http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2006-07-02
“乘员探索飞行器”为“国际空间站”提供运输服务
文/司马杭仁
2005年9月，美国白宫已批准航空航天局提出的用新一代航天运载工具——“乘员探索飞行器”(CEV)替代航天飞机的计划，并要求现有航天飞机在2010年前退役。
与航天飞机相比，“乘员探索飞行器”都具有以下几个特点：
(1)它们没有机翼和尾翼，不再象航天飞机那样通过滑翔方式返回地球，而是象宇宙飞船那样通过降落伞降落，因而不需要复杂的气动外形和防热系统，可提高返回时的安全性。
(2)发射时“乘员探索飞行器”与火箭串联在一起，即飞行器置于火箭的顶部，而不象航天飞机那样与火箭并联，所以能远离燃烧的发动机和坠落的碎片造成的危险，完全避开泡沫材料脱落的威胁。其顶部特别设置有“逃逸塔”系统，一旦在发射时出现故障，引发燃料爆炸，可迅速将飞行器分离出去，通过降落伞安全降落。这些措施可使航天飞行事故率从以往航天飞机1/220降低为现在的1/2000，即安全系数上将会远高于航天飞机10倍。
(3)借鉴俄罗斯飞船的经验，把人、货分开运输，这样既安全，又经济。
“乘员探索飞行器”实际上就是超级“阿波罗”大型飞船，其外型和“阿波罗”飞船异常相似，但却比后者“更大”、“更壮”，被称为吃了类固醇的“阿波罗”。格里芬局长比喻说，新的载人登月运载工具看起来就像是“吃了菠菜的大力水手”，从一个“普通的小弟弟”长成“格外强壮的超级勇士”。它比“阿波罗”飞船大2倍，底径从3.9米增加到5.5米，体重也增加了一半以上，达25吨，能搭载4～6名航天员。
“乘员探索飞行器”还有许多与“阿波罗”飞船不同的地方。比如，它在太空中将使用太阳能作为动力，其发动机使用液态甲烷和液态氢的混合体；而“阿波罗”飞船使用的是电池和其他液体燃料。“乘员探索飞行器”可部分重复使用；而“阿波罗”是一次性使用飞船。“乘员探索飞行器”是组合式的，有多种用途，可用于“国际空间站”、载人登月甚至未来的载人登火星，等等。
当然，它们也有不同之处，例如，其外形酷似“阿波罗”飞船非常相像，对此格里芬解释说，因为一些航天物理学原理并没有发生变化，这再次证明“阿波罗”的设计者有多么正确；新的“月球着陆器”仍采用“阿波罗”飞船登月舱的设计理念，即由上升级和下降级组成，上升级是航天员完成登月使命后将他们送回月球轨道的飞行舱，下降级是一个有四条腿、通过火箭发动机实现“软着陆”的着陆平台。 (庞之浩)
[《国际太空》]
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航天飞机的先天不足
司马杭仁
美国航空航天局长格里芬2005年9月称，航天飞机本身存在“严重缺陷”，它和“国际空间站”都是“战略错误”。从现在看，航天飞机确实存在设计上的先天不足。
1 方案本身有缺
航天飞机之所以容易出事，是因为它为了极大提高运输能力而造得太复杂了，稍有不慎就会全军覆没。例如，它里面有3500个重要的分系统和250万个零部件，只要其中的1个重要分系统或关键零部件失灵，就可能导致重大事故。
另外，为了可重复使用，其轨道器既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速飞行和水平着陆的复杂气动外形，又要有能承受再入大气层时高温气动加热的防热系统，还在世界上首次装备了可重复使用50次的主发动机。这大大增加了技术难度和风险。
还有，由于技术上的限制，在运载能力和结构安排出现矛盾时，美国航空航天局选择了把轨道器与外贮箱平行放置的并联方案，而没有选择把轨道器置于火箭顶部这一较安全的串联方案，目的是保证轨道器的容积和降低费用。这也大大增加了航天飞机的危险性。
其实，很早就有人对航天飞机的安全提出过批评。一是航天飞机是人货混用，而不是象宇宙飞船那样分载人飞船和货运飞船，所以用航天飞机发射卫星时需有数名航天员陪着上天，这样做既不经济，也不安全；二是美国自认为其航天飞机可靠性极高，所以没有采取安全救生措施，因为安装救生设备很麻烦。
为了节省费用，当年在决策航天飞机方案时使用了较液体火箭助推器便宜但功能较差的固体火箭助推器。这也是美国政治领导人与美国航空航天局领导人在20世纪70年代初期相互“妥协的产物”。
2 为什么与设计相差甚远
另外一值得深入研究和总结的是航天飞机原先预想有五大优越性只实现了其中两项，这是为什么？航天飞机曾被吹的神乎其神，似乎是“万能飞行器”，为此，美国甚至把火箭生产线都停下了，认为航天飞机不仅可以载人，还能替代火箭来发射卫星。其五大优越性是：
一是发射便宜，即通过可部分重复使用，使每次发射费用只有约3000万美元；而不象飞船是一次性使用的。
二是功能强大，每次能运4～7人和20～30吨货物；而目前的载人飞船每次最多只能运3人和几百千克货物，即使是无人货运飞船也只能运2吨多货物。
三是更加安全，因为有很大机翼的航天飞机在再入大气层时可获得足够的升力，控制升力的大小和方向就能调节纵向距离和横向距离，使航天飞机准确地降落在跑道上，并重复使用；而载人飞船没有机翼，因而无升力或升力很小，只能以弹道式或半弹道式方法返回，其结果是气动力过载和落地误差都较大，返回时采用在海面溅落或在荒原上径直着陆的方式。这种着陆方式不仅对航天员的要求很高，需要长期训练才行，对航天员生命安全也有一定危险，它也使飞船为一次性使用载人航天器。
四是非常舒适，因为从起飞到返回地面的整个过程中，加速和减速都很缓慢，所以过载比飞船小得多，即大大降低了对航天员的身体要求，可把稍加训练的科学家、工程师、医生和教师等送上太空。
五是间隔很短，原以为航天飞机可以象民航客机一样，每次返回后进行简单维修就可再次发射，并乐观的估计每1～2周能进行一次发射。
然而，实践证明，航天飞机只有两大优越性，即功能强大、非常舒适，但其他三项正好相反：
它十分昂贵，每次发射费用高达4～5亿美元，主要是返回以后要进行大量的维修工作；因此其间隔时间也很长，每年仅能进行5～6次左右的飞行。
更要命的是它并不安全，发射了5架航天飞机共114次架次，就损失了2架和14名航天员。从这一点讲，似乎没有“翅膀”的飞船更安全，因为正是由于没有“翅膀”，所以飞船的结构相对简单，无需复杂的空气动力控制面，也没有着陆机构及相关装置，从而可靠性和安全性较高。苏联／俄罗斯自1971年联盟11号返回失事以后，历经联盟、联盟T、联盟TM和联盟TMA共4代，至今已使用了30多年，约80多艘飞船上过天，从未出现过灾难性事故。
基于上述，人们不禁怀疑，不禁要问，为什么实际情况与原先预想的相差如此之远？是纯技术原因，还是出于别的需要加上了不实的成分？新提出的多用途“乘员探索飞行器”会不会也是一个美丽的梦想而不且实际呢？(庞之浩)
[《国际太空》]
航天飞机发生紧急情况怎么办
司马杭仁
航天飞机在起降时最容易出事。挑战者号航天飞机是发射时失败的。哥伦比亚号航天飞机在返回前解体的。万一发射时出现主发动机失灵、机舱漏气等故障怎么办？现有两种中断航天飞机继续升空的方式。
一种是完整模式，即按预先设计的方式，把轨道器降落在指定地点。根据实际情况它有分4种方法：①在发射后的前4分钟30秒，如果1台主发动机出现故障，可令轨道器安全返回发射场，过了4分钟30秒则不可返回发射场；②假若1台主发动机在发射后4分钟30秒～6分钟出现故障，航天飞机虽仍没能进入轨道，但其速度可飞跨大西洋，在西班牙或法国着陆；③如果1台主发动机在发射6分钟后出现故障，这时可采用进行亚轨道故障返回方法，因为航天飞机的速度已能穿过外围大气层进入较低轨道；④当1台主发动机在发射后6分钟30秒时出现故障，或2台主发动机在发射7分钟后失灵，则只能应急入轨。
二是应终止急模式，即3台主发动机出现故障、固体火箭失灵等严重情况时，航天员只能把降落在任何可能的地方，其安全要靠运气。如果着陆后落入非预定地域时，可利用个人救生物品，如通信设备、口粮、水和自救装备来等待救援。这时装备给航天员的野营与救生工具最起作用。
这两种模式都是在轨道器还具有一定功能才能实施，如果发生挑战者号航天飞机爆炸那种严种恶性故障，一切都会化成乌有。
在返回阶段，目前尚无专用的系统援救航天员，主要靠备份系统来保证返回的安全，所以返回比发射更危险。有人提出采用类似飞机采用的弹射救生技术，但这种技术在航天器上尚未真正实现。苏联的暴风雪号航天飞机上采用了此项技术，但是其真正起作用的飞行高度有限，也不可能解决类似哥伦比亚号航天飞机这个高度上的救生问题。
航天飞机故障主要出现在动力装置系统、控制系统、结构系统和防热系统。其原因也是多方面的，如按其性质来分大致有设计上的原因；生产过程中带来的缺陷；元器件质量不稳定；环境的影响；操作失误等。挑战者号就是因为其右侧固体火箭助推器上的装配接头和密封件因天气较冷而失效，使固体推进剂燃烧的高温燃气通过破裂的密封圈泄漏出来，引起装有液氧、液氢的外贮箱爆炸。
总之，还是要以预防为主，因为不是所有能够想到的故障都能有办法解决。(庞之浩)
[《国际太空》]
航天飞机万一失败，国际空间站向何处去
司马杭仁
美国航空航天局局长格里芬2006年6月表示，一旦不幸再次出现类似挑战者号和哥伦比亚号的悲剧，他将彻底取消航天飞机飞行。那么“国际空间站”怎么办？它将成为世界最大的太空“烂尾楼”。不仅美国自己的桁架结构、巨型太阳能电池阵和美国的居住舱等无法送到“国际空间站”上去，而且欧洲航天局和日本宇宙航空研究开发机构耗资几十亿美元研制的欧洲节点舱、哥伦布号实验舱、瞭望舱和日本希望号实验舱等，也都只能静静的躺在美国航空航天局的仓库里，等着生锈成为废铁一堆，损失会十分惨重 。
只有俄罗斯研制的舱段还能继续通过火箭发射上天，并用俄罗斯的联盟TMA载人飞船、“进步”系列货运飞船、2007年开始发射的欧洲“自动转移飞行器”大型货运飞船，以及2010年投入使用的俄罗斯新一代飞船快船号，作为天地往返运输器来慢慢建造。当年的俄罗斯和平号空间站的舱段都是用运载火箭发射上天的。不过，“国际空间站”各合作国之间的关系也将大大改变，由美国“领衔主演”改为俄罗斯“领衔主演”。
其实，针对美国对空间站失去兴趣，一味强调先进性、跳跃性，而不注重继承性、连续性，准备实施“太空探索新构想”，建造月球基地和进行载人登火星的载人航天新战略，作为一直把空间站作为开发太空基地的俄罗斯在这方面早有准备。俄罗斯正积极动员欧洲一起打造俄罗斯设计的新一代飞船快船号，因为俄罗斯只有技术，没有钱。快船号飞船十分先进，是世界第1种可重复使用的多功能飞船，可重复使用25次，能把人送到空间站、月球或火星上；它比现在使用的“联盟”系列载人飞船载人数量多1倍，即能载6人和多达700千克的货物。
值得注意的是快船号的返回舱具有折叠式舱翼，在飞船准备降落进入地球大气层时，返回舱的舱翼将展开，使飞船像暴风雪号航天飞机一样着陆。这样，它就兼有联盟号系列舱式载人飞船与暴风雪号翼式航天飞机的优点，使今后的航天载人飞行更加安全可靠。另外，其表面防热瓦与美国航天飞机的防热瓦不同，由耐高温的合金做成，因而不会像美国航天飞机的防热瓦易受损伤，而且便宜，这一点非常值得美国人好好研究、借鉴一下。
德国航空航天中心(DLR)最近也新发明了一种碳纤维耐热陶瓷瓦，有望解决目前美国航天飞机耐热陶瓷瓦脱落的难题。它采用一种新的制造工艺，使生产的碳纤维增强碳化硅陶瓷瓦可以反复经受1700℃的高温，并具有很强的抗冲击性和耐化学性。新型陶瓷瓦的另一突出优点是，在大尺寸下性能稳定，没有裂纹。新型陶瓷瓦已在2005年6月中旬俄罗斯发射的联盟号飞船火箭上首次使用，取得理想的效果。
另外，不管美国航天飞机如何，俄罗斯已计划用运载火箭恢复“国际空间站”俄罗斯舱段的建设工作。俄罗斯将于2007年用质子号火箭发射向“国际空间站”发射功能货舱-2(FGB-2)，它是“国际空间站”第1个上天的舱——曙光号功能货舱的备用舱，目前赫鲁尼切夫航天中心正加紧制造。在被发射到“国际空间站”之后，功能货舱-2可以用来放置货物和设备，也能以供航天员休息。2009年，俄罗斯将用火箭向空间站发送能源舱。另外，俄罗斯飞船制造商能源火箭航天集团已向俄罗斯联邦航天局提交了在2010年后使用“国际空间站”的申请议案，该议案将把“国际空间站”的使用延长到2030年，这远远超过它预计到2016年的正常使用寿命。
当然，没有航天飞机，对“国际空间站”的建造规模影响较大，但对运营影响不大，尤其是在有了欧洲“自动转移飞行器”大型货运飞船俄罗斯新一代飞船快船号后，足以保证“国际空间站”的高效利用。(庞之浩)
[《国际太空》]
发现号携带了两件“新式武器”
据美国宇航局太空网30日报道，当美国“发现”号航天飞机本周六将七名宇航员送入太空，这一次，美国宇航局应该称得上是“有备而来”，航天飞机货物舱内装有两套新工具，用于修理隔热板和遥控发现号自行返回地球，尽管这两套工具或许届时均派不上用场。
美国宇航局测试主任皮特·尼克伦科说，一种称为T-RAD的隔热板修理装置装在“发现”号航天飞机上，如果航天飞机在发射过程中遭到破坏，“发现”号STS-121飞行任务宇航员就可以用这种装置对遭受损坏的地方进行修理。
“发现”号航天飞机还携带了一根数据同步传输电缆，可以使身在休斯顿的飞行控制人员通过遥控装置指挥“发现”号自行返回地球，这在美国宇航局航天飞机25年飞行史上尚属首次。位于休斯敦的美国宇航局约翰逊航天中心的发言人凯利·赫林在接受电话采访时说：“这是航天飞机第一次携带这种工具。当然，你肯定希望永远都不要用到它们。”
在为期12天的任务期间，两套工具将被放在“发现”号的服务舱里。执行STS-121飞行任务的“发现”号是自“哥伦比亚”号航天飞机失事以来美国宇航局所进行的第二次发射。目前， 美国宇航局计划于当地时间7月1日下午3点48分37秒(格林尼治时间19点48分37秒)发射“发现”号。
T-RAD是“瓦片修复挡板分配器”的缩写，重55磅(25公斤)，可以用于在太空行走期间填补航天飞机隔热瓦和舱门封口处之间的缝隙，比如在起落装置舱门处发现的缝隙。自“哥伦比亚”号航天飞机及其机组人员全部遇难后，美国宇航局开始寻求这种修补方式。经调查，“哥伦比亚”号航天飞机失事原因是由于从外挂燃料箱脱落的泡沫碎片，撞坏航天飞机的隔热板所致。工程师也对航天飞机的外挂燃料箱进行了几次改进，以减少在起飞期间可能会脱落的绝缘泡沫数量。
美宇航局T-RAD项目经理凯文·韦尔斯说：“我们已经较之前做出非常大的努力，以确保我们能够得到增加航天飞机系统安全性的装置。毋庸置疑，我们当然希望进行一次安全的飞行。”
T-RAD 是CIPAA的更小版本，它将两种混合物混合成一种粉红色，称为STA-54的粘性材料。韦尔斯说：“它属于升级版本，其主要变化之一是我们将它大大缩小了。这是因为我们减少了修复材料的数量。”韦尔斯说，T-RAD由一个吸尘器大小的便携式圆筒组成， 长18英寸(45厘米)，直径10英寸(25厘米)，可以装下这两种STA-54混合物。他补充道，一个长30英寸(76厘米)的管子将该圆筒与其分配枪相连，后者将二者混合成最后的粉红色形状。
与CIPAA不同，CIPAA是用来填补瓦片之间的缝隙，而T-RAD是用来填补航天飞机隔热瓦和舱门封口处之间的小缝隙，很像我们在浴室瓷砖之间所使用的填隙剂。去年7月，“发现”号执行STS-114飞行任务时，曾载有CIPAA装置，但因为美国宇航局官员以及太空行走的宇航员认为，它还没有准备完毕，所以没有对其进行测试。这种STA-54材料会在失重的环境下产生泡泡，形成真空，这会为计划进行的修补工作带来危险。韦尔斯强调，除非遇到特殊情况，T-RAD才会在航天飞机上使用，而且并不打算对其在轨道上进行任何测试。
“发现”号服务舱里还有一种隔热板备件，用来塞住航天飞机前端和机翼前缘的增强碳碳(RCC)纤维复合材料的任何损伤。一种粘性黑NOAX材料会涂在增强碳碳(RCC)纤维复合材料缝隙上。在STS-121任务或许进行的第三次太空行走中，宇航员将检查这些裂缝。
如果“发现”号STS-121任务太空行走者被迫需要对隔热板进行重大修补的话，飞行控制人员将会在不对宇航员造成危险的情况下全力挽救航天飞机。美国宇航局官员认为出现上述情况的可能性非常小。赫林说，在这种情况下，装在航天飞机服务舱上的一根20英尺(8.5米)长的电缆将飘在空中，在使机组人员留在国际空间站的同时，航天飞机将通过地面遥控返回地球。赫林说：“它有些像只在修复场合所使用的跨接电缆，但并不能百分百地确定，它能承受得住机组人员的负荷。”
这种跨接电缆将“发现”号服务舱的一个电子舱与飞行舱上平行的控制舱相连，使位于休斯顿的飞行控制人员能够有效地进行航天飞机返回操作，目前这一任务由航天飞机上的宇航员来完成。赫林说，上述手工操作包括，启动航天飞机的辅助动力装置，部署一个空气数据探测器，落下航天飞机的起落架以及在航天飞机着陆后打开减速伞。
赫林说：“这些操作将通过手工来进行，这种跨接电缆可以让他们根据任务控制进行操作。”美国宇航局表示，在这种紧急情况下，“发现”号或是将来发射的任何其它航天飞机将会降落在新墨西哥州的白沙导弹试验场。赫林说：“我们不会将着陆地点选择在肯尼迪航天中心或是爱德华兹空军基地。首选着陆地点将是白沙导弹试验场，因为该地区地势宽阔。”(杨孝文 任秋凌）
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