不灭的太空探索精神——航天飞机研发史

万磁王

原作者：Armstrong  

　　航天飞机是NASA在“阿波罗”登月计划结束之后又一个雄心勃勃的太空计划，但该计划是基于不稳定的政治支持和持续的资金削减基础之上的，导致航天飞机的研制工作不得不在艰难中前进。不过NASA最终获得了成功，在1981年进行了航天飞机的首次太空任务。航天飞机在许多方面都表现出令人印象深刻的创新特性，但也因研制中的妥协而为日后的“挑战者”和“哥伦比亚”号悲剧埋下了伏笔……

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航天飞机的起源
　　20世纪60年代，NASA在其头号任务上取得了巨大的成功，把人送上了月球。虽然“阿波罗”登月计划会一直延续到70年代中期，但此时的NASA急需获得一项新使命来保持机构的地位。因为随着阿波罗计划的结束，公众对登月的兴趣会逐渐消退，NASA的影响力必然会降低，随之而来的将是削减拨款和裁员。

“阿波罗”登月计划极大鼓舞了美国国民的士气

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　　NASA花了好几年时间来确定下一步该怎么走。1969年尼克松总统上任后不久，授权成立了一个副总统斯皮罗•阿格纽指导的“太空任务小组”，来确定NASA在后“阿波罗”时代的发展方向。太空任务小组成员包括NASA局长托马斯•潘恩、空军部长罗伯特•西曼斯、尼克松总统的科学顾问李•杜布里奇。阿格纽副总统的存在仅具有象征意义，小组的其他成员觉得他对这件事情了解甚少，也不感兴趣。

托马斯•潘恩和尼克松总统等待接见“阿波罗”11号的返航宇航员

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　　1969年9月，太空任务小组发布了研究报告。报告的核心内容展示了一幅沿着20世纪50年代的宏伟愿景路线而绘制的“空间基础设施”蓝图，其中包括空间站、太空拖船、核动力月球和行星运输载具、月球基地等，报告预计美国将在20世纪80年代初开始把人送上火星。而这一切想要成功都基于一个关键要素——可重复使用的载人航天发射系统。该系统一开始被称为“太空运输系统”（STS），而这就是航天飞机的起点。

1969年太空任务小组设想的“空间基础设施”蓝图，已经具有了航天飞机的雏形

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　　其实类似的“可重复使用载具”（RLV）的想法并不新颖。为了解决制造一个昂贵的运载火箭后发射一次就被抛弃的浪费问题，第二次世界大战期间德国火箭科学家就提出了这个设想，在60年代还出现了大量的RLV纸上设想。
　　大多数设想都采用两架有翼载具的组合，其中第一级载具安装喷气发动机或火箭发动机甚至是两者的组合，背负着安装了火箭发动机的第二级载具。第一级载具升空到达预定的高空高速状态后，第二级载具与第一级分离，依靠自身的火箭发动机把载荷送入轨道。在完成各自的任务阶段后，这两架载具都能自行返航并降落在跑道上。一些设想的两架载具并排连接，就像双胞胎，甚至还有三架载具合体的。也有设想的第二级载具安装有可消耗的火箭助推器。

马丁公司在1963年设想的两级载人航天发射系统，两级都能重复使用，毫不浪费

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　　NASA载人航天（OMSF）办公室主任，乔治•米勒在1969年4月已经组建了一支“航天飞机任务小组”，该小组提出的A阶段航天飞机计划正是按照这种思路设计的，由可回收助推器级和轨道器级组成，安装了火箭和喷气式发动机的两级都能可重复使用。火箭发动机将使用液氧和液氢（LOX-LH2）推进剂。轨道器的后货舱可以装多达11350千克货物，前载人舱可容纳两名机组和12名乘客。

麦克唐纳公司设想的A阶段航天飞机方案

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　　A阶段航天飞机更像是一个通用概念而不是具体方案要求。1970年年初，NASA提出了一个更具体的B阶段方案要求，一开始设想了一种有翼可飞回助推器和轨道器。大型可飞回助推器的尺寸相当于一架大型喷气式客机，背负着较小的轨道器。B阶段航天飞机会有很强的性能，但也将非常昂贵。尼克松政府对太空计划并没有太大热情，一直在削减NASA的预算，航天飞机计划看起来有点像强买强卖。

北美/通用动力公司设想的B阶段航天飞机方案

格鲁曼/波音公司设想的B阶段航天飞机方案

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　　汤姆•潘恩因不满NASA的预算遭削减，在1970年9月辞去局长职务，副局长乔治•楼出任临时局长，直到1971年1月詹姆斯•弗莱彻被任命为NASA新局长。弗莱彻在20世纪50年代末曾在拉莫•伍尔德里奇公司参加了“先锋”月球撞击计划。弗莱彻认为NASA的未来就在航天飞机上，并努力展开游说。

詹姆斯•弗莱彻

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　　尼克松政府也认识到载人航天飞行很受大众欢迎，NASA需要把航天飞机视为能满足所有参与方要求的国家级航天器。NASA宣称航天飞机具有十个能降低发射成本的优点，但一些研究表明想要降低发射成本必须先达到一定的发射频率，而NASA的成本估算基于每周一次的发射频率。所以批评者对NASA降低发射成本的说法持怀疑态度，在当时，NASA的太空任务并不能填饱航天飞机的胃口。
　　这么高的发射频率在日后将被证明是无法实现的，现在也无从得知当时弗莱彻和NASA是否再故意夸大宣传，但他们肯定知道该机计划已经暗示航天飞机将取代运载火箭发射美国以后的所有太空载荷，并下决心推动计划的成功。NASA正在进行一次豪赌，他们寄希望于航天飞机在全面运作后能大幅降低发射成本。但其中最大的问题是，这一切都基于全新的、复杂的、未经验证的技术。
　　光凭NASA的太空任务并不能满足航天飞机的胃口，让航天飞机进行商业发射是个好主意。不过眼前还有一个麻烦，那就是NASA无权控制军事发射，为了实现较高的发射率就必须把美国空军拉上船，让航天飞机成为名副其实的国家级航天器。
　　谁知空军高层对航天飞机的态度很冷淡，除非该机能满足军方的载荷要求，否则不予考虑。美国空军的有效载荷要求几乎是NASA设想的两倍半——达到了33吨，这意味着航天飞机要做得更大。此外，美国空军还要求航天飞机能在紧急返航种降落在保密基地，不想让飞机装着机密装备到处降落，所以对航天飞机再入大气层后的横向机动能力要求大增。军方甚至要求NASA对整个航天飞机计划进行保密，乔治•穆勒断然拒绝了这一要求。
　　付出了航天飞机研制大大复杂化的代价后，NASA只获得了空军的一纸承诺。尽管美国空军会在范登堡空军基地建造航天飞机发射设施，但不会为航天飞机研制拨一分钱。NASA觉得范登堡基地地理位置很不错，航天飞机在这里发射能更有效率地进入极地轨道。空军还明确表示会保留“泰坦”运载火箭的发射能力作为备份，他们不打算让美国的军事太空计划完全受制于未经证实的新技术。而且空军要求优先使用航天飞机执行军事任务，当然他们提出的发射频率听起来并不难满足。

范登堡空军基地位于加州

　　就在NASA四处寻求支持时，航天飞机的研制资金却遭遇缩水。1971年5月，美国国会的“管理与预算办公室”（OMB）向NASA增加的预算要求挥出了大斧。NASA不得不修改航天飞机的设计以满足成本目标，从而能继续推动该计划的实施。NASA的努力最终没有白费，1972年1月5日尼克松总统批准了航天飞机计划，就是在十年前，肯尼迪总统批准了“阿波罗”计划。现在NASA又有一个新目标，一开始计划制造7架航天飞机。

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取得实质性进展

　　这一阶段航天飞机设计与B阶段相比在性能上多少有缩水。轨道器沿用先前的设计理念，是一个机身截面为方形的双三角形下单翼飞行器，尾部有一片高大的单垂尾，之所以选择面积较大的双三角翼是为了满足美国空军横向机动要求。航天飞机前端是飞机风格的驾驶舱与乘员舱，之后是一个大型货舱。货舱门分成左右两扇向上打开，可完全暴露出有效载荷。最终，北美罗克韦尔公司获得了轨道器的合同。

轨道器沿用先前的设计理念，是一个机身截面为方形的双三角形下单翼飞行器，尾部有一片高大的单垂尾

航天飞机前端是飞机风格的驾驶舱与乘员舱，之后是一个大型货舱

最终，北美罗克韦尔公司的方案获得了轨道器的合同