翱翔蒼穹，無(wú)奈俯首，淚灑地球

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我們需要可重復(fù)使用的發(fā)射系統(tǒng)

早在1965年8月24日，也就是第一枚土星五號(hào)運(yùn)載火箭從發(fā)射臺(tái)升空的兩年多前，美國(guó)空軍（USAF，United States Air Force）和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）就在國(guó)防部-美國(guó)宇航局航空航天聯(lián)合協(xié)調(diào)委員會(huì)（DoD-NASA AACB，DOD-NASA Aeronautics and Astronautics Coordinating Board）之下建立了一個(gè)關(guān)于可重復(fù)使用運(yùn)載系統(tǒng)（RLV，Reusable Launch Vehicle）技術(shù)的特設(shè)分委員會(huì)。其目的是確定支持RLV開(kāi)發(fā)所需的技術(shù)基礎(chǔ)狀態(tài)。該報(bào)告于1966年9月發(fā)布，結(jié)論是許多成本和技術(shù)上的問(wèn)題需要解決。該小組為了既滿(mǎn)足NASA又滿(mǎn)足DoD的要求，做了相當(dāng)多的“ppt”，因此它包含了各種完全可重復(fù)使用系統(tǒng)（FRV，F(xiàn)ully Reusable Vehicle）和部分可重復(fù)使用系統(tǒng)（PRV，Partially?Reusable?Vehicle）的概念。有趣的是，該特設(shè)分委員會(huì)預(yù)測(cè)，PRV比FRV開(kāi)發(fā)成本要低得多。即便如此，多年內(nèi)，NASA和USAF的工程師們?nèi)詫⒅攸c(diǎn)放在FRV上，因?yàn)樗麄兿嘈?，一旦這些困難的問(wèn)題得到解決，系統(tǒng)的運(yùn)行成本將大大降低。一些設(shè)計(jì)師青睞FRV，即使用可重復(fù)使用的助推器和低溫動(dòng)力軌道飛行器。而另一些人則認(rèn)為，最可靠的途徑是在泰坦III等一次性運(yùn)載火箭的頂部安裝一個(gè)可重復(fù)使用系統(tǒng)。其他的設(shè)計(jì)概念則介于這兩個(gè)極端之間。

1966年后，NASA開(kāi)始深入思考阿波羅之后的載人航天計(jì)劃，其首要目標(biāo)是獲得軌道空間實(shí)驗(yàn)室，即空間站的建造批準(zhǔn)。NASA也意識(shí)到，如果要讓這樣一個(gè)空間站在可控的成本內(nèi)運(yùn)營(yíng)，就需要降低向空間站運(yùn)送人員和物資的成本。這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致了對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)注——航天飛機(jī)（Space Shuttle）。1968年8月，NASA負(fù)責(zé)載人航天飛行的副局長(zhǎng)喬治·穆勒在一次演講中首次公開(kāi)討論了這一概念，并表示在阿波羅計(jì)劃之后的所有載人飛行中，這種航天器都是必不可少的，當(dāng)然，這個(gè)預(yù)言最終成為了現(xiàn)實(shí)，直至2011年航天飛機(jī)的退役。2020年奮進(jìn)號(hào)載人龍飛船（Crew Dragon Endeavour）帶著美國(guó)宇航員進(jìn)入太空，美國(guó)人才重新?lián)碛辛俗约旱妮d人飛船。

1968年12月，隨著后阿波羅太空計(jì)劃的規(guī)劃取得進(jìn)展，NASA建立了航天飛機(jī)任務(wù)規(guī)劃組，以確定NASA對(duì)未來(lái)太空運(yùn)輸系統(tǒng)的需求。該任務(wù)規(guī)劃組列出了NASA希望獲得的飛行器的基本任務(wù)能力和技術(shù)特性。1969年中期，任務(wù)規(guī)劃組通過(guò)載人航天中心和馬歇爾航天中心發(fā)布了一份建議征詢(xún)書(shū)（RFP，Request For Proposals），稱(chēng)之為整體發(fā)射與再入飛行器（ILRV，Integral Launch and Reentry Vehicle，有時(shí)稱(chēng)作RLV）。RFP明確強(qiáng)調(diào)了該系統(tǒng)需要優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性和安全性，而不是一味追求有效載荷性能。航天飛機(jī)A階段研究工作用時(shí)約八個(gè)月，而四家航空航天承包商贏得了ILRV的研究合同——通用動(dòng)力（General Dynamics）、洛克希德（Lockheed Propulsion Company，直到1995年Lockheed Corporation才和Martin Marietta合并為如今的Lockheed Martin）、麥克唐納-道格拉斯（McDonnell Douglas，后與Boeing合并）和北美羅克韋爾（North American Rockwell）。

在1969年7月發(fā)布的最終報(bào)告中，任務(wù)規(guī)劃組列出了ILRV應(yīng)能夠：

1、可執(zhí)行空間站的常規(guī)保障任務(wù)

2、執(zhí)行軌道及發(fā)射并且可以回收衛(wèi)星

3、可以發(fā)射攜帶推進(jìn)性質(zhì)的上面級(jí)的衛(wèi)星

4、軌道上推進(jìn)劑的輸送

5、衛(wèi)星的維修和軌道維持和變動(dòng)

6、可執(zhí)行短期的載人飛行任務(wù)

在報(bào)告中，小組列出了三種ILRV的主要形式：第一種是使用一次性的助推器發(fā)射可重復(fù)使用的飛行器。第二種是使用一個(gè)一級(jí)半的構(gòu)型。第三種則是使用可重復(fù)使用的助推器和可重復(fù)使用的飛行器。

1969年，尼克松要求進(jìn)行一項(xiàng)高級(jí)研究，空間任務(wù)小組（STG，Space Task Group）于1969年9月15日發(fā)表了其報(bào)告。STG還建議RLV具備以下要點(diǎn)：

1、開(kāi)發(fā)一款成本合理且可用度高的系統(tǒng)

2、運(yùn)送各類(lèi)航天器和補(bǔ)給，包括航天員、物資、推進(jìn)劑、其他航天器、設(shè)備或其他火箭級(jí)等

3、可以完成美國(guó)國(guó)防部（DoD）和NASA的絕大多數(shù)任務(wù)

根據(jù)STG的報(bào)告，RLV系統(tǒng)將由三部分組成：

1、一種可重復(fù)使用的化學(xué)燃料航天飛機(jī)，在近地軌道附近運(yùn)行

2、用于將人和設(shè)備運(yùn)送到不同的軌道上，作為月球軌道基地和月球表面之間的運(yùn)載工具

3、開(kāi)發(fā)核動(dòng)力推進(jìn)級(jí)，用于在近地軌道向月球軌道、月球軌道、地球同步軌道和深空運(yùn)送航天器和物資等

但最終RLV的三部分中，只有航天飛機(jī)——也便是第一部分造了出來(lái)。

絕大多數(shù)工程師都支持設(shè)計(jì)建造一款完全可重復(fù)使用的系統(tǒng)，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為在發(fā)射頻率上來(lái)以后，該系統(tǒng)的成本將會(huì)維持在相當(dāng)?shù)偷奈恢谩Ｋ麄兂姓J(rèn)，完全可重復(fù)使用的系統(tǒng)在技術(shù)上要求更高，有更大的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，以及更高的開(kāi)發(fā)成本。但他們認(rèn)為，如果能夠克服這些技術(shù)問(wèn)題，這類(lèi)系統(tǒng)將更加占據(jù)優(yōu)勢(shì)。例如，北美羅克韋爾公司（后來(lái)稱(chēng)為羅克韋爾國(guó)際公司）提出了一種三級(jí)系統(tǒng)，即大型助推器和軌道飛行器并捆綁必要的液氧/液氫罐。NASA的“首席設(shè)計(jì)師”，載人航天器中心的Maxime Faget，提倡一種兩級(jí)的系統(tǒng)，即在一個(gè)更大的可回收助推器上安裝一個(gè)相對(duì)較小的軌道飛行器。兩個(gè)飛行器都有發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，且都有機(jī)翼。Maxime Faget的軌道飛行器只能攜帶很小的有效載荷，類(lèi)似于如今SSTO和一些空天飛機(jī)的設(shè)計(jì)理念，即多班次，低成本，小容量。

盡管到1971年1月，許多人在權(quán)衡開(kāi)發(fā)成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)后認(rèn)為，采用外部推進(jìn)劑罐和三角翼軌道飛行器的部分可重復(fù)使用概念可能是整體來(lái)講最佳的選擇，但NASA的工程師們?nèi)匀粵](méi)有放棄Faget的概念，直到1971年底。

一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題也導(dǎo)致了放棄可飛回式助推器的設(shè)計(jì)——其分離速度必須達(dá)到3700-4300m/s。要達(dá)到這個(gè)速度，需要一個(gè)巨大的推進(jìn)劑罐，且需在返回大氣時(shí)承受極高的熱負(fù)荷?？紤]到當(dāng)時(shí)技術(shù)儲(chǔ)備不足，加之其嚴(yán)格的規(guī)定（4.5m*18m的貨艙、27t的近地軌道載荷和18t的范登堡發(fā)射的太陽(yáng)同步軌道載荷等），NASA的工程師們對(duì)這個(gè)方案越來(lái)越?jīng)]有底氣。最終，還是選擇了折中的方案，也便是我們所熟知的航天飛機(jī)。

振翅翱翔——白罐！

UTC時(shí)間1981年4月12日12:00:04，一架“嶄新”的航天飛機(jī)從肯尼迪航天中心LC-39A工位起飛，拉開(kāi)了航天飛機(jī)“統(tǒng)治”美國(guó)載人航天的大幕。

在航天飛機(jī)的所有飛行中，只有前兩次任務(wù)（STS-1與STS-2）使用了白色的推進(jìn)劑罐（航天飛機(jī)的推進(jìn)劑罐被稱(chēng)之為“航天飛機(jī)外部?jī)?chǔ)箱”，即Space Shuttle External Tank，ET），以防止長(zhǎng)時(shí)間的紫外線照射對(duì)儲(chǔ)箱的破壞。

但洛克希德很快發(fā)現(xiàn)這刷的漆并沒(méi)有什么實(shí)際作用，所以從太空運(yùn)輸系統(tǒng)-3（Space Transportation System，STS）任務(wù)開(kāi)始便撤掉了后續(xù)任務(wù)的防紫外線漆，外部?jī)?chǔ)箱也隨之減輕了272kg，這也便成為了我們所熟知的“橙罐”。

進(jìn)入太空的飛機(jī)——軌道器

航天飛機(jī)一共制造過(guò)五個(gè)具備飛行能力軌道器。它們分別是：

• 亞特蘭蒂斯號(hào)（Atlantis）

• 挑戰(zhàn)者號(hào)（Challenger）

• 哥倫比亞號(hào)（Columbia）

• 發(fā)現(xiàn)號(hào)（Discovery）

• 奮進(jìn)號(hào)（Endeavour）

除此之外，還有兩架供測(cè)試且有完整主體結(jié)構(gòu)的航天飛機(jī)：

• 探路者號(hào)（Pathfinder）

• 企業(yè)號(hào)（Enterprise）

其中，探路者號(hào)僅用于地面的相關(guān)環(huán)節(jié)的測(cè)試，并沒(méi)有執(zhí)行過(guò)任何離開(kāi)地面的測(cè)試活動(dòng)。真正的航天飛機(jī)飛行鼻祖是企業(yè)號(hào)（指離開(kāi)地面進(jìn)行測(cè)試）。

飛行測(cè)試先鋒——企業(yè)號(hào)

企業(yè)號(hào)（Enterprise，編號(hào)OV-101）是航天飛機(jī)家族中的第一個(gè)飛行器，但由于它沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)和隔熱瓦，所以它并沒(méi)有軌道級(jí)的飛行能力，但除軌道級(jí)之外的功能它都具備。

企業(yè)號(hào)于1974年6月4日開(kāi)始建造，且最初計(jì)劃命名為“憲法號(hào)”，但由于眾多受到《星際迷航》（Star Trek: The Original Series，并不是我們之后所看的電影，而是當(dāng)時(shí)的電視?。?span id="s0sssss00s" class="color-default">影響的粉絲致信時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)福特，請(qǐng)求以《星際迷航》中NCC-1701的名字——“企業(yè)號(hào)”來(lái)命名這架航天飛機(jī)。

1976年9月17日，企業(yè)號(hào)出廠，《星際迷航》的主創(chuàng)和主要演員也出席了儀式。

此后，企業(yè)號(hào)的一生便獻(xiàn)給了測(cè)試，不停的滑翔，不停地著陸，不停的振動(dòng)試驗(yàn)……

在振動(dòng)試驗(yàn)之后，企業(yè)號(hào)本計(jì)劃進(jìn)行改裝，成為一個(gè)真正擁有軌道級(jí)飛行能力的軌道器，但是哥倫比亞號(hào)出場(chǎng)后，機(jī)身設(shè)計(jì)發(fā)生了重大的變化，企業(yè)號(hào)的改裝費(fèi)用還不如重新造一個(gè)新的，因此NASA挑選了另一個(gè)不太完整的測(cè)試機(jī)用來(lái)改裝成軌道級(jí)飛行器——挑戰(zhàn)者號(hào)。

首次突破大氣層——哥倫比亞號(hào)

哥倫比亞這個(gè)名字來(lái)自于1787年至1793年在羅伯特·格雷船長(zhǎng)的指揮下探索美國(guó)西北太平洋的美國(guó)單桅帆船“哥倫比亞號(hào)”，也是第一艘完成環(huán)球航行的美國(guó)船，與阿波羅11號(hào)的指揮艙同名。同時(shí)，哥倫比亞也是美國(guó)的女性象征。

建造完成后，軌道飛行器于1979年3月25日抵達(dá)肯尼迪航天中心，為首次發(fā)射做準(zhǔn)備。哥倫比亞號(hào)原定于1979年底發(fā)射，但由于RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)和熱保護(hù)系統(tǒng)（Thermal Protection System，TPS，也就是我們所說(shuō)的隔熱瓦）的問(wèn)題，發(fā)射日期被推遲。

1981年3月19日，在準(zhǔn)備進(jìn)行地面試驗(yàn)時(shí)，工人們?cè)谟玫獨(dú)獯祾吒鐐惐葋喬?hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙時(shí)窒息，兩人（有報(bào)道說(shuō)是三人）死亡。

哥倫比亞號(hào)（Columbia，編號(hào)OV-102）是第一個(gè)進(jìn)入軌道的航天飛機(jī)，首次飛行（STS-1，Space Transportation System-1）在軌約2天6小時(shí)21分鐘。STS-1原本并不打算讓哥倫比亞號(hào)直接入軌，而是進(jìn)行一次緊急終止飛行。即在SRB（Space Shuttle Solid Rocket Booster）脫離后，使用SSME（Space Shuttle Main Engine，便是我們所熟知的RS-25系列發(fā)動(dòng)機(jī)）反推航天飛機(jī)，使其返回發(fā)射場(chǎng)附近的機(jī)場(chǎng)跑道。

與其他火箭的首飛任務(wù)相似，STS-1也暴露出了眾多問(wèn)題。例如，工程師們低估了SRB點(diǎn)火后帶來(lái)的沖擊波和震動(dòng)。自那之后，工程師們?cè)诎l(fā)射臺(tái)上安裝了改進(jìn)版的噴水降噪系統(tǒng)，這一系統(tǒng)也被后來(lái)絕大多數(shù)火箭發(fā)射臺(tái)所采用【蘇聯(lián)的能源號(hào)運(yùn)載火箭（Energia）也采用了噴水降噪系統(tǒng)（拜科努爾Site 250發(fā)射臺(tái)于1978年開(kāi)始建造，STS-1任務(wù)于1981年進(jìn)行）】。

除此之外，在入軌后，航天員檢查全機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)哥倫比亞號(hào)的軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)（OMS，Orbital Maneuvering System）隔熱瓦有很?chē)?yán)重的損壞。為了檢查航天飛機(jī)的隔熱瓦留存情況，USAF還使用鎖眼偵察衛(wèi)星（KH-11 KENNEN）來(lái)檢查航天飛機(jī)的情況（這其實(shí)是發(fā)射前就決定好的，只有少數(shù)的NASA官員知道此事）。

航天員還發(fā)現(xiàn)了多處航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)損壞，并且發(fā)現(xiàn)再入大氣時(shí)實(shí)際情況與之前計(jì)算機(jī)模擬的情況并不相同，這些問(wèn)題都在STS-1任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行了優(yōu)化和解決。前五次STS任務(wù)也都是由哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)執(zhí)行的。

可能是有善始者易，有善終者難，哥倫比亞最終沒(méi)有回到博物館里受眾人仰望——它的生命停留在了STS-107任務(wù)中。

哥倫比亞號(hào)發(fā)射升空81.7秒后，由于外部燃料箱外表面脫落的一塊泡沫材料的撞擊，導(dǎo)致哥倫比亞號(hào)左翼前緣的隔熱瓦損壞，這也為哥倫比亞號(hào)的終結(jié)埋下了伏筆。

2003年2月1日，哥倫比亞號(hào)開(kāi)始按照常規(guī)程序返回地球。然而就在美國(guó)東部時(shí)間上午9點(diǎn)左右，任務(wù)控制中心注意到了異常。航天飛機(jī)左側(cè)機(jī)翼的溫度傳感器數(shù)據(jù)消失了。緊接著航天飛機(jī)左側(cè)胎壓數(shù)據(jù)也消失了?？刂浦行碾S即呼叫哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)，提醒宇航員注意胎壓數(shù)據(jù)異常。在東部時(shí)間8:59:32，指令長(zhǎng)哈斯本德回應(yīng)道：“收到?！钡S后通話(huà)便突然中斷——是的，它解體了。

哥倫比亞號(hào)共執(zhí)行了28次任務(wù)，27次成功1次失敗，總計(jì)飛行時(shí)長(zhǎng)7218小時(shí)，飛行里程約2億公里（準(zhǔn)確數(shù)字為201,497,772km），任務(wù)列表如下：

因莽撞而被獻(xiàn)祭——挑戰(zhàn)者號(hào)

挑戰(zhàn)者（Challenger，編號(hào)OV-099）這個(gè)名字來(lái)自于英國(guó)護(hù)衛(wèi)艦“挑戰(zhàn)者”號(hào)，該護(hù)衛(wèi)艦1872年至1876年進(jìn)行了全球海洋研究探險(xiǎn)，阿波羅17號(hào)登月艙也與其同名。

挑戰(zhàn)者號(hào)經(jīng)歷了11個(gè)月的振動(dòng)測(cè)試，并多次經(jīng)歷了標(biāo)準(zhǔn)值1.2倍的測(cè)試，工程師們?cè)诤罄m(xù)的分析得出結(jié)論：挑戰(zhàn)者號(hào)有著1.4的安全系數(shù)冗余，這對(duì)于航天來(lái)講是一個(gè)非常高的數(shù)字了。當(dāng)時(shí)的挑戰(zhàn)者機(jī)身結(jié)構(gòu)還有很多未安裝的部分，但正是由于結(jié)構(gòu)“簡(jiǎn)陋”，所以對(duì)后來(lái)的改進(jìn)內(nèi)容相當(dāng)友善，所以最終選擇了挑戰(zhàn)者號(hào)進(jìn)行改裝來(lái)進(jìn)行飛行任務(wù)，而不是完成度更高的企業(yè)號(hào)。

挑戰(zhàn)者號(hào)和之后建造的軌道飛行器一樣，其熱防護(hù)系統(tǒng)中的隔熱瓦比哥倫比亞號(hào)更少。后來(lái)的這些改進(jìn)和使用更輕的結(jié)構(gòu)件使挑戰(zhàn)者號(hào)可以攜帶的有效載荷比哥倫比亞號(hào)多了1.1噸，而且挑戰(zhàn)者號(hào)的機(jī)身和機(jī)翼比哥倫比亞號(hào)更堅(jiān)固、更輕。艙口和垂直安定面瓦片圖案與其他軌道飛行器不同。挑戰(zhàn)者號(hào)是第一個(gè)具有平視顯示器（Head-up Display，HUD）的軌道器，用于任務(wù)最后的下降和著陸階段（飛友應(yīng)該比較熟悉）。除此之外，挑戰(zhàn)者還是第一個(gè)配備104%推力RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)的軌道器。

據(jù)氣象部門(mén)預(yù)測(cè)，1986年1月28日，氣溫將創(chuàng)下航天飛機(jī)發(fā)射的歷史新低。夜間-8°C，早上-6°C。在計(jì)劃發(fā)射的時(shí)間——當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午9點(diǎn)38分為-3°C。?

在基于之前更為溫暖的發(fā)射中O形環(huán)的效果衰減情況下（O-ring，航天飛機(jī)固體助推器的重要組件之一，用于將分段式固體助推器進(jìn)行“拼合”，組成一條完整的航天飛機(jī)固體助推器）（早在1977年設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就說(shuō)明O形環(huán)在低溫條件下可能會(huì)有失效的風(fēng)險(xiǎn)），莫頓·錫奧科爾的工程師們擔(dān)心如此低溫可能會(huì)對(duì)固體助推器（Solid Rocket booster，SRB）的O型環(huán)的密封效果產(chǎn)生影響。

Morton Thiokol，航天飛機(jī)固體助推器承包商，前身為T(mén)hiokol，后變?yōu)镃ordant Technologies，然后衍變順序?yàn)門(mén)hiokol Propulsion→Alcoa Industrial Components Group（AIC）→，Alliant Techsystems（ATK）→ATK?Thioko→ATK Launch Systems Group，然后就是我們所熟知的合并企業(yè)Orbital ATK，目前已被諾斯洛普·格魯曼（Northrop Grumman）收購(gòu)變?yōu)橹Z斯洛普·格魯曼先進(jìn)研究部（Northrop Grumman Innovation Systems）.這家公司創(chuàng)造出了非常多的經(jīng)典作品，例如世界上第一款固體燃料導(dǎo)彈TX-18獵鷹，民兵洲際彈道導(dǎo)彈，火星探路者號(hào)的著陸氣囊，三叉戟一級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)Castor系列固體推進(jìn)級(jí)，以及我們所熟知的航天飛機(jī)固體助推器（Sapce Shuttle Solid Rocket Booster，SSSRB，后來(lái)的改進(jìn)型便是我們熟知的Redesigned Solid Rocket Motor，RSRM）

27日晚召開(kāi)的電話(huà)會(huì)議上，莫頓·錫奧科爾的工程師們直接提出了他們無(wú)法確保SRB在12℃以下的密封效果，并提議什么時(shí)候氣溫上升到12℃以上時(shí)再發(fā)射。

但是莫頓·錫奧科爾的管理層在后來(lái)改變了看法，領(lǐng)導(dǎo)層們認(rèn)為他們沒(méi)有嘗試過(guò)12℃以下時(shí)的情況，但是他們認(rèn)為O形環(huán)設(shè)計(jì)余量很充足，可以進(jìn)行發(fā)射。而后來(lái)NASA的SRB項(xiàng)目經(jīng)理和NASA任務(wù)項(xiàng)目小組組長(zhǎng)在討論時(shí)，甚至沒(méi)有繼續(xù)討論O形環(huán)的問(wèn)題，并一致同意繼續(xù)發(fā)射。

第二天準(zhǔn)備發(fā)射時(shí)，他們檢測(cè)發(fā)現(xiàn)這兩條SRB的溫度分別為-4℃和-13℃，發(fā)射臺(tái)上也結(jié)滿(mǎn)了冰。此時(shí)羅克韋爾的工程師也提出了異議，他們擔(dān)心這些結(jié)的冰可能會(huì)損壞軌道器的隔熱瓦，并有可能吸入其中一臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)中。但是在約翰遜航天中心的工程師們認(rèn)為這點(diǎn)冰不會(huì)對(duì)發(fā)射產(chǎn)生威脅，他們決定繼續(xù)執(zhí)行發(fā)射程序——這是一個(gè)死亡航班！

起飛時(shí)，右側(cè)助推器冒出了九股濃煙——此時(shí)連接處已經(jīng)發(fā)生了泄露。但由于SRB已經(jīng)點(diǎn)火，高溫導(dǎo)致固體推進(jìn)劑中的氧化鋁迅速融化并填補(bǔ)了泄漏點(diǎn)，后續(xù)沒(méi)有類(lèi)似的濃煙冒出了。

起飛58.888秒，強(qiáng)大的動(dòng)壓摧毀了氧化鋁形成的臨時(shí)屏障（最大空氣動(dòng)壓在發(fā)射后59秒，最大空氣動(dòng)壓，MAX-Q），此時(shí)火光開(kāi)始從縫隙中噴出，隨之右側(cè)SRB的壓力開(kāi)始驟降。

RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始矢量擺動(dòng)，補(bǔ)救右側(cè)助推器缺失的推力，穩(wěn)定系統(tǒng)的姿態(tài)。好在RS-25的矢量能力非常強(qiáng)（TVC支持11°的擺動(dòng)），挑戰(zhàn)者并沒(méi)有因?yàn)樽藨B(tài)渙散導(dǎo)致解體。起飛后66.764秒，液氫儲(chǔ)箱的壓力開(kāi)始下降——外部?jī)?chǔ)箱的液氫罐被SRB噴射出的火焰燒穿了。但機(jī)組人員和飛控工程師們都沒(méi)有察覺(jué)到異常，只是發(fā)現(xiàn)RS-25的推力已經(jīng)提升至極限的104%，地面告訴機(jī)組RS-25已經(jīng)全功率運(yùn)行，這也是挑戰(zhàn)者最后一次和地面進(jìn)行通訊。后續(xù)不用多言，是的，結(jié)束了。航天，有時(shí)候硬著頭皮上是行不通的……

在此次事故后，SRB被重新設(shè)計(jì)，成為RSRM，其所有的改動(dòng)都是根據(jù)本次事故中暴露出的問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性升級(jí)的。其相同情況的故障概率降低了85%。RSRM于1987年8月30日進(jìn)行了首次測(cè)試。1988年4月和8月進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)故障測(cè)試，目的便是針對(duì)挑戰(zhàn)者的事故環(huán)境。測(cè)試表明RSRM安全性良好，沒(méi)有發(fā)生故障。

其實(shí)，當(dāng)時(shí)并不是只有RSRM這一個(gè)新的固體助推器概念。ASRM（Advanced Solid Rocket Booster，先進(jìn)固體助推器）也被提上了日程。ASRM是一個(gè)一體式固體助推器，而不像以前的SSSRB和RSRM一樣是分段式固體助推器。但是由于其研發(fā)成本過(guò)高，NASA沒(méi)有再繼續(xù)支持這個(gè)項(xiàng)目，ASRM隨之夭折，RSRM最終研發(fā)成功并投入使用。

除了SRB，RS-25在緊急中止情況下允許將推力提升至109%。起落架也進(jìn)行了升級(jí)，以提高其轉(zhuǎn)向和操縱性。NASA還增加了一種逃生方案：宇航員將打開(kāi)側(cè)艙門(mén)，并將一根桿子伸出軌道器，沿桿滑下，避免在啟動(dòng)降落傘之前撞上軌道器。軟件也經(jīng)過(guò)了修改，以保證在所有機(jī)組人員逃生的同時(shí)保持系統(tǒng)穩(wěn)定飛行，不會(huì)突然改變姿態(tài)（但這種逃生方法無(wú)法拯救挑戰(zhàn)者的機(jī)組人員）。

挑戰(zhàn)者號(hào)共執(zhí)行了10次任務(wù)，9次成功1次失敗，總計(jì)飛行時(shí)長(zhǎng)1496小時(shí)，飛行里程約4000萬(wàn)公里（準(zhǔn)確數(shù)字為41,527,414km），任務(wù)列表如下：

勤勞的“打工人”——發(fā)現(xiàn)號(hào)

發(fā)現(xiàn)號(hào)（Discovery，編號(hào)OV-103）是第三個(gè)制造下線的航天飛機(jī)。它是所有航天飛機(jī)中在軌時(shí)間最長(zhǎng)的航天飛機(jī)（達(dá)到8783小時(shí)），也是發(fā)射次數(shù)最多的航天飛機(jī)（共39次）。與它的前輩一樣，發(fā)現(xiàn)號(hào)的名字也是來(lái)源于之前的探險(xiǎn)船。

從發(fā)現(xiàn)號(hào)開(kāi)始，后面的這三架航天飛機(jī)就沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)致命事故了。作為第三架航天飛機(jī)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)等均做了優(yōu)化改善，其干質(zhì)量也從哥倫比亞的81.6噸成功減重至78噸。發(fā)現(xiàn)號(hào)一生執(zhí)行過(guò)相當(dāng)多的重大任務(wù)，包括哈勃望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射與其中一次在軌搶修，航天飛機(jī)與俄羅斯和平號(hào)空間站的首次對(duì)接。發(fā)現(xiàn)號(hào)原本將成為USAF的專(zhuān)用航天飛機(jī)，并準(zhǔn)備在范登堡空軍基地執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。但是由于挑戰(zhàn)者的事故，這個(gè)計(jì)劃也未能實(shí)施，范登堡空軍基地也從未發(fā)射過(guò)航天飛機(jī)。

發(fā)現(xiàn)號(hào)共執(zhí)行了39次任務(wù)，全部成功，總計(jì)飛行時(shí)長(zhǎng)8783小時(shí)，飛行里程約2.4億公里（準(zhǔn)確數(shù)字為238,539,663km），任務(wù)列表如下：

東拼西湊的“替補(bǔ)”——奮進(jìn)號(hào)

NASA在丟失了挑戰(zhàn)者后，航天飛機(jī)的數(shù)量無(wú)法支撐起較為頻繁的發(fā)射次數(shù)，所以NASA決定再搞一架航天飛機(jī)“玩玩”。NASA曾經(jīng)考慮把企業(yè)號(hào)進(jìn)行改裝然后投入實(shí)際的飛行當(dāng)中，但沒(méi)辦法，財(cái)力不允許，所以他們選擇了更便宜的方案——使用發(fā)現(xiàn)號(hào)和亞特蘭蒂斯號(hào)的備用零件再“拼”出來(lái)一個(gè)航天飛機(jī)用——奮進(jìn)號(hào)（Endeavor，編號(hào)OV-105）誕生了。由于建造較晚，奮進(jìn)號(hào)的許多硬件也得到了升級(jí)，比如：

1、新的直徑為12m的減速傘讓滑行距離從原本的910米降低至了610米。

2、最長(zhǎng)任務(wù)時(shí)間增至28天，盡管沒(méi)有任何一次任務(wù)達(dá)到如此長(zhǎng)的時(shí)間（最長(zhǎng)的單次在軌任務(wù)是由哥倫比亞號(hào)執(zhí)行的，為期17天）。

3、航電系統(tǒng)全面升級(jí)，APU和前輪的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也像之前介紹的那樣得到了升級(jí)

4、（2005-2006后期型改進(jìn)）停泊電力傳輸系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使其可以在國(guó)際空間站多停泊3-4天。

奮進(jìn)號(hào)共執(zhí)行了25次任務(wù)，全部成功，總計(jì)飛行時(shí)長(zhǎng)7179小時(shí)，飛行里程約2億公里（準(zhǔn)確數(shù)字為197,761,262km），任務(wù)列表如下：

見(jiàn)證“太陽(yáng)”的落山——亞特蘭蒂斯號(hào)

亞特蘭蒂斯（Atlantis，編號(hào)OV-104）是NASA建造的第四個(gè)航天飛機(jī)，共執(zhí)行了33次任務(wù)，全部成功，總計(jì)飛行時(shí)長(zhǎng)7358小時(shí)，飛行里程約2億公里（準(zhǔn)確數(shù)字為202,673,974km），任務(wù)列表如下：

航天飛機(jī)運(yùn)載能力

最大LEO（204 km，28.45°）：27.5t

（軌道高度每增加1km，運(yùn)力平均下降25kg，五人以上乘組每增加一人運(yùn)力平均下降230kg）

最大LEO-ISS（204 km，57°）：16.05t

（57°是航天飛機(jī)允許的最高直線方向發(fā)射傾角，狗腿機(jī)動(dòng)則允許更高的傾角，但是會(huì)損失運(yùn)力）

最大GTO（使用IUS慣性上面級(jí)）：10.89t

最大GEO（使用IUS慣性上面級(jí)）：2.27t

最大SSO（204 km，98°，使用先進(jìn)助推器，范登堡空軍基地起飛，從未實(shí)施）：13.426t

Molniya（925 x 39,450 km，63°，使用IUS慣性上面級(jí)，停泊軌道222km，57°）: 3.563t

突破大氣動(dòng)力之源——航天飛機(jī)固體助推器

（Space Shuttle Solid Rocket Booster，SSSRB）

（為避免和SRB概念混淆，并考慮到RSRM是后期開(kāi)始啟用的，前期為SRM，所以本文全部把航天飛機(jī)固體助推器稱(chēng)為SSSRB，即加上Space Shuttle的縮寫(xiě)以便區(qū)分）

SSSRB是世界上第一款可以重復(fù)使用的固體助推器，截至目前第二大的固體助推器（第一大的是SLS使用的固體助推器，其實(shí)是基于SSSRB升級(jí)改良的產(chǎn)物）。兩根SSSRB為航天飛機(jī)提供了起飛時(shí)的絕大部分推力，并且擁有至少20次的重復(fù)使用能力。

SSSRB由復(fù)合功能整流罩（包括鼻錐罩、截錐段和前裙段）、推力段（共四段）、外部?jī)?chǔ)箱連接環(huán)、后座環(huán)、后裙段和電纜道組成。?

SSSRB的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下（以下數(shù)據(jù)均為單根SSSRB）：

長(zhǎng)度:?45.46m

直徑:?3.71m

干質(zhì)量:?82.879t

推進(jìn)劑質(zhì)量:?504t

裝填系數(shù)：0.884

推進(jìn)劑種類(lèi):?TB-H1148 HB聚合物。具體為：氧化劑（69.93%高氯酸銨），燃料（16%鋁粉 ），催化劑（0.07%氧化鐵）、 黏結(jié)劑（12%多聚物），固化劑（1.96%環(huán)氧樹(shù)脂）

平均推力：1130t

最大推力:?1468t

燃燒時(shí)間:?124s

TVC:液壓TVC，最大8°偏轉(zhuǎn)

分離:?主燃燒階段結(jié)束后，此時(shí)高度大約為45km，壓力下降至3.4bar（所有SRB在末段時(shí)推力會(huì)急劇下降，但是SRB內(nèi)仍會(huì)有少量固體混合物沒(méi)有燃燒完全，會(huì)產(chǎn)生小的剩余推力。這些剩余推力對(duì)于整個(gè)火箭發(fā)射過(guò)程來(lái)講是“累贅”，不如盡早拋棄，所以一般在SRB推力驟降后分離助推器）

濺落降落傘：41m直徑降落傘*3

分離固體發(fā)動(dòng)機(jī):?共8臺(tái)，總質(zhì)量73kg，其中HTPB推進(jìn)劑34.5kg，燃燒時(shí)間0.8s，平均推力8.26t，最大推力12.95t

在實(shí)際的發(fā)射活動(dòng)當(dāng)中，SRB并不會(huì)一直維持某一個(gè)推力保持不變，而是呈現(xiàn)曲線變化，這是由內(nèi)部裝藥形狀決定的，是提前設(shè)置好的推力變化。但無(wú)論是哪一家的SRB，通常都會(huì)呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先，起飛瞬間并不會(huì)將推力頂至最大值，而是保持一個(gè)較大的水準(zhǔn)，這是在保證一定起飛推重比的情況下盡可能地減少對(duì)發(fā)射臺(tái)的損壞。在離開(kāi)發(fā)射臺(tái)后，SRB的推力將基本頂?shù)阶畲笾挡⒕S持一段時(shí)間。在接近MAX-Q時(shí)，SRB的推力會(huì)逐漸降低，從而降低火箭在MAX-Q時(shí)的動(dòng)壓負(fù)載（MAX-Q是火箭在發(fā)射過(guò)程中經(jīng)歷的最大動(dòng)壓點(diǎn)，火箭從發(fā)射開(kāi)始速度一直增加，空氣阻力不斷增大，但是隨著高度的增加，空氣越來(lái)越稀薄，所以會(huì)有一點(diǎn)達(dá)到最大，然后空氣阻力再逐漸減小，這個(gè)點(diǎn)就是MAX-Q）。通過(guò)MAX-Q后，SRB的推力會(huì)回升，但是不會(huì)恢復(fù)到最大推力，因?yàn)橐苊饣鸺惺苓^(guò)高的負(fù)載，這一點(diǎn)在載人任務(wù)中更為重要。然后再逐漸降低推力，直到燃燒結(jié)束。

SSSRB分離系統(tǒng)由連接釋放機(jī)構(gòu)、分離發(fā)動(dòng)機(jī)、分離電子系統(tǒng)及各種傳感器組成。固體助推器連接釋放機(jī)構(gòu)由8個(gè)連接結(jié)構(gòu)和8個(gè)分離螺栓組成，每臺(tái)助推器各4組。

SSSRB的前部4臺(tái)分離發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在截錐體靠軌道飛行器的一側(cè)。發(fā)動(dòng)機(jī)防熱罩保證航天飛機(jī)上升段熱氣流不灌入噴管沖擊推進(jìn)劑，以防發(fā)動(dòng)機(jī)自燃點(diǎn)火。此外，防熱罩還必須保證分離發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)無(wú)微粒射流影響軌道航天飛機(jī)的隔熱瓦。

相比之下，尾部分離發(fā)動(dòng)機(jī)防護(hù)裝置要簡(jiǎn)單得多（因?yàn)椴恍枰紤]保護(hù)隔熱瓦的事了）。由于尾部分離發(fā)動(dòng)機(jī)位于尾裙支撐柱部位，所以有3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)位于支撐柱的一側(cè)，另一臺(tái)位于另一側(cè)。

SSSRB遵循了模塊化設(shè)計(jì)原則，相同的模塊可以相互搭配使用。其中，從第一節(jié)推力段到第四節(jié)推力段的長(zhǎng)度分別為8.32m，8.13m，8.13m，12.65m，所以不同的SSSRB第一段可以互用，第二段和第三段可以互用，第四段可以互用，具體如下圖所示。

SSSRB前端內(nèi)部呈十一角星形裝藥，中部和尾部呈常規(guī)柱形裝藥。每次會(huì)用同一批藥去灌注兩個(gè)對(duì)應(yīng)的推力段（比如左邊SSSRB的第一段和右邊SSSRB第一段用的是同一批生產(chǎn)的藥），這樣可以最大限度保證左右SSSRB提供的推力是平衡的。

SSSRB的噴管撓性接頭由天然橡膠彈性體和鋼質(zhì)墊片夾層以及前、后端框組成。10層金屬填片、11層彈性體和端框熱粘在一起，噴管膨脹比為7.16。

SSSRB噴管裝配了TVC，其各向擺動(dòng)角度為8°，液壓TVC支點(diǎn)在其尾裙上，連接點(diǎn)和所處位置如圖所示。

在大約47km高度時(shí)，SSSRB分離，此時(shí)的速度可以達(dá)到約1300m/s，然后，SSSRB的達(dá)到約70km的最高點(diǎn)后（此時(shí)速度約為1100m/s），開(kāi)始下降過(guò)程。當(dāng)達(dá)到13km高度時(shí)，SSSRB開(kāi)始高攻角再入，此時(shí)其速度會(huì)開(kāi)始大幅降低。當(dāng)高度大約為4.8km時(shí)，頭錐分離，并引出引導(dǎo)傘，緊接著將會(huì)引出副傘。

當(dāng)高度下降到約1700m時(shí)，副傘拋離，牽引主傘，主傘在距離海面640m時(shí)展開(kāi)，并在340m時(shí)拋離噴管延長(zhǎng)段，隨后降落至海面。

SSSRB在進(jìn)行回收時(shí)，有一個(gè)小細(xì)節(jié)是：在SSSRB即將濺落時(shí)，噴管的一部分將會(huì)分離。

這是因?yàn)樵诎l(fā)射時(shí)，噴管的長(zhǎng)度是大于尾裙的。所以如果要濺落的話(huà)，那么噴管是首先接觸水面并承力，這對(duì)于后面SSSRB的維修保養(yǎng)非常不利。但是拋掉長(zhǎng)于尾裙的噴管后，承力就由尾裙承擔(dān)了。尾裙基本都是鋼構(gòu)件，造價(jià)更為便宜，所以更有利于維護(hù)和復(fù)用。

在經(jīng)歷清理，維護(hù)，重新裝藥的步驟后，這些固推煥然一新，準(zhǔn)備用于下一次的發(fā)射。

SSSRB不僅用于航天飛機(jī)，還用在了戰(zhàn)神1-X運(yùn)載火箭的一級(jí)上（Ares I-X），后來(lái)SLS的固體助推器基于SSSRB進(jìn)行研發(fā)，產(chǎn)出了五段式固體助推器。在SLS的首次飛行中，其固體助推器絕大多數(shù)節(jié)段都是STS所使用過(guò)的。

由于先進(jìn)助推器計(jì)劃本推遲到了30年代中期，SLS Block.2研制希望越來(lái)越小，所以NASA選擇讓諾斯羅普·格魯曼對(duì)目前SLS使用的五段式固體助推器再升級(jí)，從而提升SLS Block.1b的運(yùn)載能力和性?xún)r(jià)比，說(shuō)明SSSRB的遺產(chǎn)仍會(huì)繼承下去。

SSSRB擁有一套完整的自毀系統(tǒng)，共3套：2枚助推器各1套 ，外部?jī)?chǔ)箱擁有1套。且系統(tǒng)只接收地面發(fā)來(lái)的2種指令——允爆和起爆。當(dāng)啟動(dòng)自毀程序時(shí)，發(fā)出的第1個(gè)指令是“允爆”,此時(shí)駕駛艙顯示燈亮，第2個(gè)才是“起爆”指令。

暴力橙罐——外部?jī)?chǔ)箱

（External Tank，ET）

ET是一個(gè)經(jīng)過(guò)了持續(xù)高度優(yōu)化的STS部件，是整個(gè)STS發(fā)射時(shí)的核心，為STS的三臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑。ET由NASA和洛克希德·馬丁的工程師共同完成設(shè)計(jì)與制造（Lockheed Martin，LM，世界上最大的國(guó)防承包商，也是ET的制造承包商）。

ET的具體參數(shù)如下：

長(zhǎng)度：46.88m

直徑：8.4m

最終干質(zhì)量:?26.33t

上部?jī)?chǔ)箱：液氧

下部?jī)?chǔ)箱：液氫

推進(jìn)劑質(zhì)量：~735t

儲(chǔ)箱壓力：液氫儲(chǔ)箱3bar，液氧儲(chǔ)箱1.4bar

保溫層：2.5cm聚氨酯泡沫

加壓策略：發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的低溫氣態(tài)氫和低溫氣態(tài)氧分別加壓液氫儲(chǔ)箱和液氧儲(chǔ)箱

液氧儲(chǔ)箱數(shù)據(jù)：

高度：16.6?m

直徑：8.4?m

容積：553.358m3

發(fā)射可容液氧質(zhì)量：629.34t

儲(chǔ)箱壓力：1.4bar

級(jí)間段數(shù)據(jù)：

高度：6.9?m

直徑：8.4?m

液氫儲(chǔ)箱數(shù)據(jù)：

高度：29.6?m

直徑：8.4?m

容積：1497.44m3

發(fā)射可容液氧質(zhì)量：106.261t

儲(chǔ)箱壓力：1.4bar

RS-25所用的所有推進(jìn)劑均儲(chǔ)存在ET中。當(dāng)RS-25關(guān)機(jī)后，ET再入大氣時(shí)解體燃燒，極少數(shù)的殘骸會(huì)濺落于遠(yuǎn)洋中。為了防止給近地軌道留下巨大的太空垃圾（ET的長(zhǎng)度足足和一枚阿麗亞娜5相當(dāng)，而其直徑甚至達(dá)到了8.4m，如果留在軌道中，那毋庸置疑會(huì)是近地軌道的巨大定時(shí)炸彈），航天飛機(jī)被設(shè)計(jì)為了亞軌道→入軌的模式。當(dāng)RS-25熄火時(shí)，此時(shí)軌道器還沒(méi)有進(jìn)入真正的近地軌道，而是一個(gè)亞軌道（其近地點(diǎn)仍然在大氣層內(nèi)，但是已經(jīng)非常接近入軌了），此時(shí)ET與航天飛機(jī)分離，那么ET順理成章地會(huì)掉落到大氣層內(nèi)燃燒解體。當(dāng)?shù)竭_(dá)最高點(diǎn)時(shí)，軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)（Orbital Maneuvering System，OMS）將會(huì)點(diǎn)火，“稍微”推動(dòng)一下就可以讓軌道器入軌。這一套操作理念被NASA延續(xù)到了SLS上：SLS在一級(jí)的RS-25熄火并分離時(shí)，仍然處于一個(gè)亞軌道，需要讓上面級(jí)再啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，才能讓上面級(jí)和載荷進(jìn)入軌道。盡管分離時(shí)一級(jí)仍然有一些推進(jìn)劑（這些推進(jìn)劑甚至允許SLS Block.1不啟動(dòng)ICPS就可以入軌），造成了運(yùn)力的損失，但是NASA并不允許航天飛機(jī)和SLS制造出如此巨大的太空垃圾。

由于ET是STS唯一的消耗性部件，因此其設(shè)計(jì)理念是盡量減少活動(dòng)組件，并減少高價(jià)值組件，將所有的動(dòng)力組件、加壓組件和吹洗組件全部集成到了可重復(fù)使用的軌道飛行器和地面設(shè)施上，從而減少航天飛機(jī)的發(fā)射費(fèi)用。ET上所有的操作都通過(guò)線纜連接到了軌道飛行器上，由軌道飛行器進(jìn)行控制。液氫和液氧儲(chǔ)箱中都裝有防渦流擋板，從而最大化地利用推進(jìn)劑（ET按照103%設(shè)計(jì)儲(chǔ)箱容量，也就是說(shuō)ET擁有3%的推進(jìn)劑冗余，從而應(yīng)對(duì)推進(jìn)級(jí)泄露、管路推進(jìn)劑剩余無(wú)法利用、發(fā)動(dòng)機(jī)故障等異常情況）。

ET經(jīng)歷了幾次重大的設(shè)計(jì)迭代，以滿(mǎn)足STS的各種任務(wù)要求和任務(wù)種類(lèi)。自航天飛機(jī)首飛以來(lái)，ET的設(shè)計(jì)發(fā)生了幾次重大變化，共有三個(gè)版本，但其三維和結(jié)構(gòu)方面并沒(méi)有巨大的重做，他們主要的區(qū)別是材料的不同，隨著不斷的升級(jí)，ET也越來(lái)越輕。重點(diǎn)是提高有效載荷質(zhì)量，并減少其制造所用的時(shí)間，提高穩(wěn)定性。首先進(jìn)行飛行的是標(biāo)準(zhǔn)重量?jī)?chǔ)罐（Standard Weight Tank，SWT，有時(shí)也被稱(chēng)之為重型儲(chǔ)罐，Heavy Weight Tank，HWT，HWT這個(gè)名字是相對(duì)于后面的兩款儲(chǔ)罐而言的），SWT共飛行了6次，質(zhì)量為35t，SWT后續(xù)又進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗(yàn)證測(cè)試，為未來(lái)更輕的ET打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。SWT使用了非常保守的加工工藝和材料，其工藝是從Saturn?1C上傳承下來(lái)的，這種工藝在Titan II、Titan III運(yùn)載火箭上也曾使用。但其修改了部分操作，使焊接更加容易、簡(jiǎn)便。但由于一些規(guī)定（比如：強(qiáng)制性要求使用普通儲(chǔ)箱并帶有級(jí)間段，讓級(jí)間段與SSSRB連接以應(yīng)對(duì)SSSRB帶來(lái)的巨大推力，這一點(diǎn)在之前“如何綁助推”的科普視頻中講過(guò)；強(qiáng)制性要求液氧儲(chǔ)箱在上，液氫儲(chǔ)箱在下以調(diào)整整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的重心），ET的減重工作就被限制到了材料和結(jié)構(gòu)上。通過(guò)減少組件數(shù)量，調(diào)整材料種類(lèi)與厚度實(shí)現(xiàn)了ET重量的減輕。ET的輕量化對(duì)航天飛機(jī)的有效運(yùn)力是至關(guān)重要的。上文中我們說(shuō)到，“當(dāng)RS-25熄火時(shí)，此時(shí)軌道器還沒(méi)有進(jìn)入真正的近地軌道，而是一個(gè)亞軌道，ET與軌道器的近地點(diǎn)仍然在大氣層內(nèi)，但是已經(jīng)非常接近入軌了”。所以，ET每減少1kg，航天飛機(jī)的LEO運(yùn)力就會(huì)增加大約1kg，他們是接近1:1的關(guān)系（準(zhǔn)確來(lái)講不到1:1，因?yàn)樽詈蟮娜胲夁€需要OMS推一下，橙罐不是一直在發(fā)射過(guò)程中的，在臨近終點(diǎn)時(shí)被分離）。

對(duì)于火箭來(lái)講，有一個(gè)“死重”概念。死重，往往指的是火箭級(jí)的干質(zhì)量，這一理念需要和運(yùn)力優(yōu)化這個(gè)話(huà)題一起討論。我們舉一個(gè)簡(jiǎn)單的理想化例子：現(xiàn)在有一款火箭發(fā)射載荷，其為兩級(jí)構(gòu)型，一級(jí)干重30t，二級(jí)干重3t，其LEO運(yùn)力為20t（其實(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)就是獵鷹九號(hào)的干質(zhì)量大約數(shù)，只不過(guò)為了好算全部取整）。我們知道火箭的二級(jí)要和有效載荷一起進(jìn)入目標(biāo)軌道，我們假設(shè)則個(gè)目標(biāo)軌道為L(zhǎng)EO。那么滿(mǎn)載情況下，進(jìn)入LEO推進(jìn)劑會(huì)全部消耗完畢，此時(shí)20t的有效載荷和二級(jí)一起在軌道上，然后分離，任務(wù)結(jié)束，此時(shí)這個(gè)LEO軌道上的質(zhì)量為20t+3t=23t（有效載荷質(zhì)量和二級(jí)質(zhì)量）。但是我們?nèi)绻讯?jí)進(jìn)行優(yōu)化，將其干質(zhì)量縮減到2t，由于火箭推進(jìn)劑和發(fā)動(dòng)機(jī)等沒(méi)有改變，那么提供的總Δv是一樣的，那么它同樣還是可以把23t的質(zhì)量送到這個(gè)LEO軌道，與前面相同，這個(gè)23t包括了有效載荷質(zhì)量和二級(jí)質(zhì)量?，F(xiàn)在二級(jí)質(zhì)量從3t變?yōu)榱?t，那么有效載荷就可以從20t增長(zhǎng)為21t，而減去的這些火箭級(jí)重量就是前面所說(shuō)的“死重”。一般來(lái)講，越靠后分離的火箭級(jí)其死重比就越接近1:1，而越靠近起飛級(jí)則越遠(yuǎn)離1:1。舉個(gè)例子，Vulcan的二級(jí)連接著載荷，理所應(yīng)當(dāng)二級(jí)死重和有效載荷的比值就必然為1:1，也就是二級(jí)每減少1kg，LEO有效載荷質(zhì)量就會(huì)增加1kg。但是其一級(jí)死重與有效載荷比為7:1，也就是說(shuō)，一級(jí)每減少7kg，其LEO有效載荷運(yùn)力才會(huì)增長(zhǎng)1kg，因?yàn)槠湟患?jí)只參與了發(fā)射過(guò)程中的一段，而二級(jí)是一直伴隨著有效載荷的。但是要注意的是，末級(jí)永遠(yuǎn)與載荷是1:1的關(guān)系，無(wú)論是哪個(gè)軌道，因?yàn)槟┘?jí)永遠(yuǎn)會(huì)與有效載荷走完全程。但是前面的火箭級(jí)就不一定了。還是拿火神舉例子（以下僅為理想情況，數(shù)據(jù)僅為好理解而虛構(gòu)的，不是官方給出），假如LEO發(fā)射過(guò)程中，一級(jí)占2/3，但是打GTO時(shí)，由于發(fā)射過(guò)程被大大拉長(zhǎng)，一級(jí)占的可能會(huì)降至1/2，也就是說(shuō)一級(jí)的占比更少了。那么就不再是7:1的關(guān)系了，可能會(huì)升至10:1，也就是一級(jí)每減少10kg，GTO的運(yùn)力才會(huì)增加1kg。

在飛行六次后，NASA和LM為STS推出了新的ET——輕量化儲(chǔ)箱（Light Weight Tank，LWT）。其實(shí)LWT在航天飛機(jī)首飛前就開(kāi)始設(shè)計(jì)了，這是因?yàn)橘だ匀蝿?wù)需要STS擁有更強(qiáng)的運(yùn)力。最終，LWT的重量降低了大約5t，達(dá)到了30t。在此次迭代中，為了防止低溫狀態(tài)下液氧儲(chǔ)罐的形變，液氧儲(chǔ)箱新增了很多保護(hù)層，這也使結(jié)構(gòu)重量減輕的部分又被加了回來(lái)，所以重量基本沒(méi)有變化，但大大減少了焊接的長(zhǎng)度，更利于制造和加工。級(jí)間段結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅調(diào)整，大大減少冗雜結(jié)構(gòu)，減少冗余，使重量減少了約一噸半。液氫儲(chǔ)箱減少了防晃板的數(shù)量并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使重量減少了約三噸。除此之外，管線和結(jié)構(gòu)也被優(yōu)化，減少了約半噸的重量。

接下來(lái)，國(guó)際空間站被提上日程，STS被選為建造國(guó)際空間站的主力，所以又對(duì)ET提出了新的要求——繼續(xù)減重，從而讓STS擁有更強(qiáng)大的運(yùn)力來(lái)運(yùn)輸國(guó)際空間站的艙段和桁架結(jié)構(gòu)。 ET由此迎來(lái)了自己的第三個(gè)大版本——超輕儲(chǔ)箱（Super Light Weight Tank，SLWT）。SLWT大量使用了新的2195鋁合金來(lái)代替之前使用的市售2219鋁合金，并隨著結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，SLWT的重量也下降至了26.5t，比LWT還輕了3.5t。還有一個(gè)冷知識(shí)是，F(xiàn)9和FH用的也是2195鋁合金，這也使其擁有相當(dāng)強(qiáng)大的干質(zhì)比系數(shù)。

液氧儲(chǔ)箱和液氫儲(chǔ)箱下部都有管路來(lái)將推進(jìn)劑輸送至RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)，這一點(diǎn)與普通的柱狀儲(chǔ)箱是一樣的。只不過(guò)它更復(fù)雜，因?yàn)橥七M(jìn)劑要從ET經(jīng)過(guò)管線轉(zhuǎn)移至RS-25。

每個(gè)儲(chǔ)箱的前端設(shè)有泄壓閥。此雙功能閥門(mén)在發(fā)射前由地面氦氣打開(kāi)進(jìn)行排氣，清除儲(chǔ)箱內(nèi)的其他氣體。飛行中在液氫壓力達(dá)1.648bar、液氧壓力達(dá)2.471bar時(shí)，泄壓閥也會(huì)打開(kāi)。液氫儲(chǔ)箱前端的是一個(gè)翻轉(zhuǎn)排氣閥門(mén)。分離時(shí)閥門(mén)也會(huì)打開(kāi)，里面剩余氣體會(huì)噴出，從而輔助ET與軌道器的分離，并提供更有利的再入氣動(dòng)控制。發(fā)射前液氧儲(chǔ)箱的排氣口由發(fā)射塔擺動(dòng)臂上的蓋帽罩住，吸去液氧蒸氣以防止儲(chǔ)箱結(jié)冰。倒數(shù)計(jì)時(shí)T-2mins時(shí)蓋帽將會(huì)抬起，擺臂也將會(huì)收回。

【全文完】

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本文參考文獻(xiàn)：

https://history.nasa.gov/SP-4407/vol4/cover.pdf

https://www.rnasa.org/1987files/winner1987.html

https://en.wikipedia.org/wiki/STS-1

https://www.space.com/2282-columbias-white-external-fuel-tanks.html

https://images.nasa.gov/details-S81-39548

https://images.nasa.gov/details-KSC-82PC-0247

https://www.deviantart.com/bluefure/art/USS-ENTERPRISE-NCC-1701-3D-MODEL-396219120

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_Enterprise

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_orbiter

https://en.wikipedia.org/wiki/Energia_(rocket)

https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_Maneuvering_System

https://en.wikipedia.org/wiki/KH-11_KENNEN

https://en.wikipedia.org/wiki/STS-107

https://www.wired.com/2009/03/march-19-1981-shuttle-s-first-fatalities/

https://www.flickr.com/photos/nasacommons/albums/72157650682898116

https://www.flickr.com/photos/nasa2explore/albums/72157630719371642

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_Challenger_disaster

https://en.wikipedia.org/wiki/Thiokol

https://www.flickr.com/photos/nasacommons/9461016300/in/album-72157634969316957/

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_Discovery

https://en.wikipedia.org/wiki/STS-31

https://www.flickr.com/photos/nasahqphoto/5724813230/in/album-72157626460520259/

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_Atlantis

https://www.flickr.com/photos/nasahqphoto/5917022647/in/album-72157626734245869/

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two_Space_Shuttle_Solid_Rocket_Booster_on_the_Crawler_transporter.jpg

http://muhaz.org/solid-rocket-booster-processing-kennedy-space-center.html#KSC_%E2%80%93_Solid_Rocket_Booster_(SRB)_Processing_Areas

《世界航天運(yùn)載器大全 2007》（第二版）

《世界導(dǎo)彈與航天發(fā)動(dòng)機(jī)大全》

http://www.braeunig.us/space/specs/shuttle.htm

https://www.flickr.com/photos/nasacommons/9461021462/in/album-72157634969316957/

https://www.flickr.com/photos/nasahqphoto/5724269261/in/album-72157626460520259/

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_external_tank

AIAA Technical Paper – External Tank Program – Legacy of ?Success

https://en.wikipedia.org/wiki/STS-70

https://en.wikipedia.org/wiki/STS-70

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Launch_System

https://gandalfddi.z19.web.core.windows.net/Shuttle/