不灭的太空探索精神——航天飞机研发史

万磁王

　　但是NASA抛弃了可飞回助推器设计。鉴于现阶段轨道器的尺寸，可飞回助推器要制造得比巨型客机都大，满足性能要求就要面对巨大的技术挑战。所以NASA用捆绑在轨道器两侧的两个巨大的固体火箭推进器（SRB）取代了可飞回助推器。SRB固体火箭推进器耗尽燃料脱离后会打开降落伞溅落海洋，然后经翻新后再次使用。齐柯尔公司获得了SRB固体火箭推进器的研制合同。一开始有人认为采用捆绑式液体燃料助推器将有更好的性能，但最后因为比较昂贵而选择了固体火箭。马丁•玛丽埃塔公司负责制造连接在轨道器腹部的大型外部燃料箱，向轨道器尾部的三台航天飞机主发动机（SSME）提供液体燃料，这些发动机则由罗克达因公司制造。

航天飞机设计在1972-1974年间的演进，NASA已经抛弃了可飞回助推器设计

SRB固体火箭推进器结构图

大型外部燃料箱结构图

万磁王

　　SSME发动机燃烧液氢和液氧，每台最大推力2090千牛（213吨），是“土星”V运载火箭J-2型发动机推力的两倍多。SSME发动机只负责把轨道器推出大气层，一旦进入太空后轨道器就切换到轨道机动系统（OMS）推进，后者是麦道公司制造的两台火箭发动机，安装在垂尾两侧。轨道器没有配备喷气发动机，滑翔返回地球并降落在跑道上。这种方式已经在升力体上进行了验证，并且在以后实际操作中也被证明是成功的。

航天飞机尾部有三台SSME和两台OMS发动机

这是一台完整的SSEM

万磁王

OMS鼓包内部的燃料罐

OMS结构图

　　航天飞机不仅能把载荷发射入太空，原则上也能从太空捕获载荷带回地球。不过航天飞机只能达到低地球轨道，NASA为此也设想了安装补充助推器把有效载荷送入更高的轨道，甚至是行星际轨道。

万磁王

　　航天飞机能在太空滞留相当长的一段时间，所以可以被当成空间站使用。欧洲航天局（ESA）决定研制一个能装入航天飞机货舱中的太空实验室，实验室包括一个供研究人员进行试验的加压舱，以及安装在货舱后方托架上的控制仪器和实验系统，当然也可以只安装托架。1973年8月14日，NASA和ESA正式签署了太空实验室研制谅解备忘录。

欧洲航天局（ESA）太空实验室设计

欧洲航天局的太空实验室任务/载荷专家们

万磁王

　　NASA也打算支持小型业余和学校的太空研究项目，可以利用航天飞机货舱的空余空间发射他们的GAS小型自主装置。为了获得广泛的公众支持，NASA也打算邀请政客、记者、平民、甚至是外国国民加入机组参加太空飞行。

GAS小型自主装置罐，用于容纳千奇百怪的太空实验装置

万磁王

　　人们对航天飞机的设计还是有许多顾虑，有人指出SRB固体火箭推进器在点火后就不可能被关闭，一旦出事将会导致灾难性的后果。但NASA还是决定不给航天飞机配备完整的乘员救生系统，仅仅是因为该系统会增加约3000万美元的成本，所以航天飞机成为美国第一种没有完善救生设施的载人航天器。

航天飞机原计划安装的弹射救生系统，正副飞行员有单独的弹射座椅，其他乘员则依靠弹射救生舱逃生

　　航天飞机的硬件庞大复杂、未经验证。任何工程师都能看出来发展这样一个雄心勃勃的计划而不经中间系统的验证纯粹就是自找麻烦。实际上休斯敦约翰逊航天中心的一队人马一直在推动首先研制一种较简单的可重复使用航天器，但因为政治原因而被否决。NASA也从技术和财政角度审视了发展只能把小型载荷送入轨道的第一代航天飞机的问题，但觉得该方案过于保守。由于低成本，该项目也不会使NASA获得较高的预算支持，所以缺乏任何吸引力。
　　不管怎样，NASA似乎已经在生存之战中获胜。航天飞机的拨款在1972财年是1亿美元，到1973财年正式开始发展时增加到1.99亿美元。然后，1974财年攀升至4.75亿美元，1975财年是7.975亿美元，1976财年是12亿美元。但仅靠加大资金投入是不够的，航天飞机的研制是一个复杂的系统工程，该计划也没有获得来自政界或军方的热情支持。总之，NASA获得了天时地利，却失去了人和。

万磁王

遭遇的问题

　　尽管航天飞机计划存在诸多不足，但NASA仍坚定推进研制工作。航天飞机是一个非常雄心勃勃的设计，不仅采用了大量全新技术，而且预算也不足，所以研制工作遭遇了困境。
　　其中最大的难点是航天飞机SSME主发动机。罗克达因公司的保罗•卡斯滕霍尔茨负责SSME发动机项目，他曾领导了“土星”五号的J-2发动机的研制计划，经验丰富。一开始SSME发动机的研制进展看上去很顺利，1974年5月第一台完整的SSME样机被架在试车台上开始首次试车，按计划成功运行了半秒钟。

正在测试中的SSME发动机

万磁王

　　谁知道发动机在持续最大推力测试中出了问题，无法达到最大推力状态。其中最主要的原因是输送推进剂的涡轮泵功率不足，尽管涡轮泵的最大功率达56700千瓦（76000马力），但还是无法满足SSME发动机对推进剂的渴求。

一台RS-25 SSME发动机有4台涡轮泵

高压燃料涡轮泵结构图

万磁王

　　这些涡轮泵中的液氢泵还遭遇其他一系列的麻烦，第一个问题是驱动轴会在轴承支座中振动，花了八个月的时间来解决。然后是轴承冷却系统问题，轴承是由泵送的液氢冷却，但事实证明冷却通道设计不足，于是又花了六个月重新设计。最后涡轮叶片又出现了裂纹，最后查明是振动导致，也花了六个月的时间来解决。
　　涡轮泵中的液氧泵也是问题缠身，在试车中出过导致SSME发动机起火的重大故障。要知道高压液氧只要有一点泄漏就会导致燃烧，发动机起火后会烧的什么也不剩，无法让设计团队分析故障原因。最后设计师们发现了液氧泵的一个旋转密封圈因意想不到的摩擦而出现泄漏，在安装新的密封圈后解决了这个问题。之后设计团队又发现液氧泵的轴承也有振动问题，同样会引发火灾。在花很大代价进行修改后，涡轮泵的问题被逐渐解决。

航天飞机模型的风洞测试

万磁王

　到1977年春，大多数涡轮泵问题都已得到了解决，但没人觉得研制工作已经走出困境。按照原计划，航天飞机在1978年3月就要进行首次发射，但所有人都知道这已不可能。雪上加霜的是，国会预算办公室此时又宣布削减3亿美元的航天飞机计划经费。NASA能做的就是提出“以成功为导向的管理”官僚政策，也就是说，航天飞机此时已经变成了一个事先假定所有一切都会顺利进行的乌托邦计划，然后所有人都屏住呼吸，祈祷不出事情。
　　1978年3月很快来临，此时已经没人指望航天飞机能按时发射了。1978年12月，一台SSME发动机在静态测试时炸毁，追踪到液氧阀和热交换器出现了问题。阀门故障很容易理解和解决，但热交换器的问题则令人费解，难以明确原因。
　　1979年5月和7月，又接连发生事故，不过设计团队已经找出了发动机问题所在，正在攻关解决。航天飞机要安装三台SSME发动机，所以下一步静态测试是三台发动机联合试车。1979年11月，一次联合测试失败，随后在12月终于完成了一次成功测试。

正在安装SSME的航天飞机