檔案大揭秘：起底美蘇兩國瘋狂的太空梭

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01 美國太空梭篇

1.1 美國太空梭計劃起源

上世紀六十年代末期, &34;飛船登月在即, 美國決定再繼續發展一種除&34;之外的太空計劃, 以確保美國繼續對蘇聯保持一定的太空技術領先地位. 1969年2月, 時任美國總統理察·尼克森正式任命副總統斯皮羅·阿格紐（Spiro Agnew) 領導&34;(Space Task Group), 希望該由副國級領導的科學任務小組能夠給美國提供一種除阿波羅以外的人類太空發展項目.

1969年9月, 太空任務組向尼克森提交了&34;項目, 也稱&34;(Space Transportation System). 按照該項目的規劃, 人類將在最早1983年, 最遲不超過二十世紀末期登陸火星. 而為達成這一目標, &34;項目將承擔研發包含以下但不限於以下的分系統:

1. 一種可以重複使用, 成本低廉的用於往返地球表面與低軌道空間站的化學太空梭
2. 一種離地面500公裡的低地球軌道太空空間站, 預計可以搭載6至12位乘客，並作為永久月球軌道站。該空間站將採用模塊化設計可用於未來擴展, 最終創建成一個50至100人的永久空間站.
3. 一種化學燃料的太空拖船，用於轉移運輸在低軌道太空空間站與更高的地球同步軌道(離地面約35000公裡)之間移動機組人員和設備，也可以將其用作登月軌道到月球表面之間的運輸.
4. 使用NERVA核動力發動機的星際飛船，用在運輸低地球軌道與地球同步軌道, 月球軌道或者太陽系中的其他行星軌道之間移動機組人員與補給品.

美國太空梭 (圖片源自Simon Scarr)

美國總統尼克森仔細審查了該項目計劃書, 出於經費考慮, 最終尼克森否決了除第一項太空梭項目以外的所有計劃. 這就是美國太空梭的由來.

該計劃的第二項又在後來的1980年獲得批准, 經過種種演變發展成了如今的國際空間站.

1.2 美國太空梭首飛過程及命運

1976年, 第一架太空梭企業號建造完成, 企業號是一架測試樣機, 僅用於測試起降, 不具備軌道運輸能力. 在此基礎上, 美國建造了首批四架具有實際運載能力的太空梭: 哥倫比亞號, 挑戰者號, 發現號和亞特蘭蒂斯號.

1981年4月12號, 哥倫比亞號發射成功

1983年4月4號, 挑戰者號發射成功

1984年8月30號, 發現號發射成功

1985年10月3號, 亞特蘭蒂斯號發射成功

好景不長, 挑戰者號在完成了三年九次的發射任務後, 於1986年發射失敗墜毀, 造成七名機組成員死亡. 為補充挑戰者號墜毀帶來的發射損失, 美國建造了第五架太空梭奮進號, 於1992年發射升空.

美國太空梭發射升空 (圖片源自網絡)

2003年, 哥倫比亞號在返航過程中墜毀, 七名機組成員喪生. 最終造成兩次十四名太空人喪生, 人們開始質疑太空梭的安全性. 原計劃五架太空梭飛行五百次的目標也未能完成, 在五架飛機飛行了135次後, 最後一架太空梭亞特蘭蒂斯號於2011年退役.

美國太空梭飛行總結 (原創圖)

1.3 美國太空梭結構及載荷詳情

美國的太空梭分為三個部分: 軌道器, 助推火箭, 外接燃料箱

太空梭及軌道器結構圖 (圖片源自NASA)

軌道器, 也就是我們狹義上說的太空梭, 最多可以乘載八人. 可以垂直起飛, 水平滑翔降落. 自身擁有動力, 配備三臺液氫液氧火箭發動機RS-25. 三臺RS-25發動機總計可以為太空梭自身提供約5250千牛的海平面推力, 即約525噸推力, 支持重複點火. 在三臺主推進火箭旁邊, 還有兩臺小推力的姿態調控火箭, 用於軌道器在太空中調整姿態.

美國太空梭後視結構 (圖片源自NASA)

整個軌道器分上中下三層. 上層為主倉, 包含飛行控制室、臥室、洗浴室、廚房、健身房(兼儲物室)等. 中層也是航天員活動空間. 下層主要布置一些通風管道及設備等.

機體背部為一個長18米, 寬4.6米的可自動展開載荷空間艙, 用來存放需要投放的衛星設備及其他太空載荷, 近地軌道可以裝載25噸有效載荷. 左右兩側各有兩扇鉸接的載荷艙門鉸接, 並有了一定的氣密性, 以保護有效載荷在發射和重新進入大氣返航期間不被加熱損壞. 有效載荷固定在載荷託架中並被固定在縱梁上. 同時載荷艙門還充當了軌道飛行器熱量的散熱器, 在到達一定軌道時打開進行飛船散熱.

載荷艙裡配置了一個機械臂, 也叫外太空遠程工作輔助系統(Remote Manipulator System, 簡稱RMS). 由加拿大公司(Spar Aerospace)研製, 太空人可以操控機械臂進行大型的外太空作業.

外接燃料箱剖面圖 (原創圖)

外接燃料箱, 我們經常太空梭中間有一個巨大的紅色殼體, 實際上就是裝滿液氫液氧的外接燃料箱, 由高強度鋁合金製成. 為了提高太空梭載荷量, NASA不斷改進給外接燃料箱減重以增加載荷. 外接燃料箱裡含有獨立的兩個液氧和液氫儲藏箱. 液氧儲藏箱直徑8.4米, 長16.6米, 可以裝載629噸液氧. 液氫儲藏箱直徑8.4米, 長29.6米, 可以裝載106噸液氫.

最左側為美國太空梭固體助推火箭 (圖片源自網絡)

助推火箭, 紅色燃料箱兩側的巨型發動機為固體燃料助推器火箭, 長45米, 直徑3.7米, 裝有500噸固體推進劑. 單臺海平面推力達12500千牛, 即1250噸推力, 比衝242秒. 在距離地球表面46千米的高度內, 承擔著太空梭80%的推力, 此後固體助推火箭與太空梭分離.

02 前蘇聯太空梭篇

2.1 前蘇聯太空梭計劃起源

前蘇聯的軌道飛行器計劃也叫&34;太空梭計劃. 相比於美國的太空梭計劃, 前蘇聯的&34;太空梭計劃則顯得斷斷續續. 早在上世紀五十年代末期, 前蘇聯就已經有了太空梭計劃的雛形, 希望發展一種可重複使用的飛行器, 能向美國投擲核彈並能安全返航, 但一直沒有任何實際產物產出.

直到美國公布了太空運輸計劃後, 前蘇聯的軍事顧問於國防部長震驚於美國太空梭巨大的運載能力及重複使用能力, 擔心美國的太空梭能突然從外太空進入大氣層對前蘇聯投擲核彈. 1971年, 前蘇聯&34;號計劃正式立項.

左圖為美國太空梭, 右圖為前蘇聯&34;號太空梭

最初, 前蘇聯工程師不願設計外觀與太空梭完全相同的太空飛行器. 但隨後進行的風洞測試表明, NASA的設計已經很理想. 也有傳言, 由於美國太空梭計劃前期保密不嚴, 前蘇聯間諜組織克格勃趁機侵入美國麻省理工, 加州理工等大學竊取了美國太空梭的資料圖紙.

1.2 前蘇聯太空梭的首飛過程及命運

1983年7月, &34;號比例模型進行了太空亞軌道試飛, 此後又進行了五次比例模型的試飛. 期間, &34;號開發人員估計, 如果使用&34;方法（以彙編語言編寫）編寫程序, 則軟體開發將需要數千名程式設計師. 因此他們向Keldysh應用數學研究所尋求幫助, 開發一種新的高級的「面向問題」程式語言. Keldysh的研究人員為此開發了兩種語言: PROL2(用於車載系統的程式語言)和DIPOL(用於地面測試的程式語言), 以及開發和調試環境SAPO PROLOGUE.

&34;號的運載火箭推力比美國版本更加巨大

1988年11月, &34;號, 由&34;號運載火箭搭建, 成功完成了首次無人飛行. 此後&34;號再也沒有進行過發射任務. 直到前蘇聯解體, &34;號被丟棄在廢倉庫塵封.

1.3 前蘇聯太空梭結構及載荷詳情

&34;號由兩部分組成: 軌道器和&34;運載火箭. 除了軌道器外, 其他全部為火箭助推器, 簡單粗暴.

&34;號結構圖

軌道器, 前蘇聯太空梭與美國太空梭不同的是, &34;號軌道器自身並不具有推進能力, 機上只安裝兩臺小推力姿態調控火箭. 最大質量105噸, 最多可以運載十人, 並將三十噸的有效載荷運上近地軌道. 該機首飛時即採用無人駕駛, 震驚世界, 這也是美國太空梭所不具備的. 以下為基本參數

機長: 36.37米

翼展寬度: 23.92米

機背載荷艙長度: 18.55米

機背載荷艙直徑: 4.65米

&34;運載火箭, &34;運載火箭不僅可以用來發射太空梭, 還可以獨立用來發射其它載荷. 甚至可以根據任務情況來調節助推火箭捆綁數量以提高經濟效率. &34;最大可以將270噸有效載荷運上地球近地軌道, 是目前已知最大推力火箭.

&34;號主發動機為煤油液氧發動機RD170, 可以重複使用. 單臺海平面推力7259kN(即725噸)，真空比衝達到337秒. 捆綁的助推發動機為液氫液氧發動機RD-0120，真空推力達190噸, 比衝為454.5秒. 可以說, 在發動機方面, &34;號運載火箭完勝美國的太空梭.

03 美蘇兩國太空梭總結

在發射時間上, 美國的太空梭發射比前蘇聯早, 並且太空梭的數量和發射次數也遠遠比前蘇聯多. 但前蘇聯佔據了後發優勢, 在太空梭控制系統(無人駕駛系統), 以及運載火箭方面則比美國更加先進. 以至於美國在蘇聯解體後, 直接在自己的運載火箭上安裝前蘇聯的火箭發動機. 雖然太空梭已經退出國際市場, 但當時激烈的太空梭競賽, 著實鼓舞了那一代的航天人, 甚至對當今及未來一段時間的航天技術, 都產生著深遠影響.

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