段，助推器还协助为整个航天飞机系统导航，两个助推器的推力相当于530万磅。
除了固体燃料火箭发动机外，助推器还包含结构、推力矢量控制、分离、回收、电子和仪表等子系统。固体燃料火箭发动机是为太空飞行研制的最大的固体推进剂发动机，也是第一种为有人驾驶飞机研制的发动机。这个巨大的发动机包含一个装载固体推进剂的极状发动机箱、一个点火系统、一个可移动的喷嘴和必要的仪器及整合硬件。
每一个固体燃料火箭发动机携带45万公斤(100万磅)推进剂，推进剂在犹他州的一个工厂里混合。推进剂在600加仑的钵中混合，这些钵分别在3个不同的搅拌大楼里，混合完成后的推进剂被送到特别铸造大楼，灌进铸件中。固化的推进剂看上去像硬塑料打字机的橡皮，摸上去也像是橡皮。

外燃料箱
外燃料箱，英文缩写ET，它是轨道器的“煤气罐”，里面装的是航天飞机主发动机使用的推进剂。在发射时，外燃料箱也是航天飞机的“脊柱”，为附加装置----固体燃料推进器和轨道器提供结构支撑。它也是航天飞机惟一不能重复使用的部件，升空大约8.5分钟后，推进剂耗尽，外燃料箱被抛开，与轨道器分离，使命完成。
在升空时，外燃料箱吸收了三个主发动机和两个固体火箭发动机的推力负载(780万磅)。当固体火箭助推器在大约45公里的高度分离后，主发动机仍在燃烧的轨道器携带外燃料箱继续上升到地球以上大约113公里的上空，达到接近轨道速度。这个时候，燃料几乎耗尽的外燃料箱分离，依照事先设计的线路下落，其构造的大部分在大气中烧毁，残骸落进大洋里。
外燃料箱的三个主要部件是：位于前端的氧燃料箱、位于后端的氢燃料箱还有一个中间燃料箱，后者将两个推进燃料箱连在一起，仪表和燃料处理设备也在中间箱里，同时，它也为固体火箭助推器前端提供附着结构。
氢燃料箱的体积是氧燃料箱的2.5倍，但完全灌满燃料后，其重量只有后者的三分之一，这是因为液态氧的密度是液态氢的16倍。
外燃料箱的皮肤由执保护系统覆盖。热保护系统是一层2.5厘米(1英寸)厚的聚氨酯泡沫涂料，作用是将推进剂维持在一个可接受的温度，保护皮肤表面不会因为与大气摩擦产生的高温损坏，也将表面结冰的可能性降至最低。
外燃料箱包括一个推进剂输出系统，将推进推输送到轨道器的发动机里；一个加压与通风系统，负责调控燃料箱的压力；环境调节系统，负责调控温度，补充中间燃料箱区域的大气；还有一个电子系统，负责分配电力、仪表信号，提供闪电保护。
外燃料箱推进剂通过一根直径43厘米(17英寸)的连接管输给轨道器，这根连接管在轨道器内部分成三根更细的管子，向每一个发动机输送推进剂。
轨道飞行器

轨道飞行器既是这套太空运输系统的大脑，又是心脏，这个飞行器与一架DC-9飞机的大小和重量差不多，包括加压乘员舱(通常可以乘载7名宇航员)、巨大的货舱以及安装在其尾部的三个主发动机。
驾驶舱、生活舱和实验操作站在机身的前部，货物放在机身中部的有效载荷舱里，而轨道器的主发动机和机动推进器则在机身尾部。
机身前部：驾驶舱、生活舱和实验操作站在机身前部，这一部分有一个加压的乘员舱，并为机头部分、前起落架和前起落架轮舱和门提供支持。
乘员舱：乘员舱的空间为65.8立方米，在轨道器的前部。它由三部分组成，分别是加压的工作间、生活间和储存间。由驾驶舱、中舱/设备舱和一个气密过渡通道组成。在乘员舱后舱壁外面的有效载荷舱里，可以安装一个对接舱和一个有接头的转移通道，以方面对接、乘员进入实验室和到舱外活动。两层的乘员舱前部有一个驾驶舱，机长的座位在驾驶舱的左边，飞行员的座位在右边。
驾驶舱：驾驶舱通常设计成驾驶员/副驾驶员都可操作模式，这样在任何一个座位上都可以驾驶轨道器，也可以执行单个人的紧急返回任务。每个座位上都有手动飞行控制器，包括旋转和转换驾驶杆、方向舵踏板和减速板控制器。驾驶舱里可以坐4个人。轨道显示器和控制器在驾驶舱/乘员舱的尾部，左边的轨道显示器和控制器是用来操纵轨道飞行器的，右边的轨道显示器和控制器是用来操纵有效载荷的。在驾驶舱里共有2020多个分散的显示器和控制器。
在驾驶舱上层有6块耐压挡风玻璃、两个顶部窗子和两个后视的有效载荷舱窗，乘员舱的中央部分或层舱里的乘员进出舱口上也有一个窗子。
中舱：中舱有为4个乘员睡眠室准备的物资和储藏设施，中舱还存有氢氧化锂单人救生器呼吸袋和其它装置、废物管理系统、个人卫生间和工作桌/餐桌。
一般情况下，中舱最大乘员数是7人。中舱可以经过改造储存和睡眠供应设施增加3个救援座椅。而救援座椅可以调节，将救援的乘员人数从3人增加到最多7人。
气密过渡通道：气密过渡通道为太空行走提供通道，可以安装在下列位置的任何一个位置：中舱区里的轨道飞行器乘员舱里面，而中舱区在后舱壁；安装在舱壁上或者通道接头上部的机舱外面的通道接头可以把加压的太空实验室舱与轨道飞行器舱联结在一起。对接舱也可以充当太空行走的气密过渡通道。
气密过渡通道里有两套太空服，可以支持两次6个小时的太空行走任务和一次意外或者紧急太空舱外活动，还可以提供机动支援，比如扶手，让宇航员执行各种任务。气密过渡舱有两个宇航员房间可供换太空服用。
机身中部：除了构成轨道飞行器的有效载荷舱外，机身中部还要支撑有效载荷舱门、铰链和固定配件、前机翼前缘凸齿以及大量轨道飞行器系统组件。每个有效载荷舱门支撑4个散热器面板，当这些门打开时，倾斜的散热器就会松开，移动到合适位置，这可以让热量从各面板的两侧散发出去，反之，4个舱尾散热器面板将只能从上部散发热量。有一些有效载荷可能不会直接与轨道飞行器联结，但有效载荷载体却会被连接到轨道飞行器上。具有惯性的上段、加压舱或者任何承载有效载荷的特别托架都是典型的载体。
遥控操作系统是一个15.2米长的有关节的机械臂，可以在轨道飞行器的驾驶舱里对其进行遥控。机械臂的“肘”和“腕”关节可以活动，可以抓住有效载荷将其从有效载荷舱里取出来送到合适地点，或者将有效载荷回收进舱里，保证安全返回地球。机械臂外侧终端附近的一个电视摄像机和照明设施可以让操作员在电视监视器上看到他的手正在做什么。另外，有效载荷舱的每一侧都安装3个照明灯。
机身尾部：机身尾部包含左右轨道操纵系统、航天飞机主发动机、机身襟翼、垂直尾翼和轨道飞行器/外燃料箱的后部配件。前舱壁将机身尾部与中部隔开，舱壁的上层部分联接在垂直尾翼上，内部承受推力结构支持航天飞机的三个主发动机、低压涡轮泵和推进剂输送管。

主发动机
航天飞机主发动机：与固体燃料火箭助推器联接在一起的三个主发动机在最初上升阶段为轨道飞行器提供推力，使之脱离地球引力。在发射后，主发动机继续运作8.5分钟左右，这段期间是航天飞机用动力推动飞行。
当固体燃料火箭被抛开后，主发动机提供的推力将航天飞机的速度在6分钟里从每小时4，828公里提高到每小时27,358公里以上并进入飞行轨道。
在航天飞机加速时，主发动机会燃烧掉50万加仑的液态推进剂，这些推进剂由巨大的橙色外挂燃料箱提供，主发动机燃烧液氢和液氧，而液氢是世界上第二最冷的液体，温度在零下华氏423度(摄氏零下252.8度)
发动机一开始排放的是氢和氧合成的水汽。主发动机在分阶段燃烧周期内使用高能推进剂产生推力，推进剂的一部分在双重预烧器里消耗掉，产生高压热气，推动涡轮泵。燃烧是在主燃烧室完成的，主发动机燃烧室里的温度可达到华氏6000度(摄氏3315.6度)。每个航天飞机的主发动机使用的液氧/液氢比例是6比1，产生水平推力179，097千克(375,000磅)、垂直推力213,188千克(470,000磅)。
发动机产生的推力可在65%至109%的范围内调节，这样，点火发动和初始上升阶段可以有更大的推力，而在最后的上升阶段减少推力，将加速度限制在3g以下。在上升阶段，发动机的万向接头(平衡架)可提供倾斜、偏航和滚动控制。

美国第一架航天飞机：哥伦比亚号(STS Columbia OV-102) 1981年初，经过十年的研制开发，哥伦比亚号终于建造成功，它是第一架用于在太空和地面之间往返运送宇航员和设备的航天飞机。它第一次飞行的任务只是测试它的轨道飞行和着陆能力。在太空飞行54小时，环绕地球飞行36周之后航天飞机安全着陆。“哥伦比亚”号是以18世纪初第一艘环绕地球航行的美国轮船的名字命名的，在下一架航天飞机，挑战者号建成之前，“哥伦比亚”号又进行了四次飞行。2003年返回地球时失事。

美国第二架航天飞机：挑战者号(STS Challenger C)　1982年，挑战者号成为美国宇航局的第二架航天飞机。航天飞机(正式名称为空间运输系统)由轨道飞行器、固体燃料火箭推进器和外燃烧箱共同构成。轨道飞行器是一种用来在太空和地面之间往返运送宇航员和设备的带有机翼的太空飞机。由于它悲惨的结局，挑战者号这个名字在全世界的知名度可能比其他航天飞机都要大。“挑战者”号进行了10次飞行，第一次是1983年4月，最后一次(飞机失事)是在1986年。

美国第三架航天飞机：发现号(STS Discovery OV-103)　发现号航天飞机轨道飞行器是以18世纪美国探险家詹姆斯·库克的小船的名字命名的。他驾驶着这艘小船在南太平洋航行，成为第一个踏上夏威夷群岛的非土著居民。“发现”号航天飞机是美国建造的第三架航天飞机，前两架是“哥伦比亚”号和“挑战者”号。“发现”号航天飞机的第一次飞行是在1984年8月，总计飞行了21次，比任何其它航天飞机飞行次数都多。

美国第四架航天飞机：亚特兰蒂斯号(STS Atlantis OV-104)　1985年，亚特兰蒂斯号成为美国宇航局的第四架航天飞机。亚特兰蒂斯号是以美国第一艘远洋船舶的名字命名的，这艘轮船从1930年到1966年在马萨诸塞州的伍兹霍尔海洋研究所被用来进行研究。“亚特兰蒂斯”号航天飞机重77.7吨，它在1985年10月和1996年3月之间进行了16次飞行。2011年7月8日，亚特兰蒂斯号进行最后一次飞行。

美国第五架航天飞机：奋进号(STS Endeavour OV-105)　奋进号是美国宇航局最新建造的一家航天飞机轨道飞行器。它是由美国宇航局于1991年建造，用来替代1986年在爆炸中被毁坏的“挑战者”号。“奋进”号是以18世纪英国探险家詹姆斯·库克的考察船的名字命名的。“奋进”号高36.6米，宽23.4米，重71吨，造价超过20亿美元。它是美国宇航局建造的四架航天飞机之一，也是还能使用的航天飞机之一。其它两架分别是亚特兰蒂斯号和发现号。