书城童书飞天的神话——航空航天
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第5章 人类航空发展历程(4)

航天飞机,又称为太空梭或太空穿梭机,是可重复使用的、往返于太空和地面之间的航天器,结合了飞机与航天器的性质。它既能代表运载火箭把人造卫星等航天器送入太空,也能像载人飞船那样在轨道上运行,还能像飞机那样在大气层中滑翔着陆。航天飞机为人类自由进出太空提供了很好的条件,它大大降低了航天活动的费用,是航天史上的一个重要里程碑。作为一种可重复使用的天地往返运输器,航天飞机是现代火箭、飞机、飞船三者结合的产物。它能像火箭一样垂直起飞,像飞船一样绕地球飞行,像飞机一样水平着陆。航天飞机是人类有史以来建造的最复杂的机器,强大的运载能力使其成为独一无二的航天器。正是在航天飞机强大运载能力的支持下,人类才有可能一步步修建国际空间站,为人类登陆月球、奔向火星乃至更广阔的宇宙空间铺平了道路。

航天飞机的组成部分

航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器。它以火箭发动机为动力发射到太空,能在轨道上运行,且可以往返于地球表面和近地轨道之间。它由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成。

1.外部燃料箱

外表为铁锈颜色,主要由前部液氧箱、后部液氢箱以及连接前后两箱的箱间段组成。外部燃料箱负责为航天飞机的3台主发动机提供燃料。外部燃料箱是航天飞机三大模块中唯一不能重复使用的部分,发射后约8.5分钟燃料耗尽,外部燃料箱便坠入到大洋中。

2.一对固体火箭助推器

这对火箭助推器中装有助推燃料,平行安装在外部燃料箱的两侧,为航天飞机垂直起飞和飞出大气层进入轨道提供额外推力。在发射后的前两分钟内,与航天飞机的主发动机一同工作,到达一定高度后,与航天飞机分离,前锥段里降落伞系统启动,使其降落在大西洋上,可回收重复使用。

3.轨道器

即航天飞机本身,它是整个系统的核心部分。轨道器是整个系统中唯一可以载人的、真正在地球轨道上飞行的部件,它很像一架大型的三角翼飞机。它的全长37.24米,起落架放下时高17.27米,三角形后掠机翼的最大翼展23.97米,不带有效载荷时重量68吨,飞行结束后,携带有效载荷着陆的轨道器重量可达87吨。它所经历的飞行过程及其环境比现代飞机要恶劣得多,它既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速和水平着陆的气动外形,又要有承受载入大气层时高温气动加热的防热系统。因此,它是整个航天飞机系统中设计最困难、结构最复杂、遇到问题最多的部分。

航天飞机大显身手

航天飞机一登上宇宙航行的舞台便大显身手。在航天领域扮演着越来越重要的角色,它能执行各种各样的任务。

1.施放卫星

航天飞机可以将载人的和不载人的有效载荷送入地球环形轨道。航天飞机轨道级的货舱可以放置一颗巨型卫星,或者5~8颗小卫星,如资源卫星、导航卫星、气象卫星、通信卫星等。从航天飞机上发放卫星极其简单。飞机飞入预定轨道后,驾驶员将飞机调整到合适高度、姿态,按动按钮,卫星便被弹出货舱,进入轨道。

1981年11月11日,美国“哥伦比亚号”航天飞机进行第一次商业飞行任务,施放两颗通讯卫星:美国的SBS-3和加拿大的安尼克-C。1983年4月20日,美国的“挑战者号”航天飞机一次施放了三颗卫星。这不仅简化了卫星的发射过程,也大大降低了发射成本,提高了发射精度。

2.回收、检修航天器

如果太空中的卫星上某个部件或某一系统发生故障,将使整个卫星失效,被白白遗弃,造成很大浪费。航天飞机出现后,这一问题便得到解决。

航天飞机可以调整自己的飞行轨道、速度、姿态,与发生故障的卫星交会,用机械手将卫星回收到舱内进行检修,然后再将卫星重新送入轨道,也可以将卫星带回地面修理。

由于航天飞机这一特殊功能,使人造卫星的设计思想发生了变化。原来,是按每次具体任务的要求对每个卫星进行单独设计,研制费用极高。现在提出了“多重任务组件式”的设计思想,这是一种积木式、多层复用的办法。在标准的机架上,有标准化的姿态控制、数据处理、电源、通信等每个卫星必备的共用系统,另外有许多标准接口,根据每次任务的需求接上不同的设备,完成任务后航天飞机将其收回,更换下一回任务所需要的设备,再送入轨道,成为一颗新的卫星。

1980年2月14日,美国发射的太阳能峰年测控器,便是这种新式卫星。这颗价值7700万美元的卫星上天9个月后姿态控制系统便失灵了,飞行高度在慢慢下降,美国便发射了航天飞机去营救这颗卫星。航天飞机先飞近这颗卫星,然后用机械手将它收回机舱,更换损坏部件后,重新将卫星放回轨道,这颗卫星又复活了。

修复哈勃太空望远镜更显示了航天飞机的本领。1997年2月,美国的“发现号”航天飞机的宇航员进行了5次出舱修理工作。航天飞机先飞行到哈勃太空望远镜的下部,然后伸出巨大的机械手抓住它并放在后部的平台上,宇航员走出机舱为它“医治”,给它换上了最先进的设备,为断裂、剥落的地方进行了修补,然后将其送回原来的轨道。这次维修工作用了3.5亿美元的费用,使价值20亿美元的哈勃太空望远镜重新开始了太空观测。

3.空间实验室

以前做一项太空实验必须发射一颗卫星,实验完成后卫星或被遗弃在太空,或坠毁,造成巨大浪费。因此在设计航天飞机时,就有人提议在航天飞机上设计一个空间实验室。这个实验室可以根据不同的太空实验任务携带不同的仪器,适应性、灵活性很强。它和航天飞机一起起飞,一起返回,可以重复使用,只要更换其中的仪器设备,便可以做不同的实验。

空间实验室是和航天飞机连成一个整体的,它不可以在空间单独存在,可以说是航天飞机的一个大配件。实验室工作人员可以在航天飞机的机舱内生活、休息,工作时由专门的通道进入实验室。实验室的电源、通信等都与航天飞机共用。

空间实验室由实验舱和辅助舱组成,它是封闭的,可以根据不同的任务安装不同的设备,内部的工作环境舒适。另外空间实验室还有一个直接暴露在太空的U型工作台,用来进行一些太空空间实验。空间实验室能够满足天体观测、对地观测、医学实验、生物学实验、物理化学实验、空间工业技术等各项科学研究工作的需要。

4.太空交通工具

航天飞机起飞时的超重仅为地面重力的3倍,返回时只有1.5倍,一般健康的人都可以乘坐,甚至妇女、儿童也没有问题。因此,航天飞机不仅可以为空间运送货物,接送往返于太空的各种科技人员,而且可以向地球上的普通人开放,开展太空旅游业。

航天飞机一登上历史舞台,便大显身手。美国制造了“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现者号”、“亚特兰蒂斯号”航天飞机。计划平均每年发射60次。

现在世界上许多国家都正在积极地研制航天飞机,在未来的航天事业中,航天飞机将发挥不可估量的作用。

探索宇宙的星际飞船

人类已经不仅满足于探测地球附近的星球,早已经将目光瞄向了整个星际,肩负这一遥远探测任务的就是那些长途跋涉的星际飞船。

在完成登月任务后,美国和苏联又分别向水星、金星和火星发射过各种探测器。其中,美国的“水手”10号宇宙探测器3次飞过水星,发回了6000张水星照片。“先驱者”1号、“先驱者”2号和苏联的“金星”11号、“金星”

12号等探测器都曾飞近金星进行探测,并在金星上软着陆成功,取得了宝贵的成果。

为了探测火星上究竟有没有生命,美国和苏联还发射了“海盗”

号、“探测器号”和“水手号”等探测器。其中最成功的是“海盗”1号和“海盗”2号,它们先后于1976年7月和9月在火星上着陆,进行了生命考察试验和拍照等活动。

在人类所发射的这些星际飞船中,最值得一提的是美国在1977年8月20日发射的“旅行者”2号。它重约825千克,由6万多个零件组成,安装有电视摄像机等十多种仪器。这个集现代科技成果之大成的宇宙探测器,自从发射上天后,孤身遨游,闯荡了多半个太阳系,取得了惊人的探测成果。

它的第一站是考察木星,在那里发现了木星的3颗新卫星;第二站是探测土星,从它发回的高分辨率彩色照片中,科学家发现了6颗新的土星卫星;第三站是访问天王星,发现这颗远离太阳的星球上竟然有闪电现象,并有强大而混乱的无线电信号;第四站是观察海王星,在那里发现包围着海王星的一个大磁场和星上一条4300千米宽的黑色风云带。告别海王星后,“旅行者”2号继续向太阳系边缘飞去,直至飞出太阳系,奔向宇宙深处。

为了能在其他星球上发现高级智慧生物,“旅行者”2号还携带着人类献给外星人的礼物——“地球之音”唱片。在这张可以储存10亿年、直径30.5厘米的铜质唱片上,录制了表现人类起源和文明发展的115张图片,其中有我国的万里长城和中国人用餐的两张画面。它还录下了35种地球自然界的风雨雷电、鸟鸣兽叫、人笑婴啼等声音,以及地球上不同时代、不同地区、不同民族的歌曲27首,还有人类用55种语言向外星人发出的问候语。

“旅行者”2号在宇宙探测中取得的巨大成果,在人类探测宇宙的历史上留下极为光辉的一页。