真相驚人!航天飛機時代將要被終結

  近30年來,由哥倫比亞號、挑戰者號、發現號、亞特蘭蒂斯號和奮進號構成的航天飛機家族,歷經上百次發射任務,將航天員和貨物送往近地軌道。它們執行過的任務包括負荷運載、科學艙發射、精密裝配以及國際空間站維護。

  它們也被用於飛行狀態下自身及其他衛星的檢修、超精度軌道雷達測繪、繫繩實驗和細微接近推進。而這些功能並未完全來源於設計之初的構想框架,因此某種意義上航天飛機的進步歷程打破了“形式服從功能”的設計常規,也以出色的表現完美超越了其建造者的夢想。

  與航天飛機相比,當前的運載火箭可以運送同等甚至更大的可展開衛星和火箭的級。同時,一些用於執行特殊載人任務的替代航天器等也已處於研發階段。

航天飛機

  替代產品一路高歌猛進的同時,我們還應看到現在面臨的最大設計問題在於:航天飛機項目的終結我們將失去什麼,而所失去的一切是否真的可以放棄。如若答案是“失去了太多!”和“無法放棄!”我們就應該認真考慮如何在新一代的航天器中重建這些功能。

  失去的功能之一:既有太空設備大型附加艙的平穩運送

  與其他運載方式相比,航天飛機的有效載荷艙能提供相對最低的加速度、震動和噪音環境,這便意味著能從多個方面節省開支,大型組件的建造成本同時也可以大幅降低。航天飛機的艙內備有運送設備,能將貨物移動到接近目標地的位置,然後再由機械臂小心完成安裝。

  假如失去這項功能,這些組件的結構就不得不製造的更加堅固,以承擔升空過程中的巨大壓力,顯然,這會使它們重量大增。而更糟糕的是,失去了航天飛機裝配協助,組件可能就必須加裝附件以獲得機動能力,而在現有結構上加裝附件會造成顯著的機械應力,這種應力將會讓設計師們焦頭爛額。

2002年的一次發射,哥倫比亞號破雲而出

  此外根據航天飛機的設計,一旦遇到意外情況,它可以允許載荷艙完整收回,這樣便能部分緩解斥資製造備份組件的壓力。

  失去的功能之二:攜帶貨物平穩著陸

  航天飛機的載荷艙能夠搭載專業實驗艙進入軌道並重新將其帶回地面重複使用。它也能回收大型宇宙飛船和飛船組件進行維修並重新部署。

  另外,航天飛機採用滑翔式返回,因此回歸大氣層的壓力不會超過1.5g,幾名航天員甚至曾在大部分的降落過程中保持站立姿勢,以展示這種優異的性能。如果沒有了航天飛機,可回收設備的尺寸便會受到很大的限制,因為設備返回過程中將要經受嚴峻的壓力和振動考驗。

 

 挑戰者號失事圖片

  為了替代航天飛機運載大型設備的能力,目前NASA不得不研發可膨脹的充氣式隔熱罩。但即便有這種隔熱罩,設備依然難以避免巨大的返回和著陸壓力。

  失去的功能之三:高安全係數的“親密接觸”

  航天飛機的長度允許它使用鼻錐和尾部的推進器進行十分細微的機動,把飛機準確推動到返回式衛星等小目標和需要維修的軌道儀器附近。一旦這些設備出現在有效載荷艙的上方,航天飛機便轉變到一種稱為z坐標(z axis)的控制模式。

  在這種模式下,目標物體一般不會成為前端和後端的推進器的障礙,這樣就能避免目標被發動機推進劑污染,也就無需來回推動目標物體。還有一種更加細微的推進模式,稱為“低z坐標”,這種模式是通過啟動鼻錐端和尾端略微傾斜於水平方向的平衡推進器來實現。

 今年二月發現號最後一次升空

  儘管這種推進方式比較古怪,但“低z坐標”模式是航天飛機由幸運巧合而誕生代表功能之一,該功能在很多衛星回收修理任務中起到非常關鍵的作用,這其中就包括著名的哈勃望遠鏡修理任務。

  航天飛機這種細微推進能力是之前曾設計,建造過的航天器所不具備的,而如果任何其他航天器試圖進行類似的親密接觸,很可能就會遭受嚴重的損傷。

  失去的功能之四:軌道實驗、修理和其他裝配任務的臨時工作平台

  貨車車廂大小的載荷艙可以作為衛星精密修理的臨時平台,它曾發揮過以下功能:為失去動力的衛星安裝火箭的級,對太陽帆板和空間站主梁的展開進行測試,作為20千米繩系載荷部署的平台,以及特殊用途空間站的裝配和維護。

  另外航天飛機還允許兩人(甚至有一次三人)進行多次太空行走,這也拓展了手動維護的範圍,使太空設備的組件可以輕易運回艙內進行維護並再次放回。

 

從國際空間站拍到的亞特蘭蒂斯號

  得益於航天飛機的尺寸,航天員可以靈活攜帶補充工具和備件進入軌道,另外它還能提供外部公用電源和通訊系統,這些都是阿波羅,獵戶座以及聯盟系列飛船無法企及的。

  失去的功能之五:攜帶專業設備進行超精度軌道勘測

  一些特殊的勘測任務要求航天飛機在太空完成雜技般精準的動作,任務需要將攜帶的觀察設備調整到極其精確的位置。

 勇氣號在太空

  比如,雷達地形勘察任務便要求飛機航行位置絕對準確,以保證多次任務的疊加效果等同於多架航天飛機同時編隊的測繪效果,因此觀測過程中必須要用微型推進器對航線擾動進行不斷修正。

  失去的功能之六:靈活的機組成員構成

  航天飛機可搭載六到七人(甚至有一次八人)進入軌道,並允許三到四名職業宇航員招待來自於科研領域的客人。儘管一些職業宇航員也曾是科學家,但由於之前尺寸稍小的運載工具對飛行機組專業性要求很高,使他們不得不離開實驗室進行長達10年以上的專業飛行訓練,因此儘管他們大都才華橫溢。

航天飛機

  但畢竟也長期遠離了最前沿的科學研究和專業技能。而擁有七人機組的航天飛機編組就靈活許多,它甚至可以預留出空間給偶爾蒞臨的政治家,教師甚至記者等VIP乘員。

  結論:

  一個無法迴避的事實是這些功能大都耗資巨大,以致整個航天飛機項目大大超出計劃預算。更不幸的是,因為操作失誤,還有兩架航天飛機不幸失事。但是航天飛機表現出的寶貴能力卻又經常遠超預期,而這一切在過去幾年裡才變得清晰起來。

  其實最後一點也可以算是對未來航天器設計者和空間探索理論家們提出得忠告:如果建造宇宙飛船或其他太空設備的過程,始終遵循預定的構想和有限的功能(正如NASA現在所為),那最終得到的也只有這些或稍多一點。

  就永遠無法像曾經輝煌的航天飛機那樣,不只局限於飛行器的最初設計,而是始終尋求新思路,謀求新功能,從而得到越來越有效的應用。我想應該沒有人會質疑蒼穹的太空總是充滿各種意外,所以就航天器而言,只有不斷探索新功能才是唯一應對未知狀況的必由之路。

航天飛機

  毫無疑問,當前處於設計階段的下一代航天器將同時面臨巨大的機遇和未知的挑戰。但是如果我們意識不到循規蹈矩的設計構想永遠無法滿足外太空的意外因素這個前提,那便無法理解這些新的航天器計劃將令我們失去什麼。

  至於航天飛機,我們已經逐漸摸索出應對各種問題的能力而現在卻又要面臨失去的風險,我想當前最好還是考慮如何替代它們而不是完全放棄。只有這樣,我們才能把握未來航天器的發展方向,做好在未知的太空領域應對一切意外情況的準備。




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