航天飞机出发！历经坎坷的太空梦想（上）

　　本次为大家带来一篇关于航天飞机的故事（内附高能图片），没错！文章有丢丢长，大家慢即慢阅（分了上下两篇）...可以买个瓜边吃边阅读！在阅读的同时，不要忘记点赞评价哟~
　　1981年4月12日，卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心，经过近12年的研发，人类历史上首架航天飞机（Space Shuttle）-哥伦比亚号（STS Columbia OV-102）成功发射，此后，人类探索宇宙进入了一个新时代，哈勃望远镜的部署，国际空间站的组建以及大量在轨进行的科学试验都是依赖于航天飞机而实现，如今，航天飞机虽已退役，但它仍然承载着人类探索宇宙30年的梦想。
　　1.这种在当时来说科幻级的东西，究竟是怎么想出来的？
　　1969年，阿波罗11号成功登陆月球，不计成本的资金投入和稳定的研发环境使美国人赢得了太空竞争的胜利。1970年，越南战争已持续5年，用于战争的财政支出导致NASA的太空计划预算被大幅削减，终止阿波罗计划的议案正式提出，1972年12月，阿波罗17号登月，完成了阿波罗计划的最后一次任务，至此，整个阿波罗计划结束。下面这张照片就是降落在月球表面的阿波罗17号登月舱：
　　但NASA并没有放弃继续探索太空的梦想：越过月球去探索其他星球！要想实现这个梦想，就需要建立一个能够在地球轨道稳定运行的前哨站系统，用于收集信息和科学试验，这个前哨站系统就是现在的国际空间站。当时的设计方案就已经表明，空间站无法一次性部署，需要宇航员携带设备和组件在太空和地球之间多次往返进行建造，因此，NASA决定开发一种能够同时载人运输并重复使用的航天器，航天飞机应运而生。下面这张概念图展示了当时NASA对空间站系统的构想（右下角的就是航天飞机）：
　　2.那么这个外型炫酷，还能像飞机一样着陆的家伙又是怎么造出来的呢？
　　从当时的情况来看，土星5号是NASA的主力火箭系统，同时也是世界上仅次于苏联＂能源号＂运载火箭的推力第二大运载火箭，总推力可达3400吨左右，并且具有很高的安全性，全部17次发射的成功率达到100%。下图就是土星5号运载火箭。
　　但问题在于建设空间站并不像阿波罗计划那样是单次任务，宇航员和设备需要频繁往返于地球和太空之间，而土星5号采用的是多级可抛式设计，每次发射所丢弃的部件中可回收再利用的部分极少，这样就会造成极大的浪费和很高的任务成本，于是NASA决定研发一种能够重复使用的航天器，以降低任务成本（当然最终的结果并非如此......这一段我们后边细说）。下面是当时竞标航天飞机项目的几家公司给出的设计图：
　　洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin Space Systems Company）设想的两级载人航天发射系统，两级航天器都可进行载人和运输。
　　麦克·唐纳公司（McDonnell Aircraft Corporation）设想的航天飞机方案。
　　通用动力公司（General Dynamics）设想的航天飞机方案。
　　格鲁曼（Northrop Grumman Corp.）-波音（The Boeing Company）公司设想的航天飞机方案。
　　事实上，当时的NASA地位相对弱鸡，航天飞机计划也并未得到普遍认可，同时，NASA在发射方面不能完全自主控制，大多权限还是掌握在军方手中，于是NASA竭尽全力满足军方对于航天飞机高频次发射及有效载荷的要求，航天飞机的设计方案被多次修改，但军方表示不会为此项目埋单，NASA只得再次四处奔走寻求支持。
　　屋漏偏逢连夜雨，1971年5月，美国国会驳回了NASA要求增加航天飞机项目预算的请求，航天飞机计划一时陷入僵局，无奈之下，NASA不得不再次修改航天飞机的设计方案以满足现有预算。下图展示了1972年-1974年期间，几经变更的航天飞机设计方案：
　　值得庆幸的是，NASA的努力总算没有白费，1972年1月5日尼克松总统批准了航天飞机计划，预算为430亿美元，每次发射的预算为5400万美元，计划建造7架，最终的设计方案也尘埃落定：
　　图中显示了航天飞机（我们平时所说的航天飞机其实是整个航天飞机系统的轨道器）的最终设计方案，机身截面采用了方形双三角形下单翼设计，尾部有一片垂直尾翼。前端是乘员舱，分为三层，分别为驾驶舱，居住舱和仪器舱，尾部为引擎组，其中包括三台主发动机，两台轨道机动发动机和反作用控制系统。
　　中段主要为有效载荷舱，容积约为300立方米，一次可携带重量达29吨左右的货物，舱内可以装载各种卫星、空间实验室、大型天文望远镜和各种深空探测器等。（哈勃望远镜和国际空间站的组件就是装在这里被运送到太空的）
　　航天飞机设计的飞行过程有上升、轨道飞行、返回三个阶段。起飞命令下达后，航天飞机在助推火箭的推动下垂直上升，直至进入预定轨道，完成上升。进入轨道后，航天飞机的主发动机熄火，由两台小型火箭发动机控制飞行。到达预定地点后，航天飞机开始工作。航天飞机完成任务后，便开始重新启动发动机，向着地球飞行。进入大气层后，航天飞机速度开始放慢，并像普通滑翔机一样滑翔着陆。下图为整个航天飞机系统的理想工作状态。
　　在解决了设计方案后，NASA遇到了第一个极具挑战性的技术性问题：开发新的引擎系统。
　　但研发航天飞机的初衷之一就是最大程度上放弃这种＂抛弃式的浪费＂，因此，开发一种推力强劲且自重较轻的发动机成为了此时最重要的任务。
　　早在1954就开始的X-15高超音速研究项目为NASA研发新型引擎系统奠定了基础，当时的试验飞行几乎涉及了高超音速研究的所有领域，在某些方面，X-15项目成为了航天飞机的雏形。下图展示X-15项目进行试验的飞机：
　　几经讨论后，NASA将研发的方向锁定在了氢氧发动机，即采用氢氧混合剂作为作为发动机的燃料，最终，普莱特和惠特尼洛克达因公司（Pratt & Whitney Rocketdyne, Inc.）为航天飞机设计了分级燃烧循环氢氧发动机，也就是我们熟知的SSME发动机（Space Shuttle Main Engine），内部名称为RS-25。
　　SSME发动机结构复杂，工作温度为-253 C（氢燃料输送管）至3,300  C（燃烧室）主要工作原理为：液氢首先由预压泵进行预压，然后进入主泵二次加压，接下来对喷管进行冷却并气化。气化后的氢分成两路，比较大的一路要再次分成两路分别注入两个预燃室，比较小的一路则要用来冷却燃烧室，变成温度更高的气体用于推动氢预压泵，然后也分为两路分别注入两个预燃室，这一部分实际上为部分膨胀循环。
　　液氧也首先通过预压泵预压，然后通过主氧泵再次加压，加压后则分为三路：流量最大的一路直接进入燃烧室；流量稍小的一路则用于驱动连接着液氧预压泵的涡轮，然后合并到氧预压泵预压过的低压液氧流中，再次进入主氧泵。
　　最小的一路经过一个与主氧泵同轴的高压氧泵再次加压后分成两路，分别注入两个预燃室。最后，全部的氢和少量的液氧在两个预燃室中燃烧为富燃燃气，分别推动连接着氧泵和氢泵的涡轮，最后注入到燃烧室。
　　SSME发动机的设计推力达到了1670KN（海平面），相当于土星5号发动机推力的3倍（中国目前最先进的用于长征5号的YF-77发动机推力为510KN-海平面），但同时发动机会承受210个大气压强的强度，导致整个引擎系统负荷极大，1974年5月第一台完整的SSME样机被架在试车台上开始首次测试，但仅成功运行了半秒钟。
　　此后，在持续最大推力的测试中，发动机无法达到最大推力状态，其中最主要的原因是输送推进剂的涡轮泵功率不足，无法满足SSME发动机对推进剂的渴求。
　　在液氢泵方面，出现了驱动轴会在轴承支座中振动，轴承冷却通道设计不足，涡轮叶片裂纹等问题，解决这些问题共花了将近20个月的时间。
　　在液氧泵方面，高压液氧的泄露一直困扰着工程师们，因为只要有一点泄漏就会起火燃烧，导致发动机被烧毁，无法分析故障原因。
　　时至1978年12月，一台SSME发动机在静态测试时爆炸，追踪到液氧阀和热交换器出现了问题。阀门故障很容易理解和解决，但热交换器的问题则令人费解，无法明确原因。
　　1979年，在逐步解决了上述问题后，开始三台发动机的联合测试，一次联合测试失败，在4个月后终于测试成功。
　　最终，NASA花费了10年的时间研发出可重复使用的SSME发动机，这项技术在当时来说，已接近时代的巅峰。下面这段视频展示了SSME发动机工作的过程：
　　事实上，由于SSME发动力动力过于强劲，所以仅负责把航天飞机推出大气层，一旦航天飞机进入轨道，只需要较小的动力即可调整飞行姿态，因此在航天的尾部还设计了轨道机动发动机（OMS）。
　　轨道机动发动机的燃烧室压力较低，一般采用可贮存推进剂和挤压式推进剂供应系统。这种发动机具有多次起动和大幅度调节推力的能力，能在高真空、辐射和失重等空间环境中可靠工作。下图展示了完整的轨道机动发动机：
　　在当时设计的轨道机动发动机，采用了四氧化二氮和一甲基肼为推进剂，挤压式供应系统和再生冷却式推力室，喷管延伸段用铌合金单壁结构，辐射冷却。发动机真空推力为2.7KN，可重复使用100次， 在一次飞行任务中可起动不少于10次，累积工作寿命达15小时。下图为轨道机动发动机原理图：
　　虽然航天飞机获得了强劲的动力，但在起飞阶段仍缺乏爆发力，航天飞机无法穿越卡门线（大气层和太空的界线，距地面高度100公里）
　　在几番变更设计方案后，NASA决定采用两枚固体火箭推进器作为航天飞机的补充动力，推进器分别捆绑在航天飞机的两侧，耗尽燃料后脱离航天飞机，然后打开降落伞溅落在海洋进行回收，经过翻新后可以再次使用。
　　下图为NASA进行助推器溅落测试：
　　与此同时，由于燃料的消耗量惊人，燃料存储方面采用了大型外部燃料箱，这是整个航天飞机系统里，唯一不能够回收再利用的部分。
　　至此，基本解决了航天飞机动力方面的问题，尽管航天飞机计划问题频出，但NASA仍坚定的推进着研发工作，由于计划采用了大量全新技术，在之后的研发过程中NASA再次遭遇了困境。
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