不灭的太空探索精神——航天飞机研发史

万磁王

卡特政府与航天飞机

　　SSME发动机的设计团队终于开始轻松起来，此时航天飞机所处的政治环境也有了很大改善，不过仍被预算乌云的笼罩。1977年5月1日，力保航天飞机的詹姆斯·弗莱彻辞去NASA局长的职务，转做一名私人顾问。现任总统吉米·卡特在科学顾问弗兰克·普雷斯的建议下，任命罗伯特·A·弗罗施为NASA新掌门人。
　　弗罗施是一位曾参加过美国核武器计划的物理学家，之后他转向环境研究。在他担任联合国环境计划署助理署长时，他接到了出任NASA局长的邀请。他的管理风格与前任迥然不同，他是犹太裔，与WASP（白人盎格魯-撒克遜新教徒）前任们比起来，管理风格是轻松的。航天飞机计划是NASA当下的最大任务，弗罗施首先要做的就是让航天飞机计划在面子上说得过去。他审视了整个计划后，敏锐地判断该计划已“从一开始就超支了20％”。这是个严重的坏消息，因为卡特让弗罗施判定航天飞机计划是否需要被终止。

1980年，前总统卡特（中）向弗罗施（又）颁发国家航天俱乐部戈达德纪念奖

弗罗施（又）向卡特（中）展示航天飞机模型

万磁王

　　弗罗施面临着严重的问题，他自己也在质疑航天飞机计划的合理性，他觉得应该由私人企业而不是政府来做这项研究工作。卡特总统不是一位航天爱好者，他的科学顾问弗兰克·普雷斯同样也不是，但更大的压力来自国会预算办公室，该机构从未给过NASA好脸色看，甚至可以说是已经彻底对立了。
　　好的一方面是卡特总统比较认真和坦诚，弗莱彻在尼克松当政时期没有获得一场为NASA博取同情的听证会，但弗罗施做到了。尽管卡特总统并不了解航天飞机计划，但他愿意倾听，而且卡特的技术背景使他比白宫椭圆形办公室的其他官员更容易理解航天飞机的意义，但卡特并不认为这值得让政府进一步做些什么。
　　总之，事情并没看上去的那么顺利。但让人没有想到的是，军方挽救了航天飞机。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。”

国防部长哈罗德·布朗是航天飞机计划的坚定支持者

万磁王

　　马克的热情对NASA来说好坏参半。马克是一名德国犹太人，在战前十几岁时就已经移民美国，成为像弗罗施这样的具有美国核武器项目背景的物理学家。马克是鹰派，非常亲近军方，以至于许多NASA官员认为他想把NASA卖给五角大楼。一些NASA高层也不信任他，称其为“狡猾的小兔崽子”。讽刺的是，空军高层也不喜欢马克，因为他们不喜欢他推销航天飞机的方式。

汉斯·马克博士成为了航天飞机的热情推销员

万磁王

　　此时卡特总统正在签订武器控制协议而与苏联讨价还价，该协议暗示了一种核实苏联武器规模的一种手段——间谍卫星。国防部长布朗得以说服卡特：航天飞机是把大型间谍卫星送入轨道以及对其进行太空维护的最佳手段。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，次年他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，两倍于原来估计。

航天飞机是把大型间谍卫星送入轨道以及对其进行太空维护的最佳手段

万磁王

　NASA已经拯救了航天飞机计划，付出的代价是军方参与的加深。艾森豪威尔总统创建NASA时，该机构并不是来执行军事任务的，而是一个怀有和平目的开放性组织。而现在航天飞机则因其主要的军事目的而饱受批评。
　　70年代的NASA已经偏离了艾森豪威尔总统创建该机构的初衷，由于压力、缺乏资金、士气低落，以及大量人才离开了机构前往航空航天工业发展。NASA在20世纪60年代建立起来的与承包商的良好关系也逐渐被侵蚀，承包商的工作很少或根本没有受到监督，他们的守则、纪律、质量逐渐被荒废。
　　不过NASA在20世纪70年代还是取得了一些成就，该机构在行星探测计划上取得一些重大成果，特别是在1975年发射的两个“海盗”号火星探测器。每个探测器由一个轨道器和一个着陆器组成，使命是绘制火星地图和拍摄火星表面的景象。而在1979年发射的两个“旅行者”外行星探测器中，“旅行者”2号无疑成为20世纪最有价值的空间科学任务，传回了所有四个外行星的壮观画面。当然NASA的其他空间科学和技术任务也是很有价值的，但这一切都被艰难前行的航天飞机计划夺去了光芒。

携带着陆器的“海盗”号轨道器

“海盗”号着陆器模型

“海盗”2号着陆器拍摄的火星表面

"旅行者"航天器

1977年8月20日，由“泰坦IIIE”运载火箭发射升空的“旅行者”2号

万磁王

航天飞机下线

　　继SSME发动机之后，航天飞机在研制中又遭遇另一个拦路虎，这就是航天飞机的热防护系统。航天飞机轨道器是有史以来人类设计的最大的可控再入航天器，也是第一种可重复使用的航天器。较小的“双子座”和“阿波罗”太空船在再入中使用了烧蚀防护盾，但这个盾非常重而且是一次性的，并不适用于可重复使用航天器。
　　航天飞机的解决方案是用熔融石英玻璃纤维制造的隔热瓦，隔热瓦用胶水粘在航天飞机外表面，在再入过程中承受最严峻的气动加热考验。每架航天飞机需要贴31000片这样的隔热瓦，都必须手工精心装配，即使施工过程没有出现任何错误也要消耗掉难以计数的工时。在粘贴过程中，总是会有已贴好的隔热瓦脱落，结果使整个贴隔热瓦工作看起来是无休止的。

航天飞机再入时的表面温度分布

航天飞机表面隔热材料的粘贴位置

航天飞机底部隔热瓦的结构

黑色是用于下表面的耐高温隔热瓦，表面涂有一层黑色，白色是用于上表面的低温隔热瓦

烧红了手摸也没事

每架航天飞机需要贴31000片这样的隔热瓦，都必须手工精心装配

万磁王

　　航天飞机计划在痛苦中向前推进，NASA先期制造了一架不能进入太空的航天飞机原型机用于工程发展和滑翔测试。这架原型机被命名为“企业”（一说“进取”）号，于1976年9月下线。“企业”号既没有贴耐热砖也没有安装SSME发动机（尾部安装了发动机模型），尾部还可以安装整体整流罩。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，该机共进行了5次滑翔测试，其中第一次在8月12日进行，测试机组为宇航员弗雷德·海塞、戈登·富勒顿、乔·恩格尔和迪克·屈利。
　　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。波音747  SCA驼载航天飞机起飞将打破了二战德军“槲寄生”组合飞机创造的所有纪录。在正式进行航天飞机滑翔试飞前，SCA和航天飞机组合先要通过一系列的测试飞行。
　　在航天飞机进行首次滑翔试飞前，有批评者担心航天飞机在分离时会直接撞到747的垂尾上，但NASA的一位曾为“水星”计划做出突出贡献的航天工程师——马克思·费格特表示无需担心，事实证明他是对的。“企业”完成滑翔试验后被用于地面试验好几年，随后被公开展出，最终于1985年移交给史密森学会永久保存。
　　其实NASA并不想把第一架航天飞机命名为“企业”号，该机构原本想命名为“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。谁知一大群电视剧《星际迷航》的粉丝写信给美国总统杰拉尔德·福特，要求把第一架航天飞机以电视剧中的飞船“企业”号来命名，总统同意了。NASA的官员对此感到不满，他们并不想航天飞机与什么科幻电视剧有关联，白宫安抚NASA说“企业”也是美国海军沿用依旧的军舰名。实际上，《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。
　　“企业”号的命名成为了一个小插曲。在众人的期盼下，1979年的春，第一架生产型航天飞机“哥伦比亚”号下线了，两年后该机准备好了第一次发射。

“企业”号于正在制造的“挑战者”号航天飞机

1976年，《星际迷航》演员参加“企业”号下线仪式

波音747 SCA示意图

1977年8月12日，“企业”号进行了首次滑翔试飞，顺利降落在爱德华兹空军基地

1977年，“企业”号进行的第四次滑翔测试，这次没有装尾部整流罩

万磁王

　　航天飞机的其他组件也陆续到位。为了把商业通信卫星从航天飞机的低地轨道发射到地球同步轨道，NASA设计了一个被称为“载荷辅助模块”（PAM）的简单固体燃料助推器。而美国空军正在着手研制一个更大的两级助推器，最初被称为过渡上面级（IUS），因为空军预计最终会得到一个比IUS更大更好的助推器。最后IUS更名为惯性上面级（缩写同样是IUS）。IUS用于把国防部重型载荷发射到高轨道上，也可以为NASA发射行星探测器。
　　PAM初始型号PAM-D的发射质量为2141千克，推力67.2千牛。PAM也被被当做“德尔塔II”火箭的上面级。更强大的PAM-D2发射质量3697千克，推力107千牛，同时也是“泰坦III”的上面级。
　　IUS由波音公司制造，约5.2米长，发射重量大约14.7吨，第一级提供186千牛的推力，第二级提供76.5千牛的推力。有效载荷能力在地球静止轨道是2400千克，在行星际轨道有效载荷达3630千克。
　　美国空军和NASA之间的关系并不融洽，IUS计划进行得并不顺利，而且IUS还要面对来自NASA的竞争对手——更先进的“半人马”G基本型助推器。“半人马”改装自“阿特拉斯-半人马座”运载火箭的助推器，使用液氧-液氢推进剂，推力并不比IUS大，但可以多次启动。
　　但把一个液体燃料助推器装进航天飞机货舱中的想法不仅存在技术问题，也非常危险。如何加注燃料？一旦中止任务需要排空燃料降落又该怎么办？一些NASA官员强烈反对“半人马”G，宣称除非踏过他们的尸体，否则“半人马”别想上航天飞机。有些宇航员甚至表示如果要执行搭载“半人马”的任务，他们就会辞职。人们关于IUS和“半人马”的争论持续了好几年，最后在1986年“挑战者”号灾难后，“半人马”被彻底取消。

载荷辅助模块（PAM）

安装了PAM的人造卫星

安装在“伽利略”号太空船下方的惯性上面级（IUS）

独立的惯性上面级（IUS）

这是最为夸张的“半人马”G基本型助推器

万磁王

　　NASA航天飞机计划的另一个重点是更新陈旧的载人航天通信网络来支持航天飞机任务。NASA计划取消大部分地面站，因为这些地面站只能覆盖15％的航天飞机轨道。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）。不幸的是，TDRS卫星发展计划遭遇了困难和超支，部分原因是美国空军强加NASA的保密通信要求。

现在NASA的TDRS卫星已经发展到第三代了

万磁王

航天飞机发射

　　航天飞机的首次轨道发射是1981年4月12日，此次任务“哥伦比亚”仅搭载了两名乘员：“阿波罗”老将约翰·扬和来自空军载人轨道实验室项目的鲍勃·克里平。克里平来自美苏合作的“阿波罗-联盟”测试计划，这是他的第一次太空任务。
　　航天飞机的轨道器、外部燃料箱以及SRB在“阿波罗”项目航天器装配大楼中组装在一起并完成了检查，随后“土星五”火箭的巨型履带式运输车运输到发射场。4月10日，航天飞机被上下擦洗一新。4月12日，有上百万人聚集在肯尼迪航天中心观看航天飞机的首次发射，人群中有克林特·伊斯特伍德、丽莎·米内利、史蒂芬·斯皮尔伯格、乔治·卢卡斯、帕特·布恩和约翰·丹佛等好莱坞明星。这次发射非常壮观，两枚SRB推动航天飞机直冲云霄，留下两道长长的羽烟久久不能散去。
　　航天飞机的爬升速度非常快，以至于在发射后就要稍稍“收油门”以降低机身所承受的应力。在升空两分多钟后，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轨道机动系统入轨，一切都按计划进行。

STS-1任务机组约翰·扬（左）和鲍勃·克里平

巨型履带式运输车把“哥伦比亚”号运输到发射场

这次发射非常壮观，两枚SRB推动航天飞机直冲云霄，留下两道长长的羽烟久久不能散去

随着“哥伦比亚”号降落在爱德华兹的干湖床上，人类进入了航天飞机时代