中国为什么不造航天飞机而造载人飞船中国为什么不造航天飞机而造载人飞船?
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目前人类研制发射成功并正在使用的载人航天器共有3种:载人飞船、空间站和航天飞机。其中,航天飞机综合运用了运载火箭、载人飞船和飞机技术,堪称人类智慧的结晶。
既然航天飞机代表着世界航天技术的先进水平,以跨越追赶方式进行
的中国载人航天工程为何还要从载人飞船起步呢?
早在20世纪80年代末,在中国航天界就造载人飞船还是造航天飞
机曾进行过广泛深入的比较论证,最终,载人飞船方案成为唯一的胜者。为什
么载人飞船独受青睐呢?科学家和设计师们提出了他们的理由。
一是我国已经拥有研制和发射飞船的技术基础和条件,而不具备研制
航天飞机的优势。比如,对长二捆运载火箭进行适应性改造,就可以发射飞船;我国在卫星返回技术和防热材料研制方面经验丰富;通信卫星和导弹控制技术
为突破飞船的运行、返回控制技术提供了借鉴、奠定了基础。
二是航天飞机与载人飞船相比,结构复杂、技术风险大、研制周期长。研制航天飞机不仅要靠航天技术优势,还要有航空技术优势,我国在先进飞机
制造领域还不具备如此复杂的技术能力。即便是科技力量雄厚的美国,研制成
功的航天飞机至今还有许多技术安全问题尚未完全解决,投入使用以来已造成
两次重大事故和14名航天员遇难。而载人飞船结构简单、技术成熟、研制周
期短,从1971年6月苏联联盟11号飞船坠毁以来,至今未发生重大事故。
三是载人飞船的研制和运行成本低,更符合中国国情。我国研制的多
用途载人飞船既可运送航天员,又可向未来的空间站运输物资,还能作为空间
站轨道救生艇使用,它的留轨舱还能承担科学实验任务。而航天飞机无论是造价、发射和返回着陆场
建设费用,还是运行和维修费都相当昂贵。
四是有利于载人航天分阶段持续发展。掌握载人飞船技术对于研制空
间实验室十分有利,而且飞船与空间实验室或空间站对接后还可以作为一个舱。目前,我国实施的载人航天三步走计划的后两步――建设空间实验室和空间站
只能在载人飞船的基础上进行。
通过深入的比较论证,中国科学家们最终达成了共识,确定了我国载
人航天的发展方向,即从载人飞船起步。
航天飞机1是神奇的机器,把火箭和飞机两种飞行器结合起来,这个
大胆的想法出自我国科学家钱学森。早在1949年,钱学森就提出了这个想法,并饶有兴致地和报社记者们描述了一翻坐这种超级飞行器横跨美国东、西海岸
的美好前景。当然这么一个好想法,直到计划后才被NASA真正开始实施,主要问题,就是这种技术超复杂,即要解决火箭的问题,又要解决大型飞机的
问题,还有返回的问题等。简单说,要搞航天飞机,单有火箭技术是不够的,
还必须有成熟的航空技术为后盾。以大型喷气机为代表的航空技术在5-60年代
其实并不成熟,英国的彗星号是早期著名的喷气机,但因相关材料技术不成熟,纷纷失事,成了名副其实的飞行棺材。
所以5-60年代,虽然有了航天飞机的方案,但不可能真的上马。更加上美、苏因为冷战争夺第一个登月的荣誉,更加顾不上这种复杂的方案了。只
有到了70年代,登月竞赛尘埃落地,美国人开始运筹下一个大项目的时候,才真正开始搞航天飞机,当然这个时候,各方面的技术成熟了很多,带翼载人火
箭飞行器从X-1搞到X-15,积累了不少经验2。大型喷气机,有了波音707,747这样的经典作品,运载火箭技术也在登月竞赛中成熟了起来。看起来,条
件是具备了。
按照美国人的设计,航天飞机是象火箭那样垂直发射,三台主发动机
直接装在轨道器上,所需燃料放在可抛弃的外挂燃料箱里。另有两台强力固体
火箭助推器,提供起飞推力的70%。轨道器就是一个胖呼呼的滑翔机,有效载
荷高达20多吨,使用空间超过早期苏联空间站的大小。重入大气层后,航天飞机将和真正的滑翔机一样,滑翔着陆。
航天飞机的设计是典型的模块化设计,轨道器、外挂燃料箱和固体火箭是三大模块。按照设计这三大模块都是可以重复使用的,轨道器设计寿命是飞100次,三台主液体发动机可重复使用50次,固体火箭可以用降落伞回收,并可重复使用20次。真正被抛弃的就是外挂燃料箱。因此航天飞机被称为是一种经济的航天器,可频繁发射,而被大家寄予厚望。
美国航天飞机共造了6架:企业号,是原型机,没真正上过天,做过一些滑翔实验,目前放在史密森航空博物馆里供人参观。
哥伦比亚号,第一个上天的航天飞机,2003年2月1日在返回地面的过程中坠毁。
挑战者号,1986年1月28日在升空的过程中爆炸。
发现号,飞行次数最多的一架航天飞机(31次),刚刚完成哥伦比亚号失事后的首飞3。
亚特兰蒂斯号,第一次飞行就是执行国防部的军事飞行,曾有消息说该航天飞机是属于美国国防部的。
奋进号,最新的一架航天飞机,挑战者号失事后,才开始建造。
从航天飞机的安全记录看,飞了114次,失事2次,失事几率高达1.8%,牺牲了14名航天员的生命。这个数字超过了之前美、苏所有航天任务牺牲航天员数字的总和。从技术角度说,航天飞机过于超前的总体设计要承担主要责任。如果我们看两次航天飞机失事,都是发生在冬天,都和材料的易损性有关。第一次固体助推火箭密封圈在低温下失灵,第二次是燃料外挂箱上的泡沫塑料在起飞过程中脱落砸伤了轨道器机翼的前缘。
固体火箭用于载人航天飞行,航天飞机是第一例,从技术角度是不成熟的,也有一定风险。当初NASA看中它的原因是推力大,体积小。轨道器与载人飞船最大的不同是可以滑翔着陆,可操控性强,但过于复杂的外形,意味着在重入大气过程中风险更高,航天飞机并不是在所有地方都使用相同耐热材料的,而是根据重入的姿态以及温度在各部分不同的分布使用不同材料。
中国飞机失事美国航天飞机主要技术参数
项目数据
总高度(发射时) 56.14米
入轨后长度 37.236米
翼展 23.79米
起飞总重 2040吨
外挂燃料箱重 751吨
固体火箭助推器 590吨 x2
轨道器 109吨
起飞总推力 34.8兆牛
航天飞机主发动机 1.8兆牛 x3
固体火箭助推器 14.7兆牛 x2
最大着陆重量 104吨
最大有效载荷 28.8吨
轨道高度 185 - 1000 公里
速度 7743 米/秒
成员数 10人
从技术角度看,航天飞机已基本属于失败项目的典型,而美国新一代
航天飞行器的设计思想也变的更加现实和简单。重新退回到以火箭为主的时代,并把载人任务和载货任务分开,载人航天器是小型的,以保证安全性为首要考虑,更加类似于过去的载人飞船。而载货航天器则是无人驾驶的,强调运载量
和经济性,类似于无人驾驶航天飞机,因不考虑载人和重复使用,有效载荷估
计会高达100吨。
前苏联也有自己的航天飞机:暴风雪号,1988年完成了首次不载人的
太空飞行,并安全着陆,展示了很高的技术实力和控制水平。从外观看,暴风
雪号,基本就是美国航天飞机的翻版,最大的不同是它采用了强大蕊式液体助
推火箭,而不是固体助推火箭,并且号称所有部件都可重复使用。可惜,随着
前苏联的解体,暴风雪号航天飞机也黯然下马了。
从这个角度,我国的神舟飞船的设计思想还是很值得称道的。而美国
最新的猎户座飞船(Orion Spaceship)可说是重新回到了飞船的道路。
脚注:
Space shuttle,也译作太空梭。
美国空军一直钟意于带翼航天器的发展,如X-15等,但前苏联在航天领域巨大的进展,第一颗卫星,第一名宇航员等,使美国被迫也研制简单有效
的载人航天运输工具。
任务STS-114,25, 2005年7月25日
洛克希德·马丁最终获得了NASA新一代载人航天器Orion(猎户座)飞
船的订单(News)。这种新型的航天器将接替事故频频的航天飞机成为向国际
空间站输送人员,重返月球甚至登陆火星的载人航天器。
这种飞船从外形上看很象是美国的上一代载人航天器载人飞船,当然尺寸要大一些,最多将可输送6名宇航员上太空,而飞船只能坐3
名宇航员。这里就有一个疑问,为什么NASA会重新回到研发太空飞船的老路,而放弃更先进的空天飞机方案呢?
安全性!这就是答案。
现在世界上只有两种载人航天飞行器,载人飞船和航天飞机。只有美
国将这两种飞行器都投入了实际使用,以美国自己的飞行记录而言,航天飞机
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