衝出大氣層的飛機——太空梭

2021-01-11 天極網資訊

太空梭是一種有人駕駛可重複使用的太空飛行器，它既能像火箭一樣垂直起飛，像太空飛船一樣在軌道上運行，又能像飛機一樣水平著陸。太空梭是可重複使用的，並結合了飛機與太空飛行器的性質，它既能代表運載火箭把人造衛星等太空飛行器送入太空，也能像載人飛船那樣在軌道上運行，還能像飛機那樣在大氣層中滑翔著陸。太空梭為人類自由進出太空提供了很好的工具。

美國太空梭是世界上第一種往返於地面和宇宙空間的可重複使用的航天運載器。它由軌道飛行器、外貯箱和固體助推器組成。每架軌道飛行器可重複使用一百次，每次最多可將29.5噸有效載荷送入185至1110公裡近地軌道，將14.5噸有效載荷帶回地面，太空梭全長56.14米，高23.34米。軌道飛行器可載三至七人，在軌道上飛行7至30天，即可進入低傾角軌道，也可進入高傾角軌道，可進行回合、對接、停靠，執行人員和貨物運送，空間試驗，衛星發射、檢修和回收等任務。

太空梭

太空梭的飛行過程大致有上升、軌道飛行、返回三個階段。起飛命令下達後，太空梭在助推火箭的推動下垂直上升，直至進入預定軌道，完成上升。進入軌道後，太空梭的主發動機熄火，由兩臺小型火箭發動機控制飛行。到達預定地點後，太空梭開始工作。太空梭完成任務後，便開始重新啟動發動機，向著地球飛行。進入大氣層後，太空梭速度開始放慢，並像普通滑翔機一樣滑翔著陸。

太空梭除了可以在天地間運載人員和貨物之外，憑著它本身的容積大、可多人乘載和有效載荷量大的特點，還能在太空進行大量的科學實驗和空間研究工作。它可以把人造衛星從地面帶到太空去釋放，或把在太空失效的或毀壞的無人太空飛行器，如低軌道衛星等人造天體修好，再投入使用，甚至可以把歐空局研製的"空間實驗室"裝進艙內，進行各項科研工作。

1969年4月，美國宇航局提出建造一種可重複使用的航天運載工具的計劃。NASA第三任局長託馬斯·佩奇曾認為，太空梭因可重複利用從而可以降低成本，不用每執行一次任務就要造一個新的火箭出來；而且當時他還認為一架太空梭的發射準備時間僅需要兩周遠比火箭反應快。1972年1月，美國正式把研製太空梭空間運輸系統列入計劃，確定了太空梭的設計方案，即由可回收重複使用的固體火箭助推器，不回收的兩個外掛燃料貯箱和可多次使用的軌道器三個部分組成。除了外燃料箱外，另外兩個組成部分都可以重複利用，每一次發射後，外燃料箱都會在大氣層中燒毀。

太空梭結構圖

1977年2月，美國研製出一架企業號太空梭軌道器，由波音747飛機馱著進行了機載試驗。1977年6月18日，首次載人用飛機背上天空試飛。8月12日，載人在飛機上飛行試驗圓滿完成。又經過4年，第一架載人太空梭終於出現在太空舞臺，這是航天技術發展史上的又一個裡程碑。

雖然世界上也有許多國家都陸續進行過太空梭的開發，但只有美國與前蘇聯實際成功發射並回收過這種交通工具。但由於蘇聯瓦解，相關的設備由哈薩克接收後，受限於沒有足夠經費維持運作使得整個太空計劃停擺，因此全世界僅有美國的太空梭機隊可以實際使用並執行任務。

太空梭為太空探測增加了動力，對地球上人類的生活產生了至關重要的影響。無論是國際空間站還是預想中的人類月球前進基地，都需要太空梭這樣大載重量的太空貨倉來支持——否則根本無法將用於基建的大型太空施工機械或者有關物資送上去。

太空梭檢修圖

美國共有6架太空梭，除首架測試用的「企業」號測試之後被收藏到博物館中，其餘的5架太空梭「哥倫比亞」號、「挑戰者」號、「發現」號、「亞特蘭蒂斯」號以及「奮進」號，都參與了太空運輸任務。「亞特蘭蒂斯」號共執行了32次任務，是執行國際合作任務最多的一架太空梭；而「發現」號太空梭是美國歷史上參與飛行任務次數最多的，功勳顯著成為美太空梭最為著名的代表。

太空梭保持著目前正在使用的所有火箭中最可靠的發射紀錄，自1981年以來，美國宇航局利用宇航飛機將136萬公斤(300萬磅)貨物、600多名太空人送入太空。儘管太空梭已經使用了近20年，也一直在不斷地發展改進，今天的太空梭與第一架太空梭已經有很大的不同了。美國宇航局對最初的設計進行了大大小小的數千次改進，使得今天的太空梭比以前的任何一架太空梭都更加安全、可靠和有效。單是自1992年以來，美國宇航局對發動機和主要系統進行了改進，便使得太空梭的飛行安全係數提高了三倍，而飛行中可能遇到的問題則減少了70%，同時，太空梭的花費每年節省12.5億美元，花費減少了40%以上。由於重量減輕和其它的改進，太空梭可以攜帶的貨物重量增加了8噸。

挑戰者太空梭失事

但太空梭由於重複使用，因此其技術難度大、系統設計複雜、零部件更容易耗損，從起飛、上升、軌道運行，再入大氣層直到返回著陸過程中，需要經受各類極度嚴酷的環境。太空梭的弱點是在使用中逐漸暴露出來的，它的系統遠不止將載人飛船和運載火箭兩者單純相加那麼簡單。而與火箭、飛船等一次性飛行器不同，太空梭的火箭發動機需要多次重複使用，壽命期間的總工作時間累計長達數小時之久，這也為其執行任務帶來安全隱患：隨著飛行任務的增加勢必有更多的潛在危險。

儘管有所不足，但太空梭無愧是先進航天技術的象徵，是阿波羅登月之後美國航天事業的裡程碑，擔負著在載人航天的功能。其太空運載能力無人能及，衍生科技影響人類三十年。

本作品為「科普中國-科技創新裡程碑」原創 轉載時務請註明出處

 

 

（作者：科普中國責任編輯：天極科普君）

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