航天飞机

航天飞机

1981年，哥伦比亚号航天飞机发动机点火后的几秒钟(美国国家航空航天局)。仅在前两次任务中，外部燃油箱喷涂泡沫绝缘材料(SOFI)被涂成白色。随后的任务中，油箱没有上漆，因此暴露出橙色/铁锈色的泡沫隔热层。这导致重量减轻了1000多磅(450公斤)，这种减轻直接转化为轨道有效载荷能力的增加

阅读技巧

航天飞机又称穿梭机空，是一种有翼可重复使用的航天器，由辅助运载火箭从大气层发射，作为地球与外层空之间的交通工具。它的外观像一架飞机。

虽然世界上许多国家都相继研制了航天飞机，但实际上只有美国和前苏联成功地发射和回收了这种运载工具。但由于苏联解体，相关设备被哈萨克斯坦接管后，没有足够的资金维持运转，所以目前只有美国的航天飞机舰队可以实际使用并执行任务。

(本文是关于NASA航天飞机的)

美国宇航局的航天飞机，正式名称为太空运输系统(STS)，是美国政府目前唯一服役的载人运载火箭。航天飞机轨道器是由北美洛克威尔公司制造的，现在是波音公司的一部分。马丁·玛丽埃塔(现在是洛克希德·马丁公司的一部分)设计了外部燃料箱，莫顿·塞科尔(现在是联合技术系统公司(ATK)的一部分)设计了固体火箭助推器。

航天飞机是第一个设计用于部分重复使用的轨道航天器。它将大型有效载荷运送到各种轨道，为国际空间站(ISS)提供人员轮换，并执行服务任务。虽然该飞行器被设计成具有从轨道上回收卫星和其他有效载荷并将其返回地球的能力，但这种能力并没有被经常使用；然而，这是航天飞机在国际空间站项目中的一个重要用途，因为联盟号只能送回非常少量的实验材料、需要修理的硬件和垃圾。

每架航天飞机的设计寿命预计为100次发射或10年运行寿命。

该计划始于20世纪60年代末，自70年代中期以来一直主导着美国宇航局的载人操作。根据太空探索的愿景，航天飞机的使用将集中在2010年完成国际空间站的组装，之后它将被尚未开发的乘员探索飞行器(CEV)所取代。然而，在2005年8月STS-114返回飞行任务后，航天飞机计划目前被搁置，等待修理和解决突出的安全问题。

同样在2005年8月，位于路易斯安那州新奥尔良的航天飞机外部储箱建造场地米丘德组装设施被卡特里娜飓风破坏，所有工作班次被取消，直到2005年9月26日，这进一步恶化了航天飞机返回太空的情况。这可能会使未来的航天飞机飞行推迟两个多月。

美国宇航局局长迈克尔·格里芬最近表示，发展航天飞机和国际空间站的决定是一个错误，他说，现在人们普遍认为这不是一条正确的道路。我们现在正试图改变路线，同时尽可能减少破坏。

太空渡船

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美国

企业(测试)

探路者(实体模型)

哥伦比亚号(2003年被摧毁)

挑战者号(1986年被摧毁)

发现(活动)

亚特兰蒂斯(活动)

奋进号(现役)
苏联/俄罗斯

Buran(已退役，2002年销毁)

Ptichka(未完成)

2.01(未完成)

2.02(已拆除)

2.03(已拆除)

贝加尔湖(骗局)
历史

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航天飞机的决定

美国宇航局在整个20世纪60年代进行了一系列的论文项目，主题是可重复使用的航天器，以取代他们权宜的一次性系统，如水星，双子座和阿波罗。与此同时，美国空军一直对周转时间更快的小型系统感兴趣，并参与了他们自己的空天飞机项目X-20 Dyna-Soar。在几个例子中，来自双方的团队一起研究艺术的状态。

随着20世纪60年代后半期主要的阿波罗开发工作逐渐结束，美国国家航空航天局开始展望太空计划的未来。他们设想了一个雄心勃勃的计划，包括一个由胡歌助推器发射的大型空间站，由一架可重复使用的后勤航天飞机提供服务，两者都为永久载人月球殖民地和最终载人火星任务提供服务。

然而，在现实中，美国宇航局发现自己的预算迅速下降。他们试图挽救尽可能多的单个项目，而不是试图让他们的长期未来适应他们糟糕的财务状况。火星任务很快被取消，但空间站和航天飞机保存。最终他们中只有一个能被拯救，所以有理由认为低成本的航天飞机系统将是更好的选择，因为没有它，一个大型的空间站将永远是负担不起的。

提出了许多设计方案，但其中许多都很复杂，而且系统差异很大。试图重新简化的人是DC 3号，他是美国宇航局少数几个在政治上有重要地位的人之一，马克西姆·法吉特，他设计了水星太空舱和其他运载工具。DC-3是一种小型飞行器，有效载荷为20，000磅(9吨)(或更少)，可搭载4人，机动性有限。至少，DC-3提供了一个基本可行的(但不是非常先进的)系统，通过它可以比较其他系统的性价比。

2001年日落时分亚特兰蒂斯号航天飞机发射升空。太阳在相机后面，羽状物的影子投在天穹上，与月亮相交。

对NASA来说，决定性的时刻是当他们绝望地看到他们仅存的项目被挽救时，向空军寻求祝福。美国国家航空航天局要求美国空军将他们未来的发射放在航天飞机上，而不是现在的一次性发射器(如泰坦2号)，作为回报，他们不再需要继续花钱升级这些设计。& ordf航天飞机将提供足够的能力。

空军不情愿地同意了，但只是在要求大量增加能力以允许发射他们计划的间谍卫星(镜子很重)之后。这些卫星非常大，估计重达40，000磅(18吨)，需要被送入极地轨道，这比低倾角轨道需要更高的能量；由于空军也希望能够在单个轨道后中止任务(如美国宇航局所做的那样)，此外还能在发射场着陆(不像美国宇航局)，航天器还需要能够显著机动到轨道的任意一侧，以调整极地轨道上的发射点旋转漂移& ordf例如，在90分钟的轨道上，范登堡·AFB将漂移超过1，000英里(1，600公里)，而在更接近赤道的轨道上，所需的交叉距离将小于250英里/ 400公里。极地轨道的这种大范围能力意味着飞行器必须具有比最初计划更大的升阻比，需要增加更大、更重的机翼。

结果是，简单的DC-3显然是不相关的，因为它既没有货运能力，也没有空军要求的航程。在fac t中，所有现有的设计都太小了，因为向极地轨道运送40，000磅(18吨)相当于向向东发射的轨道运送65，000磅(29吨),典型的倾角为28度。此外，任何使用简单的直翼或折叠翼的设计都不能满足横向航程的要求，所以未来的任何设计都需要更复杂、更重的三角翼。

更令人担忧的是，刚刚发生的运载火箭上部重量的任何增加都要求用于发射运载火箭的下部运载火箭的能力有更大的增加。突然间，这个两级系统的尺寸变得比土星五号还要大，开发它的复杂性和成本也随之飙升。

当所有这一切正在进行时，其他人正在建议一种完全不同的未来方式。他们表示，美国宇航局使用现有的土星发射他们的空间站会更好，使用空军较新的泰坦II-M顶部的改进型双子座太空舱供应和载人。这种开发的成本看起来比单独的航天飞机要低得多，并且会在轨道上更早地建立一个大型空间站。

作为回应，航天飞机的支持者回答说，与一次性火箭的发射成本相比，如果发射次数足够多，可重复使用的系统将超过开发成本。成本效益分析中的另一个因素是通货膨胀，在20世纪70年代，通货膨胀非常高，以至于开发的回报必须非常快才能看到正回报。因此，需要高发射率才能使该系统在经济上可行。

但空间站或空军有效载荷要求这样的速度(大约一周一到两次)是不可行的，所以他们坚持并建议美国未来的所有发射都将在航天飞机上进行，一旦建成。为了做到这一点，发射航天飞机的成本必须低于任何其他系统，但非常小的火箭和非常大的助推器除外，因为实际原因，这种火箭和助推器很少，而且非常昂贵。

随着一个基线项目的形成，美国国家航空航天局开始着手为该项目未来五年的发展获取稳定的资金。他们再次发现自己的处境越来越悲惨。

由于预算受到美国通货膨胀和海外越南战争的压力，国会和政府通常对太空探索等长期项目不感兴趣。因此，一些成员希望进一步削减NASA的预算；但随着一个长期项目的确定，他们在削减整个项目方面几乎无能为力& iexcl& ordf航天飞机是仅存的一架，它的取消意味着到1980年美国将没有载人航天计划。

相反，他们希望将每年的开发成本降低到一个稳定的数字。也就是说，他们希望看到发展预算能够在今后几年内继续分配。这有些不切实际，并且与计划的资金和开发相冲突。结果是另一系列激烈的重新设计，其中可重复使用的助推器最终因其高昂的价格而被放弃。令人惊讶的是，一些可重复使用助推器的设计相当于当时新的波音747大小的飞行器，它必须比记录保持者& iexcl飞得更快。& ordf而且相当小& iexcl& ordfX-15火箭飞机。取而代之的是，一系列更简单的火箭将发射该系统，然后脱落回收。另一个变化是航天飞机本身的燃料被放在一个外部油箱里，而不是像以前的设计那样放在内部油箱里。这使得一个更小的飞行器有了更大的有效载荷舱，尽管这也意味着每次发射后都要扔掉燃料箱。

最后剩下的争论是关于助推器的性质。美国国家航空航天局一直在寻找解决这个问题的至少四种方法:一种是开发现有的土星下部，另一种是使用新设计的简单压力供给液体燃料发动机，最后是一个大型的单个固体火箭，或者两个(或更多)较小的火箭。由于开发成本较低，最终决定采用较小的固体材料(这一决定贯穿了整个航天飞机项目)。虽然液体燃料系统提供了更好的性能和更高的安全性，但向轨道的运载能力更多地取决于上面级的性能和重量，而不是下面级；这笔钱因此被花在了别处。

航天飞机轨道器，展示航天飞机主发动机

的发展

航天飞机计划于1972年1月5日启动，当时理查德·尼克松总统宣布美国宇航局将继续开发可重复使用的低成本航天飞机系统。

由于每年的资金上限，该项目已经比最初预计的时间要长。然而，工作很快就开始了，几年内就有了几篇测试文章。

其中最引人注目的是第一个完整的轨道飞行器，最初被称为宪法号。然而，来自《星际迷航》电视系列片粉丝的大规模书面活动说服白宫将名称改为企业。在巨大的欢呼声中,“企业号”于1976年9月17日下水，随后进行了一系列成功的滑翔进场和着陆试验，这是对设计的第一次真正验证。

第一个功能齐全的航天飞机轨道器是哥伦比亚号，建于加利福尼亚州的帕姆代尔，于1979年3月25日交付给肯尼迪航天中心，并于1981年4月12日首次发射。& ordf尤里·加加林太空飞行20周年& iexcl& ordf有两名船员。挑战者号于1982年7月交付给KSC，发现号于1983年11月交付，亚特兰蒂斯号于1985年4月交付。1984年宣布，航天飞机打算访问自由号空间站，这是一个雄心勃勃且被推迟很久的项目，后来被缩减并并入国际空间站计划。挑战者号在1986年1月28日发射时发生爆炸，机上7名宇航员全部遇难。“奋进号”是用来替代它的(使用了原先为其他轨道飞行器准备的备件),于1991年5月交付。哥伦比亚号在2003年2月1日重返大气层时与七名机组人员一起失踪，至今没有找到替代者。

描述

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这架航天飞机有一个60乘15英尺(18乘4.6米)的大型有效载荷舱，填满了大部分机身。有效载荷舱门的内表面安装有散热器，因此当航天飞机在轨道上时，为了热控制而保持打开。热控制也通过调整航天飞机相对于地球和太阳的方向来维持。有效载荷舱内部是远程操纵器系统，也称为Canadarm，是一种用于回收和部署有效载荷的机械臂。在哥伦比亚号失事之前，加拿大武装部队只在需要的地方执行任务。由于arm是航天飞机飞行所需的热防护检查程序的一个关键部分，它可能会被包括在所有未来的飞行中。

多年来，航天飞机系统经历了许多改进。

为了减轻重量和减轻工作量，轨道飞行器已经几次改变了它的热保护系统。在每次飞行后，原始的硅基瓷砖需要被移除以检查损坏，并且它们也吸收水，因此需要被保护免受雨水。后一个问题最初是通过用Scotchgard喷涂瓷砖来解决的，但后来采用了定制的解决方案。后来，航天飞机较冷部分的许多瓷砖被绝缘毡状材料的大毯子取代，这意味着大面积区域(特别是货舱区域)不再需要经常检查。

在内部，除了航空电子设备继续改进之外，航天飞机在很大程度上与最初的设计相似。最初的系统是加固的IBM 360计算机，连接到驾驶舱中的模拟显示器，类似于当代的客机，如DC-10。今天，驾驶舱已被全玻璃系统取代，计算机本身也快了许多倍。计算机使用HAL/S编程语言。在阿波罗-联盟号测试项目的传统中，可编程计算器也被携带(最初是HP-41C)。除了玻璃驾驶舱，在挑战者号爆炸后，出于安全原因，还进行了几项改进，包括在要求轨道飞行器放弃的狭窄情况下使用的乘员逃生系统。随着空间站的到来，轨道器的内部气闸被外部对接系统取代，以允许在空间站补给任务期间在航天飞机的中间甲板上储存更多的货物。

航天飞机的主发动机已经进行了几项改进，以提高可靠性和动力。这就是为什么在发射过程中，你可能会听到奇怪的短语，如106%加大油门。这并不意味着发动机正在超限运行。100%的数字是原始主发动机的功率水平。实际发动机合同要求是109%。最初的飞行引擎可以处理102%。2001年，Block II发动机的飞行硬件最终达到了109%。

对于STS-1和STS-2，外部油箱被涂成白色，以保护覆盖油箱大部分的隔热层，但改进和测试表明这不是必需的。这节省了相当大的重量，从而增加了轨道飞行器能够送入轨道的有效载荷。通过去除一些不必要的氢箱内部纵梁，节省了额外的重量。由此产生的轻型外挂油箱已被用于绝大多数航天飞机的任务。STS-91见证了超轻型外挂油箱的首次飞行。这种型号的油箱由2195铝锂合金制成。它比最后一批轻型坦克轻了7500磅(3.4吨)。由于航天飞机不能无人驾驶，这些改进都已经在实际飞行中进行了测试。

当然，固体火箭助推器也经历了改进。值得注意的是，在挑战者号事故之后，在分段之间的连接处增加了第三个O型密封圈。

为了提高性能和安全性，还计划了许多其他SRB改进，但从未实现。这些最终导致了更简单、成本更低、可能更安全和性能更好的先进固体火箭助推器，该助推器本应在20世纪90年代初至中期投入生产，以支持空间站，但后来在支出22亿美元后取消了。ASRB计划的失败迫使SLWT的发展，它提供了一些增加的有效载荷能力，但没有提供任何安全改进。此外，空军开发了他们自己的使用纤维缠绕系统的更轻的单件设计，但这也被取消了。

自20世纪80年代以来，一种只运载货物、无人驾驶的航天飞机被不同地提出和否决。它被称为航天飞机-C，将通过重复使用为航天飞机开发的技术，以可重复使用性换取货运能力和巨大的潜在节约。

组件

航天飞机由三个主要部件组成:可重复使用的轨道飞行器本身，一个大型的棕色一次性外部燃料箱，以及一对白色的可重复使用的固体燃料助推火箭。燃料箱和助推火箭在上升过程中被抛弃，所以只有轨道飞行器进入轨道。
可重复使用的轨道飞行器(OV)，有一个大的有效载荷舱和三个主发动机(由外部油箱供给)以及一个轨道机动系统和两个较小的发动机(在投弃外部油箱后使用)。目前有三个轨道飞行器，轮流执行任务。
一个大型一次性外部燃料箱(ET ),装有液氧和液氢(分别在前端和后端),用于轨道器的三个主发动机；它在发射后8.5分钟在60海里(111公里)的高度被丢弃，并在重返大气层时解体。碎片掉进了海里，再也找不到了。
一对可重复使用的固体燃料火箭助推器；推进剂主要由高氯酸铵(氧化剂，70%重量)和铝(燃料，16 %)组成；它们在36海里(67公里)的高度发射后两分钟分离，降落在海洋后回收，降落伞减缓了它们的下落速度。

所谓的太空运输系统的最初计划包括太空拖船和轨道机动系统引擎的额外燃料箱，以及许多其他概念。这些硬件实际上都没有被制造出来。

技术数据

亚特兰蒂斯号航天飞机由波音747航天飞机运载，1998年(美国国家航空航天局)
系统堆栈高度:184.2英尺(56.14米)

轨道飞行器长度:122.17英尺(37.236米)

翼展:78.06英尺(23.79米)

总起飞重量:450万磅(204万公斤)

外星人:170万磅(75.1万公斤)

SRB:每个130万磅(590，000千克)(x 2)

轨道飞行器:240，000磅(109，000千克)

总起飞推力:782万磅力(34.8毫牛顿)

SSMEs:每个400，000 lbf(1.8 MN)(x3)= 120万lbf (5.3 MN)

SRB:每个330万lbf(1470万MN)(x2)= 661万lbf(2940万MN)

最大着陆重量:230000磅(104000公斤)

最大发射有效载荷:63，500磅(28，800千克)

操作高度:100到520海里(185到1000公里)

速度:25404英尺/秒(7743米/秒，27 875公里/小时，17 321英里/小时)

载客量:10名宇航员(5至7人以外的乘员不常见)