不滅的太空探索精神—太空梭研發史

太空梭是NASA在「阿波羅」登月計劃結束之後又一個雄心勃勃的太空計劃，但該計劃是基於不穩定的政治支持和持續的資金削減基礎之上的，導致太空梭的研製工作不得不在艱難中前進。不過NASA最終獲得了成功，在1981年進行了太空梭的首次太空任務。太空梭在許多方面都表現出令人印象深刻的創新特性，但也因研製中的妥協而為日後的「挑戰者」和「哥倫比亞」號悲劇埋下了伏筆……

雖然太空梭時代業已落幕，LC39A發射台上最後一點兒象徵性的RSS也面臨即將被拆除的命運，但是這絕不能抹去太空梭在可復用航天器上做出的偉大探索，雖然現在他失敗了，但保不齊未來的某一天會以一種嶄新的形式浴火重生。今天讓我們再次回味一下太空梭誕生的台前幕後和種種軼聞趣事。

本文原載於網站空軍之翼，原作者Armstrong

太空梭的起源

20世紀60年代，NASA在其頭號任務上取得了巨大的成功，把人送上了月球。雖然「阿波羅」登月計劃會一直延續到70年代中期，但此時的NASA急需獲得一項新使命來保持機構的地位。因為隨著阿波羅計劃的結束，公眾對登月的興趣會逐漸消退，NASA的影響力必然會降低，隨之而來的將是削減撥款和裁員。

「阿波羅」登月計劃極大鼓舞了美國國民的士氣

NASA花了好幾年時間來確定下一步該怎麼走。1969年尼克松總統上任後不久，授權成立了一個副總統斯皮羅?阿格紐指導的「太空任務小組」，來確定NASA在後「阿波羅」時代的發展方向。太空任務小組成員包括NASA局長托馬斯?潘恩、空軍部長羅伯特?西曼斯、尼克松總統的科學顧問李?杜布里奇。阿格紐副總統的存在僅具有象徵意義，小組的其他成員覺得他對這件事情了解甚少，也不感興趣。

托馬斯?潘恩和尼克松總統等待接見「阿波羅」11號的返航宇航員

1969年9月，太空任務小組發布了研究報告。報告的核心內容展示了一幅沿著20世紀50年代的宏偉願景路線而繪製的「空間基礎設施」藍圖，其中包括空間站、太空拖船、核動力月球和行星運輸載具、月球基地等，報告預計美國將在20世紀80年代初開始把人送上火星。而這一切想要成功都基於一個關鍵要素——可重複使用的載人航天發射系統。該系統一開始被稱為「太空運輸系統」(STS)，而這就是太空梭的起點。

1969年太空任務小組設想的「空間基礎設施」藍圖，已經具有了太空梭的雛形

其實類似的「可重複使用載具」(RLV)的想法並不新穎。為了解決製造一個昂貴的運載火箭後發射一次就被拋棄的浪費問題，第二次世界大戰期間德國火箭科學家就提出了這個設想，在60年代還出現了大量的RLV紙上設想。

大多數設想都採用兩架有翼載具的組合，其中第一級載具安裝噴氣發動機或火箭發動機甚至是兩者的組合，背負著安裝了火箭發動機的第二級載具。第一級載具升空到達預定的高空高速狀態後，第二級載具與第一級分離，依靠自身的火箭發動機把載荷送入軌道。在完成各自的任務階段後，這兩架載具都能自行返航並降落在跑道上。一些設想的兩架載具並排連接，就像雙胞胎，甚至還有三架載具合體的。也有設想的第二級載具安裝有可消耗的火箭助推器。

馬丁公司在1963年設想的兩級載人航天發射系統，兩級都能重複使用，毫不浪費

NASA載人航天(OMSF)辦公室主任，喬治?米勒在1969年4月已經組建了一支「太空梭任務小組」，該小組提出的A階段太空梭計劃正是按照這種思路設計的，由可回收助推器級和軌道器級組成，安裝了火箭和噴氣式發動機的兩級都能可重複使用。火箭發動機將使用液氧和液氫(LOX-LH2)推進劑。軌道器的後貨艙可以裝多達11350千克貨物，前載人艙可容納兩名機組和12名乘客。

麥克唐納公司設想的A階段太空梭方案

A階段太空梭更像是一個通用概念而不是具體方案要求。1970年年初，NASA提出了一個更具體的B階段方案要求，一開始設想了一種有翼可飛回助推器和軌道器。大型可飛回助推器的尺寸相當於一架大型噴氣式客機，背負著較小的軌道器。B階段太空梭會有很強的性能，但也將非常昂貴。尼克松政府對太空計劃並沒有太大熱情，一直在削減NASA的預算，太空梭計劃看起來有點像強買強賣。

北美/通用動力公司設想的B階段太空梭方案

格魯曼/波音公司設想的B階段太空梭方案

湯姆?潘恩因不滿NASA的預算遭削減，在1970年9月辭去局長職務，副局長喬治?樓出任臨時局長，直到1971年1月詹姆斯?弗萊徹被任命為NASA新局長。弗萊徹在20世紀50年代末曾在拉莫?伍爾德里奇公司參加了「先鋒」月球撞擊計劃。弗萊徹認為NASA的未來就在太空梭上，並努力展開遊說。

詹姆斯?弗萊徹

尼克松政府也認識到載人航天飛行很受大眾歡迎，NASA需要把太空梭視為能滿足所有參與方要求的國家級航天器。NASA宣稱太空梭具有十個能降低發射成本的優點，但一些研究表明想要降低發射成本必須先達到一定的發射頻率，而NASA的成本估算基於每周一次的發射頻率。所以批評者對NASA降低發射成本的說法持懷疑態度，在當時，NASA的太空任務並不能填飽太空梭的胃口。

這麼高的發射頻率在日後將被證明是無法實現的，現在也無從得知當時弗萊徹和NASA是否再故意誇大宣傳，但他們肯定知道該機計劃已經暗示太空梭將取代運載火箭發射美國以後的所有太空載荷，並下決心推動計劃的成功。NASA正在進行一次豪賭，他們寄希望於太空梭在全面運作後能大幅降低發射成本。但其中最大的問題是，這一切都基於全新的、複雜的、未經驗證的技術。

光憑NASA的太空任務並不能滿足太空梭的胃口，讓太空梭進行商業發射是個好主意。不過眼前還有一個麻煩，那就是NASA無權控制軍事發射，為了實現較高的發射率就必須把美國空軍拉上船，讓太空梭成為名副其實的國家級航天器。

誰知空軍高層對太空梭的態度很冷淡，除非該機能滿足軍方的載荷要求，否則不予考慮。美國空軍的有效載荷要求幾乎是NASA設想的兩倍半——達到了33噸，這意味著太空梭要做得更大。此外，美國空軍還要求太空梭能在緊急返航種降落在保密基地，不想讓飛機裝著機密裝備到處降落，所以對太空梭再入大氣層後的橫向機動能力要求大增。軍方甚至要求NASA對整個太空梭計劃進行保密，喬治?穆勒斷然拒絕了這一要求。

付出了太空梭研製大大複雜化的代價後，NASA只獲得了空軍的一紙承諾。儘管美國空軍會在范登堡空軍基地建造太空梭發射設施，但不會為太空梭研製撥一分錢。NASA覺得范登堡基地地理位置很不錯，太空梭在這裡發射能更有效率地進入極地軌道。空軍還明確表示會保留「泰坦」運載火箭的發射能力作為備份，他們不打算讓美國的軍事太空計劃完全受制於未經證實的新技術。而且空軍要求優先使用太空梭執行軍事任務，當然他們提出的發射頻率聽起來並不難滿足。

范登堡空軍基地位於加州

就在NASA四處尋求支持時，太空梭的研製資金卻遭遇縮水。1971年5月，美國國會的「管理與預算辦公室」(OMB)向NASA增加的預算要求揮出了大斧。NASA不得不修改太空梭的設計以滿足成本目標，從而能繼續推動該計劃的實施。NASA的努力最終沒有白費，1972年1月5日尼克松總統批准了太空梭計劃，就是在十年前，肯尼迪總統批准了「阿波羅」計劃。現在NASA又有一個新目標，一開始計劃製造7架太空梭。

取得實質性進展

這一階段太空梭設計與B階段相比在性能上多少有縮水。軌道器沿用先前的設計理念，是一個機身截面為方形的雙三角形下單翼飛行器，尾部有一片高大的單垂尾，之所以選擇面積較大的雙三角翼是為了滿足美國空軍橫向機動要求。太空梭前端是飛機風格的駕駛艙與乘員艙，之後是一個大型貨艙。貨艙門分成左右兩扇向上打開，可完全暴露出有效載荷。最終，北美羅克韋爾公司獲得了軌道器的合同。

軌道器沿用先前的設計理念，是一個機身截面為方形的雙三角形下單翼飛行器，尾部有一片高大的單垂尾

太空梭前端是飛機風格的駕駛艙與乘員艙，之後是一個大型貨艙

最終，北美羅克韋爾公司的方案獲得了軌道器的合同

但是NASA拋棄了可飛回助推器設計。鑒於現階段軌道器的尺寸，可飛回助推器要製造得比巨型客機都大，滿足性能要求就要面對巨大的技術挑戰。所以NASA用捆綁在軌道器兩側的兩個巨大的固體火箭推進器(SRB)取代了可飛回助推器。SRB固體火箭推進器耗盡燃料脫離後會打開降落傘濺落海洋，然後經翻新後再次使用。齊柯爾公司獲得了SRB固體火箭推進器的研製合同。一開始有人認為採用捆綁式液體燃料助推器將有更好的性能，但最後因為比較昂貴而選擇了固體火箭。馬丁?瑪麗埃塔公司負責製造連接在軌道器腹部的大型外部燃料箱，向軌道器尾部的三台太空梭主發動機(SSME)提供液體燃料，這些發動機則由羅克達因公司製造。

太空梭設計在1972-1974年間的演進，NASA已經拋棄了可飛回助推器設計

SRB固體火箭推進器結構圖

大型外部燃料箱結構圖

SSME發動機燃燒液氫和液氧，每台最大推力2090千牛(213噸)，是「土星」V運載火箭J-2型發動機推力的兩倍多。SSME發動機只負責把軌道器推出大氣層，一旦進入太空後軌道器就切換到軌道機動系統(OMS)推進，後者是麥道公司製造的兩台火箭發動機，安裝在垂尾兩側。軌道器沒有配備噴氣發動機，滑翔返回地球並降落在跑道上。這種方式已經在升力體上進行了驗證，並且在以後實際操作中也被證明是成功的。

太空梭尾部有三台SSME和兩台OMS發動機

這是一台完整的SSEM

OMS鼓包內部的燃料罐

OMS結構圖

太空梭不僅能把載荷發射入太空，原則上也能從太空捕獲載荷帶回地球。不過太空梭只能達到低地球軌道，NASA為此也設想了安裝補充助推器把有效載荷送入更高的軌道，甚至是行星際軌道。

太空梭能在太空滯留相當長的一段時間，所以可以被當成空間站使用。歐洲航天局(ESA)決定研製一個能裝入太空梭貨艙中的太空實驗室，實驗室包括一個供研究人員進行試驗的加壓艙，以及安裝在貨艙後方托架上的控制儀器和實驗系統，當然也可以只安裝托架。1973年8月14日，NASA和ESA正式簽署了太空實驗室研製諒解備忘錄。

歐洲航天局(ESA)太空實驗室設計

歐洲航天局的太空實驗室任務/載荷專家們

NASA也打算支持小型業餘和學校的太空研究項目，可以利用太空梭貨艙的空餘空間發射他們的GAS小型自主裝置。為了獲得廣泛的公眾支持，NASA也打算邀請政客、記者、平民、甚至是外國國民加入機組參加太空飛行。

GAS小型自主裝置罐，用於容納千奇百怪的太空實驗裝置

人們對太空梭的設計還是有許多顧慮，有人指出SRB固體火箭推進器在點火後就不可能被關閉，一旦出事將會導致災難性的後果。但NASA還是決定不給太空梭配備完整的乘員救生系統，僅僅是因為該系統會增加約3000萬美元的成本，所以太空梭成為美國第一種沒有完善救生設施的載人航天器。

太空梭原計劃安裝的彈射救生系統，正副飛行員有單獨的彈射座椅，其他乘員則依靠彈射救生艙逃生

太空梭的硬體龐大複雜、未經驗證。任何工程師都能看出來發展這樣一個雄心勃勃的計劃而不經中間系統的驗證純粹就是自找麻煩。實際上休斯敦約翰遜航天中心的一隊人馬一直在推動首先研製一種較簡單的可重複使用航天器，但因為政治原因而被否決。NASA也從技術和財政角度審視了發展只能把小型載荷送入軌道的第一代太空梭的問題，但覺得該方案過於保守。由於低成本，該項目也不會使NASA獲得較高的預算支持，所以缺乏任何吸引力。

不管怎樣，NASA似乎已經在生存之戰中獲勝。太空梭的撥款在1972財年是1億美元，到1973財年正式開始發展時增加到1.99億美元。然後，1974財年攀升至4.75億美元，1975財年是7.975億美元，1976財年是12億美元。但僅靠加大資金投入是不夠的，太空梭的研製是一個複雜的系統工程，該計劃也沒有獲得來自政界或軍方的熱情支持。總之，NASA獲得了天時地利，卻失去了人和。

遭遇的問題

儘管太空梭計劃存在諸多不足，但NASA仍堅定推進研製工作。太空梭是一個非常雄心勃勃的設計，不僅採用了大量全新技術，而且預算也不足，所以研製工作遭遇了困境。

其中最大的難點是太空梭SSME主發動機。羅克達因公司的保羅?卡斯滕霍爾茨負責SSME發動機項目，他曾領導了「土星」五號的J-2發動機的研製計劃，經驗豐富。一開始SSME發動機的研製進展看上去很順利，1974年5月第一台完整的SSME樣機被架在試車台上開始首次試車，按計劃成功運行了半秒鐘。

正在測試中的SSME發動機

誰知道發動機在持續最大推力測試中出了問題，無法達到最大推力狀態。其中最主要的原因是輸送推進劑的渦輪泵功率不足，儘管渦輪泵的最大功率達56700千瓦(76000馬力)，但還是無法滿足SSME發動機對推進劑的渴求。

一台RS-25 SSME發動機有4台渦輪泵

高壓燃料渦輪泵結構圖

這些渦輪泵中的液氫泵還遭遇其他一系列的麻煩，第一個問題是驅動軸會在軸承支座中振動，花了八個月的時間來解決。然後是軸承冷卻系統問題，軸承是由泵送的液氫冷卻，但事實證明冷卻通道設計不足，於是又花了六個月重新設計。最後渦輪葉片又出現了裂紋，最後查明是振動導致，也花了六個月的時間來解決。

渦輪泵中的液氧泵也是問題纏身，在試車中出過導致SSME發動機起火的重大故障。要知道高壓液氧只要有一點泄漏就會導致燃燒，發動機起火後會燒的什麼也不剩，無法讓設計團隊分析故障原因。最後設計師們發現了液氧泵的一個旋轉密封圈因意想不到的摩擦而出現泄漏，在安裝新的密封圈後解決了這個問題。之後設計團隊又發現液氧泵的軸承也有振動問題，同樣會引發火災。在花很大代價進行修改後，渦輪泵的問題被逐漸解決。

太空梭模型的風洞測試

到1977年春，大多數渦輪泵問題都已得到了解決，但沒人覺得研製工作已經走出困境。按照原計劃，太空梭在1978年3月就要進行首次發射，但所有人都知道這已不可能。雪上加霜的是，國會預算辦公室此時又宣布削減3億美元的太空梭計劃經費。NASA能做的就是提出「以成功為導向的管理」官僚政策，也就是說，太空梭此時已經變成了一個事先假定所有一切都會順利進行的烏托邦計劃，然後所有人都屏住呼吸，祈禱不出事情。

1978年3月很快來臨，此時已經沒人指望太空梭能按時發射了。1978年12月，一台SSME發動機在靜態測試時炸毀，追蹤到液氧閥和熱交換器出現了問題。閥門故障很容易理解和解決，但熱交換器的問題則令人費解，難以明確原因。

1979年5月和7月，又接連發生事故，不過設計團隊已經找出了發動機問題所在，正在攻關解決。太空梭要安裝三台SSME發動機，所以下一步靜態測試是三台發動機聯合試車。1979年11月，一次聯合測試失敗，隨後在12月終於完成了一次成功測試。

正在安裝SSME的太空梭

（未完待續）

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