航天飞机出发！历经坎坷的太空梦想（下）

各位亲大家好，小宇宙终于回来啦，最近家中出了一些事情，下篇迟迟没有更新，小宇宙对此深表歉意。好啦，咱们直入主题，下篇将为大家带来航天飞机命运的后半生，在美国航天飞机计划的30年中，哈勃望远镜和国际空间站的部署成为了人类航天史上辉煌的里程碑，前苏联也成功研制出航天飞机，但最终却是凄凉惨淡的结局。

在解决了航天飞机的动力问题后（SSME发动机和助推火箭的研发），航天飞机开发团队终于迎来了短暂的轻松时刻，但身陷预算泥潭的NASA却遭遇了雪上加霜的困境

1977年5月1日，詹姆斯·弗莱彻辞去NASA局长的职务，罗伯特·A·弗罗施为NASA的新掌门人。由于预算严重超支，同年上任的美国总统詹姆斯·厄尔·卡特（James Earl Carter）要求弗罗施评估航天飞机计划是否需要被终止。

弗罗施深知卡特对航天领域并不感兴趣，同时，来自国会预算办公室的压力更是让试图挽救航天飞机计划的弗罗施喘不过气来。下图记录了一次听证会前，弗罗施（右）向卡特（中）展示航天飞机模型：

最终，令人意外的是，军方拯救了航天飞机计划，尽管美国空军对航天飞机并不热心，但卡特政府的国防部长哈罗德·布朗却是该计划的坚定支持者。布朗找来即将担任美国空军副部长的NASA加州艾姆斯中心主管汉斯·马克博士，把他发展成航天飞机的忠实粉丝。空军部长罗伯特·西曼斯曾说：“汉斯·马克真吃他哪一套，很容易就咬钩了......要知道空军历来都是用运载火箭的。”

而NASA为了拯救航天飞机计划付出了巨大的代价：通过航天飞机帮助军方将大型间谍卫星送入轨道。当时的美国正在与苏联签订武器控制协议，卡特政府急于了解并核实苏联拥有的武器规模。下图为航天飞机释放间谍卫星的概念图:

此时的NASA已经被迫偏离了艾森豪威尔总统创建该机构的初衷：NASA不是用来执行军事任务的，而是一个怀有和平目的开放性组织。1978年5月，卡特签署了促进航天飞机继续发展的PD/NSC-37号总统令，次年增加了航天飞机计划的拨款。该计划的最终成本将约为100亿美元，是原有预算的两倍。

航天飞机计划重新上路后，航天飞机团队随即陷入了第二个重大技术困境

航天飞机返航再入大气层时，高速运行的航天飞机在气动加热过程中产生热量足以烧毁整个飞机，同时，在返回的过程中，为了减小速度，航天飞机会以机腹接触的姿态运行，进一步加剧了高温的产生。下图展示了航天飞机返航时的状态：

此前NASA在可回收航天器上所使用的是烧蚀型隔热瓦，这是一种通过自我燃烧消耗来保证隔热的材料，但缺点是该材料非常厚重且为一次性使用，这就注定了需要为航天飞机开发新的隔热材料。

航天飞机最终选用了由二氧化硅制成的隔热瓦，该材料在耐高温的同时还可以有效阻止热量传递，并且非常轻便。下图展示了航天飞机返航时气动加热过程的热量分布：

隔热瓦分为黑白两种，黑色的是用于航天飞机腹部的高温隔热瓦，特有特殊的黑色涂层，白色的是用于其他部位的低温隔热瓦，并且每块隔热瓦都会有一个独一无二的编号，以便安装和查找：

在解决了气动加热问题后，1979年春天，第一架航天飞机“哥伦比亚号”正式下线，这里有一个值得一提的小插曲

事实上，在此之前NASA就已经制造了一架航天飞机的原型机“企业号”，与哥伦比亚号不同的是，企业号没有安装SSME发动机，也没有贴隔热瓦，因此无法进入太空，主要用于工程研究和返航滑翔测试。下图就是正在进行滑翔测试的企业号（尾部安装的是SSME发动模型...）：

1977年，企业号在爱德华兹空军基地的NASA德莱顿飞行中心开始试飞，为了进行滑翔测试，“企业”号需要由改装过的波音747客机驮载升空，这架波音被称为航天飞机载机（SCA）。NASA改装了两架747，拆除所有不必要的设备，换装更强大的发动机，机背增加航天飞机运载支架，安装了必须的仪器，平尾两端还增加了辅助垂直安定面。下图就是经过改装的波音747飞机驮着企业号进行测试的场景：

其实，企业号原本想命名为“宪法号”以纪念美国海军第一艘真正的军舰，以及1976年美国建国两百周年，但大量《星际迷航》的粉丝写信给当时的美国总统杰拉尔德·福特，要求把第一架航天飞机以“企业号”来命名，总统竟然同意了，而NASA的官员对此感到不满，另一方面，《星际迷航》的粉丝在得知企业号永远不会进入太空后也感到很沮丧。而哥伦比亚号的命名由来，则是纪念第一艘环绕世界一周航行的美国籍船只哥伦比亚号，这也是哥伦比亚河命名的由来。下图为《星际迷航》演员参加企业号下线仪式：

哥伦比亚号正式下线后，由改装后的波音747运往发射场，但在达到后意想不到的事儿发生了，原本完好的隔热瓦大面积脱落，导致发射不得不被推迟

每架航天飞机大约需要贴31000片隔热瓦，并且都必须手工装配，如果经常出现脱落的问题，工程师们将会陷入一个无休止的工作循环，更要命的是，如果在航天飞机返航时有隔热瓦脱落，将直接导致航天飞机解题，事实证明NASA的担忧是正确的。下图为工程师们检查隔热瓦的脱落原因：

由二氧化硅制成的隔热瓦虽然优点很多，但缺脆弱易碎并且贴合性差，转运过程中的震动造成了大量隔热瓦的脱落，而航天飞机在发射过程中产生的震动要比转运大得多，最终，工程师们想了一个办法，在机体和隔热瓦之间加一层类石棉材料，在缓冲震动的同时也不会影响隔热。下图为工程师们为哥伦比亚号重新安装隔热瓦：

在解决隔热瓦问题的同时，航天飞机计划也为载人航天通讯做出了重大的更新，由于传统的地面基站只能覆盖大约15%的航天飞机轨道，导致大多数时间宇航员无法与地面取得联系，因此NASA计划取消大部分地面基站，。取而代之的是三颗地球静止轨道通信卫星组成的网络，被称为“跟踪与数据中继系统”（TDRS）。至今，此系统已经发展到第三代。图为展示了“跟踪与数据中继系统”（TDRS）的工作原理：

1981年4月12日，在比原计划推迟了三年后，人类历史上首个可重复使用的载人航天器准备发射，当时约有50万美国民众来到卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心见证这一时刻，约翰·杨（John W·Young）和克里平（Robert L·Crippen）被选为航天飞机首次载人发射的宇航员：

哥伦比亚号航天飞机被垂直转运至发射台，所使用的巨型履带式运输车当年曾经运输过土星五号运载火箭：

一切准备就绪后，哥伦比亚号点火发，航天飞机借助两枚SRB的推动直冲云霄，升空两分多钟后，SRB与轨道器分离，打开降落伞落入海中等待回收。轨道器的主发动机继续消耗着外部燃料箱的燃料爬升，很快燃料箱被耗光后抛弃，此时离点火升空还不到9分钟。燃料箱在印度洋上空瓦解。轨道器然后依靠OMS轨道机动系统成功进入轨道。下面两段视频从不同角度记录了首架航天飞机的发射：

首次发射任务历时两天，两名宇航员的主要是工作是测试航天飞机的在轨性能和各种仪器设备能否正常工作，1981年4月14日，哥伦比亚号航天飞机在历经长达10分钟的通讯中断（黑障）后，载着两名宇航员顺利返航，降落在爱德华兹的干湖床上，标志着人类进入航天飞机时代：

下面这段视频完整的记录了哥伦比亚号首航着陆时的情况：

同时航天飞机也是迄今为止唯一一种可以在着陆后让宇航员“走出来”而非“爬出来”的航天器，下图为走出哥伦比亚号的宇航员约翰·杨（John W·Young）和克里平（Robert L·Crippen）：

返航后，工程师们发现，由于SRB助推火箭点火时的震动，还是导致了16片隔热瓦脱落，148片损坏。工程团队立即着手解决此问题，随后“哥伦比亚”号被波音747航天飞机载机驼回肯尼迪航天中心。

1981年11月12日，哥伦比亚号在肯尼迪航天中心进行了第二次试飞，任务同样耗时两天，机组人员为迪克·屈利和乔恩·格尔，相比第一次任务，更令人紧张的是此次任务是有史以来第一次使用同一航天器第二次发射和返回地球。此次任务测试了一项至今仍在使用的设备：加拿大机械臂

事实上，空间机械臂是无法在地球上工作的，其自重就会导致设备损坏，只有在太空的失重环境下才可以工作，加拿大最新研制的第二代机械臂可以自动在毫米级的距离上运行。

两天后，两名宇航员顺利返航，这意味着NASA最初的梦想得以实现，制造一种可以重复使用的航天器，航天飞机。返回的哥伦比亚号没有脱落一片隔热瓦，但有16片损坏。

此后哥伦比亚号航天飞机又先后进行了2次测试任务，从外观上看，最大的变化是燃料箱由白色改为橙色，原因是白色油漆会增加超过四分之一吨的重量，下图是第3次测试任务中，将燃料箱改为橙色：

1982年7月4日，在进行了4次测试任务后，NASA宣布航天飞机正式入列服役，1982年11月11日开始第一次正式任务，在此后的4年中，NASA通过航天飞机在轨释放了数颗大型卫星和军方秘密设施，与此同时，进行了多个方面的改进，其中包括放弃弹射座椅和逃生服，机组成员不再穿着特殊的防护服装，改为蓝色NASA飞行工作服。

NASA在航天飞机计划中充满信心，在多次成功发射后，NASA开始呼吁其他国家加入计划一同探索太空，随着航天飞机机组成员增加到7人，NASA开始搭载不同国家，不同背景的宇航员前往太空，其中包括科学家和工程师。

1986年1月28日，NASA遭遇了航天飞机计划中首次人员损失，挑战者号在进行第10次发射任务时，升空73秒后发生爆炸，7名机组人员全部遇难，其中包括一位中学女教师:

下面这段视频记录了挑战者号发生爆炸时的情形：

挑战者号爆炸后，航天飞机的碎片散落在佛罗里达海岸，随后航天飞机宣布暂停，开始详细调查此次事故的原因，下图为挑战者号的一块碎片：

负责调查事故原因的委员会在挑战者号发射的录像中找到了事故原因：位于右侧固态火箭推进器中的一个O形环失效，高温气体泄漏，随后产生一些列连锁反应，最终导致了挑战者号发生爆炸，下图展示了O形环所处的位置：

调查委员会认为，挑战者号发射当天，肯尼迪航天中异常寒冷，发射台很多设备都已经结冰，低温导致橡胶材质的O形环变硬，密封效果大大降低，从而导致了高温气体泄漏，航天飞机发生爆炸，同时，调查委员会进一步调查发现，当天早晨已经有工程师指出，寒冷天气可能导致航天飞机设备无法正常运行，建议推迟发射时间，但NASA并没有采纳，仍坚持发射。事实上，航天飞机技术已接近当时科技的极限，很多技术并不成熟，这也是此次事故的重要原因之一。NASA遭遇了自成立以最严重的打击。

参与第二次正式任务的宇航员理查德·特鲁利在担负此次事故调查任务的同时，试图让航天飞机计划重回正轨，他认为在技术方面出现问题的同时，更大的障碍在于失去了7为宇航员和航天飞机，这让整个NASA陷入了悲痛和低落的状态。

理查德·特鲁利牵头组建了一支航天飞机计划恢复团队，全力解决目前已知的问题：O密封环的数量由2个增加为3个，火箭助推器及燃料箱的大幅改进导致航天飞机的多处结构重新设计。

1988年9月29日，在挑战者号事故后32个月，发现号航天飞机成功发射，虽然在外形上基本没有变化，但航天飞机的内部却发生的翻天覆地的变化。下图为1988年9月29日发现号航天飞机发射：

5名宇航员驾驶发现号航天飞机释放了一颗卫星，并完成了几项科学实验，这标志着航天飞机项目再次走上正轨。下图为发现号航天飞机释放卫星：

1990年4月24日，航天飞机计划重回正规后的第10次发射，发现号航天飞机迎来了人类历史上最重要的航天任务之一：部署哈勃望远镜。有关哈勃望远镜的内容，小宇宙在之前的文章中已有介绍（共三篇），请戳这里，值得一提的是，哈勃望远镜是完全按照航天飞机的有效载荷进行设计的，话句话说，如果没有航天飞机，哈勃望远镜根本无法进入太空。下图展示了装在发现号货舱中的哈勃望远镜：

为了让大气层对哈勃望远镜的干扰降到最低，需要将哈勃望远镜发射到距地面600公里的地球轨道，这是航天飞机正常运行轨道高度的两倍，几乎到了航天飞机所能承载的极限，因此在发现号航天飞机发射的同时，旁边的哥伦比亚号同时就位待命，以防万一。下图记录了发现号航天飞机发射时，一旁待命的哥伦比亚号：

发射后不久，发现号航天飞机携带者哈勃望远镜成功进入预定轨道，下图展示了航天飞机部署哈勃望远镜的过程：

在晚于计划时间1分钟后，发现号航天飞机成功部署了哈勃望远镜，下图为发现号航天飞机释放哈勃望远镜：

此后，NASA借助航天飞机对哈勃望远镜进行了5次在轨维修任务，如果没有航天飞机的支持，如今的哈勃望远镜早已成为一堆太空垃圾，下图记录了宇航员借助航天飞机对哈勃望远镜进行在轨维修：

时至1990年6月，柏林墙拆除，象征着冷战时代的结束，这一来自地球表面的巨变也影响到了太空探索领域，1993年，俄罗斯正式加入国际空间站计划，建造国际空间站是NASA设计航天飞机的初衷，通过克服东西方国家存在的分析，NASA终于实现了这一梦想。

1995年6月27日，“亚特兰蒂斯”号发射，实现了航天飞机和俄罗斯“和平号”轨道空间站首次对接，美国和俄罗斯宇航员在外太空互相“串门”，新闻评论说“冷战”早已在地球之外结束。下图展示了亚特兰蒂斯号航天飞机与和平号轨道空间站对接时的情形：

1998年11月20日，国际空间站的第一个组件——曙光号功能货舱（美国出资，俄罗斯制造）由奋进号航天飞机成功部署，标志着国际空间站进入了轨道建造阶段，有关国际空间站的内容，小宇宙在之前的文章中已有介绍，请戳这里

航天飞机在国际空间站的轨道建设阶段起到了重要的运输作用，在整个国际空间站的建造过程中，航天飞机进行了超过50次的往返运输，没有辜负NASA建造航天飞机的初衷。下图展示了国际空间站组建之初到完全建成时的外形变化：

2003年2月1日，哥伦比亚号在进行了17天任务后，搭载7名宇航员在返回地球，在进入大气层后发生解体，7名宇航员全部遇难。成为继“挑战者”之后的第二艘失事的航天飞机。下面这段视频记录了哥伦比亚号解体的过程：

与挑战者号事故一样，事故的调查工作彻底展开，航天飞机计划被再次叫停，最终，此次事故的调查结果为：在哥伦比亚号发射时，一块脱落的泡沫绝缘体恰好砸中机翼，造成了机翼破损，在返航时，高温穿透了机翼的破洞，造成航天飞机解体：

在找到的机翼残骸上，发现了这出破损：

最终，在经历了30个月的空白期后，2005年8月9日航天飞机再次出发，但这已经注定是航天飞机的最后旅程：一方面，在花费了大量财力后扔无法保证宇航员的安全；另一方面，航天飞机计划已经严重超出预算，航天飞机每次返回维修都要完全拆除检查再重新组装。2004年，美国政府决定，在完成国际空间站的建造后，停止航天飞机计划。但开发航天飞机所产生的先进技术将会应用到下一代航天器中。

2011年2月24日美国发现号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，前往国际空间站，服役近27年的发现号将最后一次执行飞行任务。

2011年7月21日美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机于美国东部时间21日晨5时57分(北京时间21日17时57分) 在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，至此，美国30年航天飞机时代宣告终结。下图为亚特兰蒂迪斯号航天飞机的“最后返航”：

在美国成功发射首架航天飞机后7年，苏联也成功研制出航天飞机，暴风雪号1.01是唯一一次的轨道飞行任务，于1988年11月15日UTC3:00顺利发射升空。由经特别设计的能源号火箭推进器送上太空。由于此次任务是无人驾驶，所以机上并未安装生命保障持系统，也没有为操控台安装软件。下图为暴风雪号航天飞机发射时的情形：

在这次任务中，暴风雪号用时206分钟围绕地球飞行两周。返回地球时，航天飞机在哈萨克拜科努尔太空中心的跑道上进行了自动降落程序。虽然当时正吹着17米每秒的侧风，但航天飞机仅仅比预定向侧超出3米及向前超出10米，顺利降落。

事实上，苏联研制航天飞机的初衷是认为美国已经拥有能力通过航天飞机在轨部署核武器，这让苏联政府感到非常恐惧，虽然暴风雪号航天飞机与美国航天飞机在外型上极为相似（均为最佳气动外形），但二者的原理和内部构造却完全不同，综合来看，暴风雪号要比美国航天飞机更为先进，下图展示了美苏两国航天飞的差异：

“暴风雪”号在某些技术方面优于美国的航天飞机，主要表现在：

（1）航天飞机上的主发动机是在“能源”号火箭上，大大地减轻了航天飞机的入轨重量。虽然它比美国的航天飞机略大了一些，但它的重量反而减轻了约5吨，这样就可以多装一些有效负荷。

（2）“能源”号火箭可以一箭多用，既可以发射航天飞机，也可以发射别的航天器，适应了当时苏联太空军备竞赛的需要。而且“能源”号火箭可以分段回收，重复使用，提高效益。

（3）“能源”号火箭一、二级均采用液体推进剂，因而火箭的可靠性较高。而且“暴风雪”号航天飞机万一发生故障，可用自身的机动发动机使航天飞机进入较低的轨道或立即返回发射场，大大提高了航天飞机的安全性能。

（4）“暴风雪”号航天飞机上虽然没有主发动机，但有两台小型机动发动机，着落时如果第一次着落不成，还可以像普通飞机一样拉起来，再次进行着落，安全性能比较高。

（5）“暴风雪”号在轨道运行时，完全依靠无人自动驾驶，其技术难度更大。

然而，暴风雪号却遭遇了惨淡的命运，1988年首飞后，用于暴风雪计划的资金濒临耗尽：仅仅是开发航天飞机系统本身就花费了13亿卢布之巨，整个项目的开销超过了200亿卢布。而苏联当局也逐渐考虑起庞大的投资与发展航天飞机带来的益处之间的关系。暴风雪计划在某种意义上加速了苏联的瓦解；而苏联解体后，昔日的计划更是彻底失去了经济支持。1991年，苏联军方停止了对该计划的拨款支持。1993年，暴风雪航天飞机机身的设计者，莫尔尼亚联合体被迫承认，暴风雪计划就此结束。他们希望能够转向开发其他小型航天设备，但因资金不足，只能作罢。

自1988年至今，暴风雪号航天飞机没有再进行过太空飞行，和平号空间站只能利用一次性飞船和美国航天飞机作为往返工具。按原计划，第二架航天飞机将于1991年首飞，第3架则是在1992年建造完成，而首次载人飞行将在1994-1995年间进行。但由于政治和经济原因，这一切都没有实现。所有航天飞机只能存放在库房中，任灰尘飞扬，仪器老化。而未完工的两架则已在90年代中期被拆解。

2002年，暴风雪号航天飞机中可以飞行的一架连同能源号火箭一道，因拜科努尔的厂房坍塌而被砸毁。八名工人亦同时因为身处建筑物上盖而丧生。至此，暴风雪计划在凄凉惨淡中彻底终结。下图为在厂房中损毁的暴风雪号：

值得一提的是，为运输暴风雪号专门设计的安-225运输机，是世界上迄今为止最大的飞机，且仅有1架。至今仍完整存世的暴风雪系列航天飞机仅有2架，名为小鸟号，被拜科努尔航天发射场博物馆收藏；另一架被德国一博物馆以1000万欧元的价格购得。

迄今为止，只有美国与前苏联曾经制造能进入近地轨道的航天飞机，并实际成功发射回收，而美国是唯一曾以航天飞机成功进行载人任务的国家。

正像NASA航天飞机计划总设计师所说，航天飞机计划的终结并不是结束，而是人类航天梦想的一个更高起点。

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