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美国航天飞机

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美国航天飞机:简介编辑本段回目录

  美国航天飞机是世界上第一种往返于地面和宇宙空间的可重复使用的航天运载器。它由轨道飞行器、外贮箱和固体助推器组成。每架轨道飞行器可重复使用一百次,每次最多可将29.5吨有效载荷送入185至1110公里近地轨道,将14.5吨有效载荷带会地面,航天飞机全长56.14米,高23.34米。轨道飞行器可载三至七人,在轨道上飞行7至30天,即可进入低倾角轨道,也可进入高倾角轨道,可进行回合、对接、停靠,执行人员和货物运送,空间试验,卫星发射、检修和回收等任务。
  航天飞机在发射场垂直起飞,上升过程中抛掉工作完毕的固体助推器的壳体和外贮箱,靠轨道飞行器内的发动机上升到地球大气层以外的轨道运行。完成任务以后,再改变速度,脱离轨道,重返大气层,象飞机一样滑翔回预定机场,水平着陆。轨道飞行器具有2000公里横向机动能力,为精确对准着陆机场调整飞行航线。助推器回收后,经整修可再次使用,外贮箱不回收。

美国航天飞机:发展历史编辑本段回目录

  美国第一架航天飞机哥伦比亚号
  1981年初,经过十年的研制开发,“哥伦比亚”号终于建造成功,它是第一架用于在太空和地面之间往返运送宇航员和设备的航天飞机。它第一次飞行的任务只是测试它的轨道飞行和着陆能力。在太空飞行54小时,环绕地球飞行36周之后航天飞机安全着陆。“哥伦比亚”号是以18世纪初第一艘环绕地球航行的美国轮船的名字命名的,在下一架航天飞机,“挑战者”号建成之前,“哥伦比亚”号又进行了四次飞行。
  美国第二架航天飞机:“挑战者号”
  1982年,“挑战者”号成为美国宇航局的第二架航天飞机。航天飞机(正式名称为空间运输系统)由轨道飞行器、固体燃料火箭推进器和外燃烧箱共同构成。轨道飞行器是一种用来在太空和地面之间往返运送宇航员和设备的带有机翼的太空飞机。由于它悲惨的结局,“挑战者”号这个名字在全世界的知名度可能比其他航天飞机都要大。“挑战者”号进行了9次飞行,第一次是1983年4月,最后一次(飞机失事)是在1986年。
  美国第三架航天飞机:发现号
  “发现”号航天飞机轨道飞行器是以18世纪美国探险家詹姆斯·库克的小船的名字命名的。他驾驶着这艘小船在南太平洋航行,成为第一个踏上夏威夷群岛的非土著居民。“发现”号航天飞机是美国建造的第三架航天飞机,前两架是“哥伦比亚”号和“挑战者”号。“发现”号航天飞机的第一次飞行是在1984年8月,总计飞行了21次,比任何其它航天飞机飞行次数都多。
  美国第四架航天飞机:亚特兰蒂斯号
  1985年,“亚特兰蒂斯”号成为美国宇航局的第四架航天飞机。“亚特兰蒂斯”号是以美国第一艘远洋船舶的名字命名的,这艘轮船从1930年到1966年在马萨诸塞州的伍兹霍尔海洋研究所被用来进行研究。“亚特兰蒂斯”号航天飞机重77.7吨,它在1985年10月和1996年3月之间进行了16次飞行。
  美国第五架航天飞机:奋进号
  “奋进”号是美国宇航局最新建造的一家航天飞机轨道飞行器。它是由美国宇航局于1991年建造,用来替代1986年在爆炸中被毁坏的“挑战者”号。“奋进”号是以18世纪英国探险家詹姆斯·库克的考察船的名字命名的。“发现”号高36.6米,宽23.4米,重71吨,造价超过20亿美元。它是美国宇航局建造的四架航天飞机之一,也是还在使用当中的航天飞机之一。其它两架分别是“发现”号和“亚特兰蒂斯”号。

美国航天飞机:整体概况编辑本段回目录

  航天飞机是世界上第一种可以再重复使用的太空船,也是历史上第一种可携带大型卫星进入轨道和离开轨道的太空船。航天飞机的发射像火箭,在地球轨道上运行像太空船,而着陆又像飞机。目前美国仅剩的三架航天飞机“发现”号、“亚特兰蒂斯”号和“奋进”号,每一架按设计都需要执行至少100次太空飞行任务。到目前为止,它们加起来执行的任务总和还不到四分之一。
  “哥伦比亚”号航天飞机于1979年交付美国宇航局在佛罗里达州的肯尼迪航天中心,它也该中心接管的首架航天飞机。2003年2月1日,“哥伦比亚”号航天飞机在返回地球时失事,机上执行STS-107任务的7名宇航员全部遇难。“挑战者”号航天飞机于1982年7月交付肯尼迪航天中心。1986年1月,在发射升空后不久发生爆炸。“发现”号航天飞机于1983年11月交付肯尼迪航天中心,“亚特兰蒂斯”号航天飞机于1985年交付肯尼迪航天中心。“奋进”号是在“挑战者”号发生事故后建造的,用来代替“挑战者”号,于1991年5月交付肯尼迪航天中心。早期的“企业”号航天飞机从来没有进入过太空,只是在上世纪70年代后期在德赖登飞行研究中心进行用作进场和着陆试验以及数次发射架研究。
  航天飞机由三个主要部分组成:乘载机组成员的轨道器、为主发动机提供燃油的大型外燃料箱和在起飞的最初两分钟里为航天飞机提供大部分升力的两个固体燃料火箭助推器。除了外燃料箱外,另外两个组成部分都可以重复利用,每一次发射后,外燃料箱都会在大气层中烧毁。
  航天飞机单次任务在太空呆得时间最长的是1996年11月的STS-80飞行任务,在太空连续飞行了17.5天。通常情况下,每次任务按计划可在太空飞行5天至16天。在最初的几次任务中航天飞机的机组成员数量最少,只有两名,最多的机组可达8人。一般情况下,每个机组有5至7人。航天飞机的设计可以让其在185公里至643公里(115至400英里)高的轨道上运行。
  航天飞机保持着目前正在使用的所有火箭中最可靠的发射纪录,自1981年以来,美国宇航局利用宇航飞机将136万公斤(300万磅)货物、600多名宇航员送入太空。尽管航天飞机已经使用了近20年,也一直在不断地发展改进,今天的航天飞机与第一架航天飞机已经有很大的不同了。美国宇航局对最初的设计进行了大大小小的数千次改进,使得今天的航天飞机比以前的任何一架航天飞机都更加安全、可靠和有效。单是自1992年以来,美国宇航局对发动机和主要系统进行了改进,便使得航天飞机的飞行安全系数提高了三倍,而飞行中可能遇到的问题则减少了70%,同时,航天飞机的花费每年节省12.5亿美元,花费减少了40%以上。由于重量减轻和其它的改进,航天飞机可以携带的货物重量增加了7.3公吨(8吨)。(杨孝文)
  航天飞机的基本参数
  航天飞机长度:184英尺
  轨道器长度:122英尺
  翼展:78英尺
  起飞重量:450万英磅
  飞行轨道高度:115-400英里
  飞行时速:17321英里

美国航天飞机:固体燃料火箭助推器编辑本段回目录

  固体燃料火箭助推器与主发动机同时启动,在飞行的头两分钟里为航天飞机提供额外的推力以便摆脱地球引力。大约上升到45公里(24英里)的高空时,助推器与航天飞机/外燃料油箱分离,依靠降落伞下落,最后落进大西洋。船只将其打捞上来,送回陆地,经过检查、维护后供下一次使用。在最初的上升阶段,助推器还协助为整个航天飞机系统导航,两个助推器的推力相当于530万磅。
  除了固体燃料火箭发动机外,助推器还包含结构、推力矢量控制、分离、回收、电子和仪表等子系统。固体燃料火箭发动机是为太空飞行研制的最大的固体推进剂发动机,也是第一种为有人驾驶飞机研制的发动机。这个巨大的发动机包含一个装载固体推进剂的极状发动机箱、一个点火系统、一个可移动的喷嘴和必要的仪器及整合硬件。
  每一个固体燃料火箭发动机携带45万公斤(100万磅)推进剂,推进剂在犹他州的一个工厂里混合。推进剂在600加仑的钵中混合,这些钵分别在3个不同的搅拌大楼里,混合完成后的推进剂被送到特别铸造大楼,灌进铸件中。固化的推进剂看上去像硬塑料打字机的橡皮,摸上去也像是橡皮。

美国航天飞机:外燃料箱编辑本段回目录

  外燃料箱,英文缩写ET,它是轨道器的“煤气罐”,里面装的是航天飞机主发动机使用的推进剂。在发射时,外燃料箱也是航天飞机的“脊柱”,为附加装置----固体燃料推进器和轨道器提供结构支撑。它也是航天飞机惟一不能重复使用的部件,升空大约8.5分钟后,推进剂耗尽,外燃料箱被抛开,与轨道器分离,使命完成。
  在升空时,外燃料箱吸收了三个主发动机和两个固体火箭发动机的推力负载(780万磅)。当固体火箭助推器在大约45公里的高度分离后,主发动机仍在燃烧的轨道器携带外燃料箱继续上升到地球以上大约113公里的上空,达到接近轨道速度。这个时候,燃料几乎耗尽的外燃料箱分离,依照事先设计的线路下落,其构造的大部分在大气中烧毁,残骸落进大洋里。
  外燃料箱的三个主要部件是:位于前端的氧燃料箱、位于后端的氢燃料箱还有一个中间燃料箱,后者将两个推进燃料箱连在一起,仪表和燃料处理设备也在中间箱里,同时,它也为固体火箭助推器前端提供附着结构。
  氢燃料箱的体积是氧燃料箱的2.5倍,但完全灌满燃料后,其重量只有后者的三分之一,这是因为液态氧的密度是液态氢的16倍。
  外燃料箱的皮肤由执保护系统覆盖。热保护系统是一层2.5厘米(1英寸)厚的聚氨酯泡沫涂料,作用是将推进剂维持在一个可接受的温度,保护皮肤表面不会因为与大气摩擦产生的高温损坏,也将表面结冰的可能性降至最低。
  外燃料箱包括一个推进剂输出系统,将推进推输送到轨道器的发动机里;一个加压与通风系统,负责调控燃料箱的压力;环境调节系统,负责调控温度,补充中间燃料箱区域的大气;还有一个电子系统,负责分配电力、仪表信号,提供闪电保护。
  外燃料箱推进剂通过一根直径43厘米(17英寸)的连接管输给轨道器,这根连接管在轨道器内部分成三根更细的管子,向每一个发动机输送推进剂。

美国航天飞机:轨道飞行器编辑本段回目录

  轨道飞行器既是这套太空运输系统的大脑,又是心脏,这个飞行器与一架DC-9飞机的大小和重量差不多,包括加压乘员舱(通常可以乘载7名宇航员)、巨大的货舱以及安装在其尾部的三个主发动机。
  驾驶舱、生活舱和实验操作站在机身的前部,货物放在机身中部的有效载荷舱里,而轨道器的主发动机和机动推进器则在机身尾部。
  机身前部:驾驶舱、生活舱和实验操作站在机身前部,这一部分有一个加压的乘员舱,并为机头部分、前起落架和前起落架轮舱和门提供支持。
  乘员舱:乘员舱的空间为65.8立方米,在轨道器的前部。它由三部分组成,分别是加压的工作间、生活间和储存间。由驾驶舱、中舱/设备舱和一个气密过渡通道组成。在乘员舱后舱壁外面的有效载荷舱里,可以安装一个对接舱和一个有接头的转移通道,以方面对接、乘员进入实验室和到舱外活动。两层的乘员舱前部有一个驾驶舱,机长的座位在驾驶舱的左边,飞行员的座位在右边。
  驾驶舱:驾驶舱通常设计成驾驶员/副驾驶员都可操作模式,这样在任何一个座位上都可以驾驶轨道器,也可以执行单个人的紧急返回任务。每个座位上都有手动飞行控制器,包括旋转和转换驾驶杆、方向舵踏板和减速板控制器。驾驶舱里可以坐4个人。轨道显示器和控制器在驾驶舱/乘员舱的尾部,左边的轨道显示器和控制器是用来操纵轨道飞行器的,右边的轨道显示器和控制器是用来操纵有效载荷的。在驾驶舱里共有2020多个分散的显示器和控制器。
  在驾驶舱上层有6块耐压挡风玻璃、两个顶部窗子和两个后视的有效载荷舱窗,乘员舱的中央部分或层舱里的乘员进出舱口上也有一个窗子。
  中舱:中舱有为4个乘员睡眠室准备的物资和储藏设施,中舱还存有氢氧化锂单人救生器呼吸袋和其它装置、废物管理系统、个人卫生间和工作桌/餐桌。
  一般情况下,中舱最大乘员数是7人。中舱可以经过改造储存和睡眠供应设施增加3个救援座椅。而救援座椅可以调节,将救援的乘员人数从3人增加到最多7人。
  气密过渡通道:气密过渡通道为太空行走提供通道,可以安装在下列位置的任何一个位置:中舱区里的轨道飞行器乘员舱里面,而中舱区在后舱壁;安装在舱壁上或者通道接头上部的机舱外面的通道接头可以把加压的太空实验室舱与轨道飞行器舱联结在一起。对接舱也可以充当太空行走的气密过渡通道。
  气密过渡通道里有两套太空服,可以支持两次6个小时的太空行走任务和一次意外或者紧急太空舱外活动,还可以提供机动支援,比如扶手,让宇航员执行各种任务。气密过渡舱有两个宇航员房间可供换太空服用。
  机身中部:除了构成轨道飞行器的有效载荷舱外,机身中部还要支撑有效载荷舱门、铰链和固定配件、前机翼前缘凸齿以及大量轨道飞行器系统组件。每个有效载荷舱门支撑4个散热器面板,当这些门打开时,倾斜的散热器就会松开,移动到合适位置,这可以让热量从各面板的两侧散发出去,反之,4个舱尾散热器面板将只能从上部散发热量。有一些有效载荷可能不会直接与轨道飞行器联结,但有效载荷载体却会被连接到轨道飞行器上。具有惯性的上段、加压舱或者任何承载有效载荷的特别托架都是典型的载体。
  遥控操作系统是一个15.2米长的有关节的机械臂,可以在轨道飞行器的驾驶舱里对其进行遥控。机械臂的“肘”和“腕”关节可以活动,可以抓住有效载荷将其从有效载荷舱里取出来送到合适地点,或者将有效载荷回收进舱里,保证安全返回地球。机械臂外侧终端附近的一个电视摄像机和照明设施可以让操作员在电视监视器上看到他的手正在做什么。另外,有效载荷舱的每一侧都安装3个照明灯。
  机身尾部:机身尾部包含左右轨道操纵系统、航天飞机主发动机、机身襟翼、垂直尾翼和轨道飞行器/外燃料箱的后部配件。前舱壁将机身尾部与中部隔开,舱壁的上层部分联接在垂直尾翼上,内部承受推力结构支持航天飞机的三个主发动机、低压涡轮泵和推进剂输送管。

美国航天飞机:主发动机编辑本段回目录

  航天飞机主发动机:与固体燃料火箭助推器联接在一起的三个主发动机在最初上升阶段为轨道飞行器提供推力,使之脱离地球引力。在发射后,主发动机继续运作8.5分钟左右,这段期间是航天飞机用动力推动飞行。
  当固体燃料火箭被抛开后,主发动机提供的推力将航天飞机的速度在6分钟里从每小时4,828公里提高到每小时27,358公里以上并进入飞行轨道。
  在航天飞机加速时,主发动机会燃烧掉50万加仑的液态推进剂,这些推进剂由巨大的橙色外挂燃料箱提供,主发动机燃烧液氢和液氧,而液氢是世界上第二最冷的液体,温度在零下华氏423度(摄氏零下252.8度)
  发动机一开始排放的是氢和氧合成的水汽。主发动机在分阶段燃烧周期内使用高能推进剂产生推力,推进剂的一部分在双重预烧器里消耗掉,产生高压热气,推动涡轮泵。燃烧是在主燃烧室完成的,主发动机燃烧室里的温度可达到华氏6000度(摄氏3315.6度)。每个航天飞机的主发动机使用的液氧/液氢比例是6比1,产生水平推力179,097千克(375,000磅)、垂直推力213,188千克(470,000磅)。
  发动机产生的推力可在65%至109%的范围内调节,这样,点火发动和初始上升阶段可以有更大的推力,而在最后的上升阶段减少推力,将加速度限制在3g以下。在上升阶段,发动机的万向接头(平衡架)可提供倾斜、偏航和滚动控制。

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