為什麼美國太空梭發射的時候中間那個大火箭沒有啟動?

2021-01-09 小魚兒的快樂活

太空梭作為迄今為止人類研製過的最大、也是最先進的軌道飛行器,太空梭相比傳統的載人飛船除了能夠運載更多的航天員和物資進入太空外,更能夠執行在軌維修、載人返回、多次重複使用的能力,所以自1981年美國首艘太空梭執行載人航天發射到2011年最後一次航天飛行任務結束之際,總共執行了多達135次太空梭發射任務。當然整個太空梭系統主要包括核心的軌道器(也就是大家更認為像飛機的太空梭自身)、兩臺上千噸推力的固體火箭助推器、一枚超大直徑也是整個太空梭系統中體型最大的外燃料箱系統組成。

從以上三大結構件組成來說,最不起眼的應該就是這個直徑巨大的「橘紅色燃料罐」了,因為這個燃料罐從層面意思來看既沒有和軌道器一樣裝備多臺液體火箭發動機、也不具備任何載人或者載貨功能,同時也不具備兩臺千噸推力的固體火箭助推器一樣提供起飛時超過80%以上的起飛推力功能,所以這個橘紅色的燃料箱應該算是最不起眼的了。但是實際情況卻是「沒有這個橘紅色的燃料箱」太空梭除了無法和固體助推器組成一體外,太空梭自身也缺乏燃料根本不具備起飛點火能力。

首先從功能來說,這個橘紅色的燃料罐主要職責就是為軌道器尾部的三臺大推力氫氧液體火箭發動機提供燃料,所以整個燃料罐內部主要被分成三大部分,其中最上部位置也就是弧形頭錐這一段內部主要裝的全部是「液氧」,這一段主要佔整個燃料罐整個尺寸的大概1/4,可加注液氧604噸。從中上部一直到尾部裝的全部是體積大很多的液氫,也是軌道器推力產生的主要燃料部分,這一段大概佔整個燃料罐尺寸的2.5/4,液氫雖然佔據了整個燃料罐大部分體積,但是其重量卻只有101噸,這是因為液氫的密度是液氧的16倍。在液氫和液氧罐之間還有一小間隔層主要是輸送、混合層和各種傳感器控制設備,因為我們也看到了整個燃料罐從外表面有一根很粗的管子直通航天軌道器尾部動力艙位置。

其次從另外一項功能來說,這個尺寸巨大的燃料罐除了作為軌道器外掛的燃料箱外,同時也承擔著作為軌道器和固體助推器連接的主體和承力結構部分。比如在太空梭點火起飛時,軌道器尾部的單臺液體火箭發動機會先點火併達到最大推力狀態,然後捆綁的兩臺千噸級固體助推器點火達到最大推力後,整個太空梭主體順利點火升空,這也是為了避免軌道器裝備的液體火箭發動機點火失敗,固體助推器先前點火後除非等到全部固態燃料燃燒完畢後才能停機的發射失敗風險出現。

那麼在整個起飛過程中,外部燃料箱就要承受來自航天軌道器上的三臺液體火箭發動機和兩臺千噸級固體助推器合計3538噸的強勁起飛推力,所以在燃料箱中間隔層中,除了有燃料混合設備和控制設備外也裝有結構承重模塊,這樣可以將軌道器和助推器產生的全部推力集成到一起順利點火起飛。

具體來說的話,整個太空梭系統從地面順利點火升空後,兩臺千噸級固體助推器承擔了80%的起飛推力,但是只幫助軌道器和燃料罐爬升到距離地面45公裡高度後,兩臺固體助推器會按計劃分離並在降落傘的幫助下,順利掉落大西洋固定返回海域,經過打撈修復後繼續使用。

兩臺千噸級固體助推器分離後,航天軌道器自身的三臺大推力氫氧火箭發動機依然處於正常工作之中,連帶燃料罐一同繼續爬升到大概110公裡的大氣層邊緣後,此時內部幾乎空了的燃料罐會和航天軌道器分離,並按照預定計劃落入大氣層燒毀,這個體型最大的橘紅色燃料罐也是整個太空梭發射系統中唯一不回收重複使用的結構件。航天軌道器自身則在慣性的加速下不斷爬升,直到達到固定軌道高度後太空梭繼續依靠自身攜帶的姿態控制發動機的精準多次點火,前往預定位置執行包括大型太空飛行器在軌發射、維修、組裝、回收等多項航天任務。

其次這個橘紅色燃料罐其實最開始的時候並不是我們肉眼見到的橘紅色,而是刻意被NASA塗裝成了白色,這也是為了藉助白色塗裝吸熱能力差、陽光反射能力強的優勢,降低燃料罐內部數百噸液氫受熱爆炸和液氫、液氧受外部溫度影響狀態發生變化或者燃料罐表層結冰問題出現,所以特意在燃料罐外層加裝了聚氨酯泡沫隔層材料,並塗裝了白色塗裝。但是後面NASA發現不塗白色顏料既不影響燃料罐自身安全問題,而且還有減重功能,所以最終呈現在我們面前的就是這個本身生鏽的橘紅色風格。

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