美国航天飞机是如何工作的？

　　前言：在近30年的历史中，航天飞机项目经历了令人兴奋的高峰和毁灭性的低谷。这个舰队已经成功地带着宇航员执行了几十次任务，带来了不可估量的科学成果。但这一成功也付出了严重的代价。1986年，＂挑战者号＂在发射过程中爆炸。2003年，＂哥伦比亚号＂在重返德克萨斯上空时解体。
　　自哥伦比亚号事故以来，航天飞机一直停飞，等待重新设计以提高其安全性。2005年的发现号航天飞机是应该启动恢复飞行,但一大块绝缘泡沫从外部燃料箱挣脱了,让科学家们解开这个谜团,程序再次接地,直到2006年7月,当＂发现号＂和＂亚特兰蒂斯号＂执行成功的任务。航天飞机的构造
　　航天飞机的主要组成部件 :
　　固体火箭助推器(SRB)：对航天飞机发射起着至关重要的作用；
　　外挂燃料箱(ET) ：为发射携带燃料；
　　轨道飞行器：携带宇航员和有效载荷。
　　航天飞机发射使用了以下组件 :
　　两个固体火箭助推器（SRB）；
　　主引擎；
　　外燃油箱(ET)；
　　轨道机动系统(OMS)；
　　固体火箭助推器
　　SRB是一种固体火箭，能够提供将航天飞机推离发射台所需的大部分主要力量或推力(71%)。此外，SRB支撑着航天飞机轨道器和发射台燃料箱的全部重量。
　　每个SRB由以下部分组成:固体火箭发动机、外壳，推进剂，点火器，喷管。
　　固体推进剂燃料-雾化铝(16%)氧化剂-高氯酸铵(70%)催化剂-氧化铁粉(0.2%)粘合剂-聚丁二烯丙烯酸-丙烯腈(12%)固化剂-环氧树脂(2%)。
　　因为SRB是固体火箭发动机，一旦点火，就不能关闭。因此，它们是发射时最后一个点燃的组件。
　　主引擎
　　轨道飞行器有三个主引擎位于尾部(后)机身(航天器的身体)。每个发动机长14英尺(4.3米)，7.5英尺(2米)。最宽处(喷嘴)直径为3米，重约6700磅(3039公斤)。主引擎提供剩余的推力(29%)，使航天飞机离开发射台进入轨道。
　　发动机燃烧储存在外部燃料箱(ET)中的液氢和液氧，其比例为6:1。它们以惊人的速度从外星人中吸收液态氢和氧气，相当于每10秒清空一个家庭的游泳池!
　　外部燃料箱（ET）
　　主发动机的燃料储存在ET中，ET长48米，直径8.4米。空时，ET重35455公斤。它能装载719000公斤推进剂，总容积约为200万升。
　　ET是由铝和铝复合材料制成。它内部有两个独立的油箱，前油箱供氧，后油箱供氢，油箱之间有一个区域隔开。每个油箱都有挡板来抑制内部液体的运动。液体从每个燃料箱通过一条直径为43厘米的管道流出，通过一条脐带线进入航天飞机的主引擎。通过这些管道，氧气的最高流速为66600升/分钟，氢气的最高流速为179000升/分钟。
　　ET覆盖了2.5厘米厚的喷涂层，聚异氰脲酸酯泡沫绝缘。隔热层可以保持燃料的低温，保护燃料不受飞行中在ET表面积聚的热量的影响，并最大限度地减少冰的形成。哥伦比亚号2003年发射时，绝缘泡沫碎片从ET上脱落，损坏了轨道飞行器的左翼，最终导致哥伦比亚号在重返大气层时解体。
　　轨道机动系统和发射
　　两个轨道机动系统(OMS)发动机位于轨道飞行器尾部的吊舱中，一个在尾部的两侧。这些发动机将航天飞机送入最后的轨道，改变航天飞机从一个轨道到另一个轨道的位置，并使航天飞机减速以进入大气层。
　　OMS发动机燃烧一甲基肼燃料(CH3NHNH2)和四氧化二氮氧化剂(N2O4)。有趣的是，当这两种物质接触时，它们会在缺氧的情况下自动点燃和燃烧(即不需要火花)。燃料和氧化剂分别保存在不同的容器中，每个容器由氦气加压。氦气推动液体通过燃料管路(也就是说，不需要机械泵)。
　　轨道飞行器一旦进入太空，航天飞机轨道飞行器就是你7到14天的家。轨道飞行器可以定向，这样货舱门面对地球或远离地球取决于任务目标;事实上，在整个任务中方向可以改变。指挥官要做的第一件事就是打开货舱门来冷却轨道飞行器。航天飞机任务中要做的工作
　　航天飞机主要任务:
　　进入轨道后，航天飞机从发射台升空上升到运行轨道；
　　轨道，开展太空生活；
　　返回；
　　着陆
　　航天飞机一次任务通常持续7到8天，但根据任务目标的不同，可以延长到14天。
　　为了将重达450万磅(205万公斤)的航天飞机从发射台送入离地球185至643公里的轨道。
　　航天飞机的设计目的是部署和回收卫星，并向地球轨道运送有效载荷。为了做到这一点，航天飞机使用远程操纵系统(RMS)。RMS是由加拿大建造的，它是一个长手臂，有一个肘部和手腕关节。你可以从船尾飞行甲板上控制RMS。RMS可以从货舱抓取有效载荷(卫星)并部署它们，或抓取有效载荷并将它们放入货舱。
　　在过去，航天飞机被用于发射卫星和在太空中进行实验。在中间甲板上，有在每次任务中进行的实验架。当需要更多的空间时，任务使用由欧洲航天局(ESA)建造的太空实验室模块。它适合进入货舱，并从船员舱的中间甲板通过隧道进入。它提供了一个＂合而为一＂的工作环境。2003年，太空实验室和哥伦比亚号一起消失了,现在大多数实验将在国际空间站上进行。
　　航天飞机的主要任务是建造国际空间站并为其提供补给。航天飞机运送在地球上建造的部件。宇航员使用RMS从货舱移除组件，并帮助将它们连接到空间站现有的模块上。操纵轨道飞行器重返大气层
　　这些材料的设计目的是吸收大量的热量而不大幅度提高温度。换句话说，它们有很高的热容。在再入过程中，后舵喷气机帮助保持轨道飞行器在其40度的姿态。环绕在轨道飞行器周围的大气中的热电离气体在大约12分钟内阻止了与地面的无线电通信(即电离断电)。
　　当轨道飞行器成功重返大气层时，它会遇到大气层的主要空气，并能够像飞机一样飞行。轨道飞行器是从一个提升体设计与后掠＂三角＂机翼。在这种设计下，轨道飞行器可以用很小的机翼面积产生升力。在这一点上，飞行计算机使轨道飞行器飞行。当它开始最后一次接近跑道时，它会做一系列的s形倾斜转弯来减缓它的下降速度。
　　当轨道飞行器距离着陆地点约225公里高时，指挥官从跑道(战术空中导航系统)接收到无线电信标。在距地面40公里处，航天飞机的着陆计算机将控制权交给指挥官。指挥官驾驶航天飞机绕着一个假想的圆柱体飞行(直径5500米，使航天飞机与跑道对齐并降低高度。在最后的降落过程中，机长将下降角度加大到负20度(几乎是商用客机下降角度的7倍)。
　　航天飞机着陆的飞行路径
　　当轨道飞行器离地面610米时，指挥员拉起机头以减缓下降速度。飞行员展开起落架，飞行器着陆。指挥员刹住轨道飞行器，垂直尾翼上的速度制动器打开。降落伞从后部打开，以帮助停止轨道飞行器。降落伞和尾部的速度制动器增加了轨道飞行器的阻力。轨道飞行器在跑道的中途到四分之三处停止。
　　着陆后，机组人员通过关闭程序来关闭飞船，该过程大约需要20分钟。在这段时间里，轨道飞行器正在冷却，在重返大气层时产生的有害气体被吹走。一旦轨道飞行器的电源关闭，宇航员就会离开飞行器。地面工作人员已在现场开始对轨道飞行器进行维修。航天飞机的技术一直在不断更新。
　　正如前面提到的，从ET上掉落的碎片(泡沫绝缘材料)损坏了航天飞机轨道器，导致哥伦比亚号在重返大气层时解体。为了让航天飞机恢复飞行状态，美国宇航局主要关注三个方面:
　　重新设计ET以防止绝缘损坏航天飞机；
　　提高对轨道飞行器（穿梭机）的检查，以检测损坏情况；
　　在轨道上找到修复轨道飞行器可能损坏的方法，为受损的航天飞机的机组人员制定应急计划，让他们留在国际空间站，直到救援。
　　冷的液化气体作为燃料(氧，氢)，由于温度非常低，来自大气的水在ET的表面和通向轨道飞行器的燃料管道上凝结和冻结。冰可能会从ET上脱落，或导致ET泡沫绝缘材料开裂脱落。除了冰，如果任何液体气体泄漏并进入泡沫下面，它会膨胀并导致泡沫绝缘材料破裂。因此，ET的大部分重新设计都集中在消除可能发生冷凝的地方。
　　为了检测掉落的碎片和可能对航天飞机造成的损害，美国宇航局还做了以下工作:
　　107个摄像机(红外线，高速数字视频，高清电视，35毫米，16毫米)已经安装在发射台上和周围，以拍摄航天飞机升空时的画面。
　　距离发射台40英里范围内的10个地点已经安装了摄像机，用来拍摄航天飞机升空过程。在云层较厚的日子，地面摄像机将被遮挡，两架WB-57飞机将从高空拍摄航天飞机上升的过程。
　　三个雷达跟踪设施(一个用C波段，两个用多普勒雷达)将监视航天飞机以发现碎片。
　　新的数字摄像机已经安装在ET上，以监测轨道飞行器的底部，并通过安装在ET上的天线将数据传送到地面。
　　SRB的前端安装了摄像机来监视外星人。
　　航天飞机机组人员配备了新的手持数码相机，以便在分离后拍摄外星人。这些图像将被下载到轨道飞行器上的笔记本电脑上，然后传输到地面。
　　一个数字太空行走摄像机将用于宇航员在轨道上检查轨道飞行器。
　　加拿大制造了一个50英尺长的延伸，称为远程操纵系统/轨道飞行器助推器传感器系统(RMS/OBSS)，可以附着在机械臂上。这一扩展将允许RMS到达轨道飞行器的底部。安装在延伸部分上的相机将拍摄底部的损坏情况。
　　最后，工程师和技术人员在轨道飞行器两侧机翼前缘安装了66个微型加速度计和22个温度传感器。这些设备将检测撞击轨道飞行器机翼的任何碎片的影响。
　　成像和机翼传感器的全部目的是检测坠落碎片可能造成的损害。工程师和管理员可以分析这些图像，并在任务期间向机组人员提出建议。
　　美国国家航空航天局开始对航天飞机进行设计、成本和工程研究，许多航空公司也对这些概念进行了探索。1972年，尼克松总统宣布美国宇航局将开发一种可重复使用的航天飞机或空间运输系统(STS)。
　　美国宇航局决定航天飞机将由一个连接固体火箭助推器的轨道器和一个外部燃料箱组成，并将主要合同授予罗克韦尔国际公司。
　　当时，航天器使用的是烧蚀隔热层，当航天器重新进入地球大气层时，隔热层就会烧毁。然而，为了可重用，必须使用不同的策略。航天飞机的设计者想出了一个主意，在航天飞机上覆盖许多绝缘瓷砖，这样可以吸收重返大气层时的热量，而不会伤害宇航员。
　　经过多年的建造和测试(即轨道飞行器，主引擎，外部燃料箱，固体火箭助推器)，航天飞机准备飞行。美国制造了四架航天飞机(哥伦比亚号、发现号、亚特兰蒂斯号和挑战者号)。第一次飞行是在1981年，由宇航员约翰·杨和罗伯特·克里彭驾驶的哥伦比亚号航天飞机。哥伦比亚号表现良好，其他航天飞机很快就成功地进行了几次飞行。后续
　　2003年，哥伦比亚号航天飞机在重返地球大气层时在美国上空解体。事故发生后，美国国家航空航天局暂停了航天飞机计划，并努力做出改变，使航天飞机重返飞行。
　　2006年，发现号航天飞机的外部燃料箱失去了泡沫，这个项目再一次搁浅了，科学家们努力解决这个问题。发现号在2006年发射了两次，一次是在7月，一次是在12月。据美国宇航局称，2006年7月的发射是历史上拍摄最多的航天飞机任务。亚特兰蒂斯号于2006年9月发射，此前由于天气、燃料电池问题和传感器读数故障而推迟发射。
　　虽然航天飞机是一项巨大的技术进步，但它们能携带多少有效载荷进入轨道是有限的。航天飞机不是像土星五号或德尔塔火箭那样的重型运载工具。航天飞机不能进入高海拔轨道，也不能逃离地球的重力场前往月球或火星。
　　2011年7月21日，美国＂亚特兰蒂斯＂号航天飞机，于美国东部时间21日晨5时57分在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，结束其＂谢幕之旅＂，寓意着美国30年航天飞机时代宣告终结。
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