中國為何不造航天飛機？史上最復雜航天器，美國2架機毀人亡
作為當今世界的航天大國，中國為什么不造航天飛機？航天飛機作為人類自由進出太空的先進工具，為何接二連三的被各大航空大國放棄？航天飛機最早由美國研發(fā)，是往返于近地軌道和地面間的，可重復使用的運載工具。美國先后研制了6架航天飛機，其中5架進行了載人飛行任務，2架最后以機毀人亡結局，其余的陸續(xù)退役。而前蘇聯(lián)研制的3架航天飛機，除了暴風雪號進行了一次無人試飛外，其它都以半成品廢棄告終。今天我們來聊航天飛機，看看人類為何從航天飛機時代退回到火箭時代，究竟是技術的進步還是倒退。
1972年，美國的阿波羅登月計劃即將接近尾聲，由于當時火箭都是一次性的，讓整個阿波羅計劃的花費遠遠超出了預算。但是與蘇聯(lián)的太空競賽又處于白熱化，大家的太空探索都激情正旺，于是美國國家航空航天局（NASA）計劃，設計一種可以重復使用的航天運載工具，由此航天飛機正式開始研發(fā)。
發(fā)展歷程
1972年3月，NASA經過和空軍對接設計需求，要求航天飛機要有大型衛(wèi)星的發(fā)射能力，還能將18噸的物資送入軌道，最終確定了設計方案：三角翼軌道飛行器加上消耗型推進劑存儲箱，再加上兩個側助推器。同年8月，NASA將軌道器的制造委托給了北美羅克韋爾。1974年，羅克韋爾開始制造第一架航天飛機“企業(yè)號”?！捌髽I(yè)號”屬于測試型飛行器，不包含發(fā)動機和隔熱部件。在運到愛德華茲空軍基地后，“企業(yè)號”被裝在波音747背上開始飛行測試。后來，企業(yè)號也一直承載著測試任務，沒能飛上太空。
第一架真正的航天飛機“哥倫比亞號”，在1975年3月27日開建。這架航天飛機建的也很倉促，隔熱系統(tǒng)開始使用的是燒蝕隔熱罩，但是這種隔熱層不能多次使用。后來NASA又決定改用隔熱瓦拼接，這樣有問題還可以局部單獨更換。這次更改，導致1979年“哥倫比亞號”運到肯尼迪航天中心時，3萬片的隔熱瓦還有兩成沒有安裝，一直拖到兩年后才能起飛。也正是這個隔熱瓦，給未來“哥倫比亞號”的慘劇埋下了隱患。
1979年，NASA又向羅克韋爾訂購了三架軌道器，“挑戰(zhàn)者號”、“發(fā)現(xiàn)號”和“亞特蘭蒂斯號”?！皧^進號”也在1982年開始制造，但是1983年NASA決定把航天飛機的編制限定在4架，“奮進號”的制造被擱置，直到1986年“挑戰(zhàn)者號”爆炸后才重新恢復。
1981年4月12日，“哥倫比亞號”航天飛機開始載人首秀。約翰·楊和羅伯特·克里彭駕駛航天飛機飛入太空，兩名航天員在2天的任務期內，測試了航天飛機的各項設備，期間他們發(fā)現(xiàn)了一個致命的問題，部分隔熱瓦可能脫落了，這樣航天飛機進入大氣層后就會因為隔熱失效而燒毀。于是NASA趕緊聯(lián)系空軍，通過軍用衛(wèi)星拍攝了航天飛機的底部照片，確認所有的隔熱瓦都完好無損，虛驚一場。NASA接著又三次試飛了“哥倫比亞號”，均取得了成功，NASA宣布航天飛機正式投入使用。
1988年，前蘇聯(lián)的航天飛機暴風雪號也問世了。11月15日，能源號運載火箭將無人駕駛的暴風雪號送入預定軌道，在軌道運行3小時后，暴風雪號自動降落在了哈薩克斯坦拜科努爾航天中心的跑道上。但是由于前蘇聯(lián)解體放棄了航天飛機計劃，暴風雪號再也沒有起飛過，自此就只剩下美國擁有航天飛機。
在此后的30年里，美國的5架航天飛機共執(zhí)行了135次任務，共搭載了852人次，完成了國際空間站的建設、哈勃望遠鏡的發(fā)射、衛(wèi)星的發(fā)射回收維修等任務。2004年，布什政府決定終止航天飛機項目。到2011年7月21日，“亞特蘭蒂斯號”成功返航后，航天飛機正式退出了歷史舞臺。雖然經過了兩次重大事故，后面改進的航天飛機都用的好好的，美國在沒有替代方案的時候，為什么還是堅持終止了航天飛機項目呢？
設計構造
美國的航天飛機設計復雜，僅機身零件就超過了250萬個。航天飛機主要由軌道飛行器、外掛燃料箱和兩個固體火箭助推器組成。而軌道器就是航天飛機的核心，包含了火箭和飛行器的雙重設計元素，既能像火箭一樣垂直發(fā)射，又能向滑翔機一樣著陸。
軌道飛行器分為三段，前端為乘員艙，分上中下三層，是經過加壓的居住區(qū)。上層是駕駛艙，設有4到6個座位，儀表板包含2100多個顯示屏或控制器；中層是生活區(qū)，設有床位、廚房和衛(wèi)生間，還設有通往貨艙的氣閘，可以從這里通往艙外；下層是設備間，裝有環(huán)境控制和廢物管理系統(tǒng)。軌道器中段是貨艙，長18米，寬4.6米，還配有一個遙控機械臂，可以用于抓取或操作貨物，最大操作量可達270噸，也能在宇艙員艙外活動時充當移動平臺。軌道器后部是發(fā)動機艙，裝有3臺主發(fā)動機。
外掛燃料箱用于攜帶主發(fā)動機的推進劑，里面裝的是液氧和液氫，是航天飛機上唯一不可重復使用的主要部件。從起飛開始，外掛燃料箱就持續(xù)向主發(fā)動機提供燃料，直到主發(fā)動機熄火。主發(fā)動機熄火后18秒，外掛燃料箱主動脫離軌道器，軌道器縮回臍帶連接裝置并封閉接口。這時外掛箱前上方排出氧氣，造成翻滾狀態(tài)，這樣在墜入大氣層時就會完全解體燃燒。
在外掛燃料箱兩側，還分別連接著一臺固體火箭推進器，每個里面裝有500噸的固體火箭推進劑，在航天飛機起飛和上升階段可以提供71.4%的推力。固體推進器在起飛后大約2分鐘耗完燃料，大約在距離地面46KM處脫落，然后打開穩(wěn)定傘和降落傘，落入海面進行回收，最后由其制造商賽奧科公司翻新后再次使用。這個固體推進器，進行了多次的重新設計，也是釀成“挑戰(zhàn)者號”爆炸的罪魁禍首。
除了軌道器、外掛箱和固體推進器，隔熱系統(tǒng)對航天飛機來說也異常重要，要不然再入大氣層時航天飛機就會像隕石一樣燃燒殆盡。再入大氣層時，隔熱系統(tǒng)外側的溫度會高達1600℃，但軌道器的鋁質外殼溫度要求不能超過180℃。美國航天飛機采用了四類隔熱瓦，其中軌道器前錐和機翼前沿使用的是碳纖維強化碳質復合材料。這個隔熱瓦，也造成了后來“哥倫比亞號”的慘劇。
蘇聯(lián)的航天飛機，雖然參考了美國的航天飛機設計，在一些方面還超越了美國。它沒有主發(fā)動機，跟能源號火箭捆綁上天，不需要外掛燃料箱和推進器，因此起飛時受限制小。而且尾部裝有兩臺小型發(fā)動機，橫向機動距離比較大，在著陸遇到問題時還可以二次著陸。隔熱系統(tǒng)方面，蘇聯(lián)使用了很細的玻璃纖維和碳碳復合材料構成的隔熱瓦，最高可以承受2000℃的高溫。蘇聯(lián)的航天飛機還實現(xiàn)了無人駕駛，安全系數(shù)大大提升。但是其設計制造的復雜程度，也不亞于美國的航天飛機。可惜，蘇聯(lián)的航天飛機由于其國家的解體，沒有在實戰(zhàn)中驗證其性能。
航天飛機從設計制造、材料選擇，到發(fā)射返回操作，都是極其復雜的。任何一個環(huán)節(jié)出問題，都可能是致命的。
重大事故(巨星隕落）
航天飛機的復雜設計，注定其在使用過程中不可能一帆風順。美國航天飛機雖然完成了很多重大的歷史性任務，但是卻發(fā)生了兩次重大事故，造成了14名宇航員喪生，成為人類航天史上最慘痛的教訓。
1986年1月28日，“挑戰(zhàn)者號”航天飛機在起飛73秒后解體，7名航天員全部罹難。這次飛行是航天飛機的第25次飛行，也是“挑戰(zhàn)者號”的第10次飛行。
美國總統(tǒng)里根委托羅杰斯委員會對該事故進行了調查，調查委員會發(fā)現(xiàn)，NASA的組織文化和決策過程是造成這個事故的關鍵因素。挑戰(zhàn)者號右側固體助推器的O型環(huán)在低溫下失效，高溫燃燒的氣體泄露，并燒穿了旁邊的外掛燃料箱，導致的爆炸和解體。而O型環(huán)的問題，早在1977年測試時就發(fā)現(xiàn)了，NASA和推進器制造商賽奧科都沒有采取有效措施。而且在之前的多次發(fā)射中，NASA也都發(fā)現(xiàn)了O型環(huán)侵蝕的情況，特別是在低溫情況下侵蝕更嚴重。
在“挑戰(zhàn)者號”發(fā)射時，天氣預報顯示當天溫度會創(chuàng)下航天發(fā)射史新低，計劃的9點38分發(fā)射時預計溫度只有零下3℃，而此前航天飛機從來沒有在12℃以下發(fā)射過。賽奧科的工程人員提出了低溫可能會對O型環(huán)密封效果不利的擔憂。
發(fā)射前一天晚上，肯尼迪航天中心辦公室主任塞西爾·休斯頓召開了討論發(fā)射安全的電話會議，開始賽奧科的管理人員和工程人員都提出低溫不具備發(fā)射條件，O型環(huán)可能會失效，會議中一直爭論不休只好休會。休會結束后，不知為什么，賽奧科的管理層態(tài)度來了一個180度的轉彎，認為O型環(huán)影響證據不足，開始支持發(fā)射，就這樣，工程師的警告被置若罔聞，一場悲劇的發(fā)射被NASA最終確定了。
而此前，“挑戰(zhàn)者號”的發(fā)射因為天氣原因，已經被推遲了4次，這次冒險發(fā)射也許就是來自管理層急于求成的官僚作風?？杀氖?，這次發(fā)射還安排了全美的兒童在學校觀看直播，給這些孩子帶來了不可磨滅的心理陰影。
2003年2月1日，航天飛機的災難再次降臨。哥倫比亞號在執(zhí)行完STS-107任務后，重返大氣層。在進入大氣層不久后，哥倫比亞號航天飛機爆炸解體，7名宇航員全部遇難。而這次事故的調查結果，原因還是原來的管理和技術問題。哥倫比亞號在發(fā)射時，外掛燃料箱上的隔熱材料脫落，擊中了軌道器左前翼的邊緣，損壞了隔熱瓦。
在航天飛機重返時，高溫氣體穿透損傷部位并摧毀了內部機翼的結構，導致航天飛機在空中迅速解體。其實，哥倫比亞號發(fā)射后，就有NASA工程師提出左翼已經受損，但是管理人員限制了進一步的調查。
如果像第一次那樣，用衛(wèi)星拍照，是完全可以發(fā)現(xiàn)問題的，然后再派一架航天飛機上去，就可以接回7名宇航員，不過這樣操作成本就太高了。最后，NASA管理層選擇了冒險，悲劇再次發(fā)生。更可悲的是，地面也沒有向宇航員透露任何危險的信息，這些宇航員至死也不知道，他們在返回的時候，可能已經被放棄了。
這兩次的慘痛事故后，航天飛機均停飛了兩年多，其安全性也一度受到質疑。不過在經過事故調查和評估后，又都開始復飛。那最后是什么讓美國下定決心淘汰航天飛機的？
退出歷史
其實航天飛機設計的初衷是，低成本的將航天員和載荷運入地球低軌道。當時設計每個航天飛機可以發(fā)射100次，使用壽命10年，而使用壽命在實際中被延長。航天飛機項目最初的預算是430億美元，最后實際總投入達到了2210億美元，共發(fā)射了135次，平均每次發(fā)射耗資16.37億美元。
航天飛機退役后，美國宇航員蹭車乘坐的俄羅斯聯(lián)盟號飛船，最高報價單人往返也才9500萬美元，這還是趁火打劫的價格，一般報價在7000萬美元左右，7名宇航員的一次花費還不到5億美元。
中國載人飛船發(fā)射一次花費大概8.5億人民幣，折合1.26億美元，一般運載3人。而SPACEX的新一代龍飛船，單人往返有望降到2000萬美元。這些都要遠低于美國航天飛機的運載成本。由此看來，航天飛機根本就無法達到降低成本的目的。復雜的設備維護和任務的不飽和，反而拉高了成本，使之成為史上最貴的航天工具。
除了運行成本高，航天飛機的事故率也遠高于其他運載工具。最初航天飛機計劃使用100次，每月重復使用一次，就像房地產一樣搞高周轉。高頻的發(fā)射還可以獲得大量的商業(yè)訂單，這樣單次發(fā)射成本甚至可以壓到幾百萬美元。但是，在實際運行的時候發(fā)現(xiàn)根本無法實現(xiàn)。整個航天飛機運行過程中，最快的周轉周期都長達54天，在挑戰(zhàn)者號事故后，最快的周轉時間延長到了88天。最主要的原因還是因為航天飛機復雜的設計，檢修維護耗時很長。這還不說，5架航天飛機2架出事，40%的損毀率，這嚴重的安全隱患也促使了航天飛機的快速落幕。
航天飛機一度讓人以為，火箭將成為過去?？墒墙涍^30年的運行，高成本、運轉周期長、安全隱患高這些問題都暴露了出來，讓人意識到，航天飛機還只是一種高風險的實驗性飛行工具。連最初設計制造航天飛機的美國都放棄了這個項目，所以，中國為什么不制造航天飛機？不是沒實力，只是沒有必要花費精力去弄一個已經驗證的失敗品。目前，在航天應用中，可回收火箭逐漸成為主流。當然，也許未來人類還會開發(fā)出更牛的航天器，類似飛碟或UFO那樣的神器，更加的安全、高效和經濟。
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