中国为什么不发展航天飞机?原来真相是这样......

作者: 庞之浩,航天学者来源:网易新闻 发布时间:2020-02-14

未来在克服了成本高、风险大两大弊端之后,航天飞机有可能“王者归来”。

  近年来,运载火箭发展如火如荼。

  美国的猎鹰-9、“猎鹰重型”火箭已经可以重复使用第一级,其“星舰”和“航天发射系统”重型火箭不久将问世;欧洲在积极打造性价比更好的阿里安-6新型火箭;俄罗斯正努力开发“安加拉”系列新型火箭和“叶尼塞”、“顿河”重型火箭;日本H-3新型火箭的研制也在快速进行之中;今年10月27日,中国长征-5遥三新一代运载火箭安全运抵海南文昌,它完成一系列装配和测试工作后,将择机实施发射任务,中国还在研制长征-6A、7A、8、9等更多的新型火箭。

  看到这儿可能有人会问,航天飞机也能用于发射各类航天器(比如著名的“哈勃空间望远镜”就是由航天飞机发射的),为何现在却不受青睐了呢?今天我们就来谈谈这个话题。

  (一)成本低运力大还安全,航天飞机曾被寄予厚望

  我们都知道,历史上美国曾狂热发展航天飞机,其时,航天飞机被吹得神乎其神。美国人认为它有六大优点,即成本低、载人多(7人)、运力大(上行30吨,下行20吨)、很安全、较舒适、频率高,能取代运载火箭和宇宙飞船。


  (航天飞机携带军民两用的“跟踪与数字中继卫星”入轨)

  当年,美国研制航天飞机的根本目的是为了降低成本,为此还专门设计了可重复使用的轨道器和固体助推火箭(此前,运载火箭和宇宙飞船都是一次性使用的),原先预想航天飞机每次发射费用只需3000万美元就行,为此,美国甚至把运载火箭生产线停了下来,认为用航天飞机发射卫星比运载火箭更经济。

  然而,由于每次返回地面以后要进行大量费时费力的维修工作,航天飞机实际上每次发射费用高达4~5亿美元,这还不计入分摊的设计制造成本,所以它让财大气粗的美国航空航天局也不堪重负。

  美国花大力气研制航天飞机的另一个重要考量,是认为航天飞机比宇宙飞船更安全。

  我们都知道,宇宙飞船在从太空返回时只能采用在海面某一区域溅落或在荒原某一区域上径直着陆的方式,而作为人类第1次把航天与航空技术高度有机结合起来的创举,航天飞机拥有很大的机翼,可准确地滑翔降落到预定的跑道上,所以按理说,航天飞机似乎比宇宙飞船安全,接近航空的安全标准。

  但现实给了他们惨痛的教训,由于体积庞大、外形复杂,发射时航天飞机轨道器只能与外贮燃料箱并联在一起,所以它并没有想象中安全,轨道器很容易受到从外贮箱掉下来的保温材料的撞击,至今,美国5架航天飞机已损失了2架,牺牲了14名航天员。


  (1986年1月18日,挑战者号航天飞机在发射升空后不久爆炸)

  另外,航天飞机原本被认为能像民航客机一样,每次返回后进行简单维修便可再次发射,美国人曾乐观地估计每1~2周就能进行一次发射,但实际上由于每架航天飞机返回地面以后维修量很大,所以每2次发射时间的间隔很长,每年仅能进行5~6架次的发射。

  而且,按照原来的设计,每架航天飞机的轨道器应该可以重复使用100次,然而实际上美国的5架航天飞机总共才执行了135架次发射就全部退役了。

  看到此,可能有人不禁要问:为什么这个曾被看作继“阿波罗”登月计划后空间时代第2个里程碑的大项目会出现如此重大的失误?航天飞机在载人航天的发展史上到底起到了多大作用?美国在花了30年时间和2000亿美元发展航天飞机后现在又重新青睐飞船,这条大弯路走得值不值?

  (二)美国的航天飞机计划为什么失败了?

  要回答上面提到的几个问题不是一件容易的事,它涉及到政治、管理、技术、资金和文化等多个方面。

  比如,美国研制航天飞机时有深刻的冷战背景,为了与苏联在太空开展竞赛,美国采取了争先跳跃的战略方针,一味追求技术先进性,先是把政治摆在第一位,后来又把任务摆在第一位,而没有把航天员的安全摆在第一位。

  当时,为了满足空军方面对机动能力的高要求,美国航空航天局决定航天飞机轨道器采用三角翼轨道器布局,此举带来了一个严重的技术问题,即再入气动加热更加严重。

  由于技术上的限制,在运载能力和结构安排出现矛盾时,美国航空航天局选择了把轨道器与外贮箱平行放置的并联方案,而没有选择把轨道器置于火箭顶部这一较安全的串联方案,目的是保证轨道器的容积和降低费用,但这大大增加了航天飞机的危险性。


  (由轨道器、外贮箱和固体助推器平行装在一起组成的航天飞机)

  为了降低成本,并提高有效载荷发射能力和返回地球时携带有效载荷的能力,美国航空航天局对轨道器也进行了相应简化。例如,取消了涡轮风扇发动机和航天员逃逸系统等。但因此也给航天飞机带来致命的缺陷,使航天飞机着陆时不能作二次着陆,一旦发射出现事故时航天员无法应急救生。

  但由于该方案基本达到了国会所要求的研制5架航天飞机费用为50亿美元的目标,所以最终被采纳了。

  其实,很早就有人对航天飞机的安全提出过批评。

  一是航天飞机是人货混用,而不像宇宙飞船那样分载人飞船和货运飞船,所以用航天飞机发射卫星时需有数名航天员陪着上天,这样做既不经济,也不安全;

  二是美国自认为其航天飞机可靠性极高,所以没有采取安全救生措施,因为安装救生设备很麻烦。

  另外,原计划采用具有多次启动能力的液体助推器发射航天飞机,但后来考虑到液体助推器成本较高,所以改为固体助推器,这也是美国政治领导人与美国航空航天局领导人在20世纪70年代初期相互“妥协的产物”。

  中国在20世纪80年代,也曾就研制宇宙飞船还是航天飞机作为天地往返运输工具开展过几年的深入论证,最初有6个方案,其中5个是关于航天飞机的方案,只有1个是载人飞船方案,但最后,根据中国的国情和国力,遵照“有限目标、突出重点”的“863”高技术研究发展的指导思想,专家们一致同意以载人飞船起步。

  (三)花30年、2000亿美元发展的航天飞机,并不亏

  不过,航天飞机本身并不是一无是处。

  它完成了多种任务,兼有运载火箭、人造地球卫星、货运飞船、载人飞船甚至小型空间站等许多功能。

  航天飞机运载能力极大,曾多次把一些因形状和体积等因素而无法用运载火箭发射的重要航天器送上太空,并可同时派航天员出舱作业,从而大大扩展了人类在空间的活动规模和范围,“国际空间站”的建造就是一个典型例子。


  (航天飞机释放系绳卫星)

  这也大大放宽了对有效载荷尺寸和重量的限制,其最有价值的一种空间活动就是能在轨回收、检修卫星和更换失效卫星的组件,如曾5次在轨维修著名的“哈勃”空间望远镜。

  

  (航天飞机航天员在轨修理“哈勃”空间望远镜)

  另外,美国航天飞机起降时航天员往返太空所承受的超重比飞船减少一半,使航天员傲游太空时很舒服,也大大降低了对航天员的身体要求,可把稍加训练的科学家、工程师、医生和教师等送上太空。

  所以,对航天飞机要一分为二来看待。它是世界上第一个实现了部分重复使用且唯一能为“国际空间站”的建造运送舱段和大尺寸构件的天地往返运输器,其许多技术目前仍保持着当代国际领先水平。


  (为“国际空间站”运送舱段)

  比如航天飞机主发动机可多次启动和多次重复发射使用,至今保持100%的成功。

  再比如航天飞机轨道器采用了全新的、可重复使用的独特的防热瓦,虽然怕撞击,但防热效果很好。

  最最令人叹服的是,在航天飞机整个研制过程中没有“无人飞行试验”这一阶段。

  而航天飞机设计的最大失误是目标过高,要求它成为“包打天下”的航天器兼运载器,取代全部军、民、商航天发射,而不是研制一种适合特定要求的航天器,结果大大超出了现有技术水平。

  结语

  虽然今后美国将用多种新型载人飞船完成天地往返运输任务,世界各国也都在研制新型运载火箭来发射各类航天器,但是,航天飞机在世界载人航天史上立下的汗马功劳永远不可磨灭,其很多先进技术还将在未来的很长一段时间发挥重要作用,在发展新一代载人飞船和重型运载火箭时被继承和加以利用。

  另外,美国民营航天公司还在研制只运人、不运货的小型航天飞机“追梦者”,英国则在研制更先进的“云霄塔”空天飞机。随着航天技术的日新月异,未来在克服了成本高、风险大两大弊端之后,航天飞机有可能“王者归来”。

原标题:为什么中国不发展航天飞机?真相是这样的

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