编者按：《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂，以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实，展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程，说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能，还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意，他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的，有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗？”等框图形式在文中给出。

升空飞天是人类不断的追求（之六）

王柏懿

2.6 30岁就寿终正寝的航天飞机

　　你知道航天飞机吗？航天飞机是一种有人驾驶的、主要部分可以重复使用的航天器，由轨道飞行器、固体火箭助推器和外挂燃料箱组成。它可以像火箭那样垂直起飞，像载人飞船那样在轨道上运动，像飞机那样在天空里滑翔、在地面上水平着陆。咱们先来看看它的模样吧！那艘竖立在发射架上待飞的航天飞机可真是英姿焕发：银白色的轨道器依偎在棕红色的燃料箱上，纯白色的助推器像两个威武的卫兵挺立在两旁。 

　　在航天飞机以前，所有的火箭和航天器（卫星、飞船）都只能是使用一次的，发射、飞行一次后就报废不再使用了。而航天飞机却是可以部分重复使用的，尽管每飞行一次就要扔掉一个燃料箱，但助推器和轨道器仍能重复使用。其中，轨道器在完成任务后要返回地球，经过必要的维修后可以重复使用100次；助推器是在升空时提供附加推力，到达指定高度后，与航天飞机分离，依靠降落伞系统降落在大西洋上，可以重复使用20次。这两部分是航天飞机的主要部件，因为燃料箱不过就是一个装有液氢、液氧燃料的空壳子而已。 

　　航天飞机具有飞船和飞机的双重特性。具体来说，就是它用有着三角翼飞机模样的轨道飞行器代替了通常使用的飞船。这个轨道器的体积和运载能力比飞船大得多，最多可以同时乘坐14名乘员，一般情况则是乘坐4-7名；如果是运货，最多可以一次性运送20吨的物资。这些都是飞船无法比拟的。轨道器还可以完成一般飞船所没有的功能，如：向近地轨道施放卫星，向高轨道发射卫星，从轨道上捕捉、维修和回收卫星等等。这么多年来，航天飞机主要是向“国际空间站”运送人员和货物，同时也开展各种空间实验并完成特定任务。它为什么这么能干呢？当然和结构设计有关。让我们来稍微细致地看看它的构造吧！ 

　　轨道器由前、中、尾三段机身组成。前段结构可分为头锥和乘员舱两部分，前段的核心部分是乘员舱，它又分作了三层：最上层是有4个座位的驾驶台，中层是生活舱，下层是仪器设备舱。这个乘员舱不仅仅空间很宽敞，而且总是处于正常气压下，所以航天员在舱内可穿着普通地面服装来工作和生活的。中段是一个上面两个舱门可以打开的大型货舱，长18米、直径4.5米、容积300立方米。你想，这么大的空间里，有什么东西放不下呢？ 

　　更令人叫绝的是，货舱内有可以自动操作的遥控机械臂，由于它是加拿大公司制造的，人们也常常把它叫做“加拿大臂”。这个机械臂是一根很细的长杆，还长着“手”和“眼”呢！原来它的顶端处装着手爪和视觉系统，可以完成拾取、搬运、释放和定位等功能。这个在地面上几乎不能承受自身重量的机械臂，却能在失重条件下的宇宙空间里，迅速而灵活地抓起或卸下十多吨的有效载荷。 

　　后段主要是用来装发动机的，有三台主发动机、两台轨道机动发动机和反作用控制系统，这些是为了轨道器入轨、变轨、离轨以及对接机动、调整姿态等所需的。除了动力装置系统之外，尾段还有升降副翼、襟翼、垂直尾翼、方向舵和减速板等气动控制部件，这些则是为了安全着陆而设置的。 

　　显然，轨道器是航天飞机中惟一可以载人、真正在地球轨道上飞行、又能安全返回地面的部件。它不像飞船那样，采用弹道式或半弹道式返回地球，在这种情况下，飞船就像抛掷的石头那样从空中“摔”下来；它是采用类似飞机的方式，通过利用空气动力效应，慢慢滑翔回来，使得着陆过程中的乘员感到更为舒适。 

　　但是，轨道器所经历的飞行过程和运行环境比现代飞机要恶劣得多，它在大气层中飞行时，不仅速度要从高超声速变到超声速、亚声速（这里要经历科学家所说的“声障”），还要完成在低空的滑翔和水平着陆，而且要能够承受再入大气层过程中的高温气动加热（科学家所说的“热障”）和通讯信号中断（科学家所说的“黑障”），最前端头锥处的温度会高达数千度。所以，它既要有良好的气动外形，又要有安全的防热系统。所以，航天飞机非常昂贵，不仅造价是飞船的数十倍，而且发射成本也是飞船的十倍左右。到目前为止，世界上真正投入使用的航天飞机只有美国研制的5种型号：“哥伦比亚号”，“挑战者号”，“发现号”，“亚特兰蒂斯号”和“奋进号”。 

　　1981年4月12日，第一架“哥伦比亚号”发射升空，揭开了航天技术发展史上又一个里程碑。2011年7月21日，“亚特兰蒂斯号”在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，结束了它的“谢幕之旅”，从而宣告了美国30年航天飞机时代的终结。在这30年中，美国航天飞机一共进行了135次飞行，其中发生过两次重大事故。这是美国航天飞机计划的惨痛失败，也是导致它终结的一个重要原因。这两次事故分别是：1986年1月28日，发生了震惊世界的“挑战者号”爆炸事件，7名航天精英在人们的注视之中踏上了不归之路。随后航天飞机停飞了32个月，一些系统进行了重新设计和改进。2003年2月1日，“哥伦比亚号”在返回地面过程中发生空中解体，成为继“挑战者号”之后的第二艘失事的航天飞机。 

　　这里不妨说说这些事故的来由，让我们后来人从中吸取一些教训。 

　　1986年1月28日，“挑战者号”在发射升空73秒时爆炸解体坠毁。当时，它达到16600米高度正准备全速前进，突然一道亮光闪出，外挂燃料箱凌空爆炸，轨道器被一团大火包围变成了火球，两枚失去控制的助推火箭脱离火球，成V字形喷着火焰向前飞去，眼看就要落入人口稠密的陆地，航天中心在第100秒时，通过遥控装置将它们引爆了。随后，碎片在发射东南方30公里处散落了1小时之久，价值12亿美元的航天飞机，顷刻化为乌有，七名机组人员全部遇难，这里面包括一名41岁的中学女教师麦考利夫。由于航天飞机可以乘载更多的人员，所以有不少非专业航天驾驶员的人士（如，科学家、工程师甚至教师）也参与了航天活动。 

　　事后的分析表明：这个灾难性事故竟源自于一个密封圈的失效！原来，由于天气寒冷，右侧助推器的一个圆形密封圈硬化而封不住内部的火焰了，外冒的火焰把燃料箱的密封圈烧坏脱落了，同时助推器的顶端也撞上了主燃料箱的顶部，灼热的气体窜入顶端充满氧气的舱室。你想想，那里面装着700多吨的燃料哪！能不发生大爆炸吗？ 

　　2003年2月1日，“哥伦比亚号”在返回地面过程中发生空中解体，成为继“挑战者号”之后的第二艘失事的航天飞机，机上有七名乘员也全部丧生。在降落前16分钟，“哥伦比亚号”与地面控制中心还有过一次通讯，随即失去联络并从雷达中消失。这时，美国德克萨斯北部的居民听到巨大的爆炸声，当地进行直播的电视上也出现了划破万里碧空的数条白色的轨迹。“哥伦比亚号”解体后的碎片散布在得克萨斯州东部约190公里长的狭长地带上，甚至砸在多间房屋的屋顶上并引起居民区的火灾，至少有27人受伤。 

　　那么这次失事的原因呢？原来是外挂燃料箱上有一块仅仅0.77千克重的隔热泡沫脱落，在轨道器左翼前缘的防热瓦上砸了个小洞。“哥伦比亚号”带着这个洞在太空飞行了16天后，在返回时，机体表面与大气的剧烈摩擦使表面温度高达摄氏1400度，热空气透过那个孔洞进入了机体，导致整个航天飞机的烧毁。“哥伦比亚号”这次飞行总共搭载了6个国家的学生所设计的项目，其中包括中国学生设计的“蚕在太空吐丝结茧”实验。 

　　航天飞机尽管只有30岁就寿终正寝了，但它对载人航天事业的贡献是巨大的。在这三十年里，光荣与失败对垒，梦想与现实交错，构成了一幅人类探索发现未知世界的波澜壮阔的浓烈画面。从它不长的历程中，我们可以进一步体会到：一丝不苟是科学探索的关键，细节决定成败，成功总是伴随着失败。当然，航天是一项充满着挑战的事业，失败是不可避免的事儿，科学家和工程师们总是勇敢地迎接新一轮挑战，不断地向着更高的目标迈进。例如，人们现在已经不满足于近地轨道的飞行，而把深空探测提到日程上来了。相信在不久的将来，人类不仅可以登上月球，还可以登上火星。