航天飞机发射探测器

3．5．3　载人航天飞机

20世纪60年代，由于阿波罗工程开支经费浩大，曾引起美国国内许多非议．1969年美国又提出航天飞机计划，它是可以重复使用的、往返于地球表面和近地轨道之间运送有效载荷的飞行器．目前，将航天飞机成功发射到太空的只有美国和前苏联，我国也在开展这方面的研究，“神舟号”宇宙飞船的发射正是为这方面的工作做准备．

航天飞机综合运用了火箭、航天器和飞机技术，形成一种新型航空航天飞行器．它起飞时像火箭，靠强大的推力垂直发射到天空；进入轨道好像卫星或飞船，在围绕地球的轨道上运行；返回地球时又像是飞机，可以通过驾驶员的操纵沿着跑道滑翔降落．它可用于卫星施放、卫星捕获、卫星检修、遥感遥测和太空科学实验等一系列商业作业，航天飞机将太空变成利润的来源．

美国是世界上最早研制航天飞机的国家，从1972年开始用了10年时间耗费100多亿美元，先后研制了6架航天飞机（“开拓号”、“哥伦比亚号”、“发现号”、“挑战者号”、“亚特兰蒂斯号”和“奋进号”），如图3－43所示．20世纪70年代中期前苏联制定了一项分两步走的航天飞机发展计划：第一步研制一种小型航天飞机，以接替“联盟号”宇宙飞船负担的航天运输任务；第二步研制与美国现用的航天飞机相当的大型航天飞机．至今，俄罗斯的小型航天飞机已经过多次试验，大型航天飞机正在研制过程中．欧洲航天局也正在研制“海尔梅斯号”航天飞机．日本的航天飞机也在研制过程之中．

以美国的“哥伦比亚号”航天飞机为例（如图3－43所示），它主要由一个轨道器（航天飞机的主体，可重复使用100次以上），一个外储箱（储存液氢和液氧推进剂，一次性使用，不可回收）和两个固体火箭助推器（提供航天飞机飞出大气层的80%左右的推力，可重复使用20次）组成．

图3－43　美国“哥伦比亚号”航天飞机发射升空

航天飞机的发射和飞行过程如图3－44所示．航天飞机垂直起飞，2min后升至45km的高空，固体火箭推进器关闭并分离，由助推火箭顶部的降落伞吊落在海面上，由回收船回收供下次再用．航天飞机起飞后8min，升到约109km的高空，外储液箱分离并在坠入大气层时烧毁，此时，速度约为7．5km·s^－1，轨道系统发动机点火，用小推力把轨道器送入预定轨道．轨道器可在近地轨道上运行3—30天，完成任务后轨道器再次点火，使轨道器减速而脱离卫星轨道，并沿着椭圆轨道再进入大气层．轨道器进入大气层后按大攻角姿态飞行以增加气动阻力，减小速度和控制气动加热，最后在导航系统引导下寻找机场并着落．轨道器着陆后马上进行维修和检查，以备下次再用．

图3－44　航天飞机的发射和飞行过程

航天飞机是技术最复杂的航天器，其中的关键技术有：

（1）可供多次使用的发动机设计；

（2）复杂的空气动力学设计（马赫数由Ma＝30降到Ma＝0）；

（3）能重复使用的防热系统设计；

（4）大型飞行体的回收技术等．

航天飞机是当前世界上最先进的天地往返运输器．设计之初，科学家们认为它至少有以下几大优点：可重复使用从而降低费用、水平降落比宇宙飞船更安全、比宇宙飞船舒适、运载能力强．然而，从1981年航天飞机首次飞行至今，除了体现出舒适和运载能力强两大优点外，其他预想中的优点反而成了“致命伤”．据统计，航天飞机有3 500多个分系统、250多万个部件，每次飞行成本约为5亿美元，既复杂又昂贵．它没有逃逸系统，实行人货混运，“挑战者号”航天飞机和“哥伦比亚号”航天飞机的失事证明，其安全性和可靠性要远远低于相对简单的宇宙飞船．所以，美国现在已经在着手研制新的天地往返运输器，这是一种将航空航天技术有机地结合在一起，即航空航天飞机，简称空天飞机（如图3－45所示）．预想中的空天飞机是既能航空又能航天的新型飞行器．它像普通飞机一样起飞，以高超音速在大气层内飞行，在30—100km高空的飞行速度为12一25倍音速，并直接加速进入地球轨道，成为航天飞行器，返回大气层后，像飞机一样在机场着陆．它可以自由方便地返回大气层．

图3－45　空天飞机预想图