不灭的太空探索精神（上）—航天飞机研发史
上周恰逢挑战者事故30周年，航天飞机的退役证明了其固有的某些缺陷，但并不能否定其辉煌的成就，更不能否定可重复航天器的未来，所以今天我们先回顾一下航天飞机的辉煌过去。
航天飞机是NASA在“阿波罗”登月计划结束之后又一个雄心勃勃的太空计划，但该计划是基于不稳定的政治支持和持续的资金削减基础之上的，导致航天飞机的研制工作不得不在艰难中前进。不过NASA最终获得了成功，在1981年进行了航天飞机的首次太空任务。航天飞机在许多方面都表现出令人印象深刻的创新特性，但也因研制中的妥协而为日后的“挑战者”和“哥伦比亚”号悲剧埋下了伏笔……
航天飞机的起源
20世纪60年代，NASA在其头号任务上取得了巨大的成功，把人送上了月球。虽然“阿波罗”登月计划会一直延续到70年代中期，但此时的NASA急需获得一项新使命来保持机构的地位。因为随着阿波罗计划的结束，公众对登月的兴趣会逐渐消退，NASA的影响力必然会降低，随之而来的将是削减拨款和裁员。
“阿波罗”登月计划极大鼓舞了美国国民的士气
NASA花了好几年时间来确定下一步该怎么走。1969年尼克松总统上任后不久，授权成立了一个副总统斯皮罗•阿格纽指导的“太空任务小组”，来确定NASA在后“阿波罗”时代的发展方向。太空任务小组成员包括NASA局长托马斯•潘恩、空军部长罗伯特•西曼斯、尼克松总统的科学顾问李•杜布里奇。阿格纽副总统的存在仅具有象征意义，小组的其他成员觉得他对这件事情了解甚少，也不感兴趣。
托马斯•潘恩和尼克松总统等待接见“阿波罗”11号的返航宇航员
1969年9月，太空任务小组发布了研究报告。报告的核心内容展示了一幅沿着20世纪50年代的宏伟愿景路线而绘制的“空间基础设施”蓝图，其中包括空间站、太空拖船、核动力月球和行星运输载具、月球基地等，报告预计美国将在20世纪80年代初开始把人送上火星。而这一切想要成功都基于一个关键要素——可重复使用的载人航天发射系统。该系统一开始被称为“太空运输系统”(STS)，而这就是航天飞机的起点。
1969年太空任务小组设想的“空间基础设施”蓝图，已经具有了航天飞机的雏形
其实类似的“可重复使用载具”(RLV)的想法并不新颖。为了解决制造一个昂贵的运载火箭后发射一次就被抛弃的浪费问题，第二次世界大战期间德国火箭科学家就提出了这个设想，在60年代还出现了大量的RLV纸上设想。
大多数设想都采用两架有翼载具的组合，其中第一级载具安装喷气发动机或火箭发动机甚至是两者的组合，背负着安装了火箭发动机的第二级载具。第一级载具升空到达预定的高空高速状态后，第二级载具与第一级分离，依靠自身的火箭发动机把载荷送入轨道。在完成各自的任务阶段后，这两架载具都能自行返航并降落在跑道上。一些设想的两架载具并排连接，就像双胞胎，甚至还有三架载具合体的。也有设想的第二级载具安装有可消耗的火箭助推器。
马丁公司在1963年设想的两级载人航天发射系统，两级都能重复使用，毫不浪费
NASA载人航天(OMSF)办公室主任，乔治•米勒在1969年4月已经组建了一支“航天飞机任务小组”，该小组提出的A阶段航天飞机计划正是按照这种思路设计的，由可回收助推器级和轨道器级组成，安装了火箭和喷气式发动机的两级都能可重复使用。火箭发动机将使用液氧和液氢(LOX-LH2)推进剂。轨道器的后货舱可以装多达11350千克货物，前载人舱可容纳两名机组和12名乘客。
麦克唐纳公司设想的A阶段航天飞机方案
A阶段航天飞机更像是一个通用概念而不是具体方案要求。1970年年初，NASA提出了一个更具体的B阶段方案要求，一开始设想了一种有翼可飞回助推器和轨道器。大型可飞回助推器的尺寸相当于一架大型喷气式客机，背负着较小的轨道器。B阶段航天飞机会有很强的性能，但也将非常昂贵。尼克松政府对太空计划并没有太大热情，一直在削减NASA的预算，航天飞机计划看起来有点像强买强卖。
北美/通用动力公司设想的B阶段航天飞机方案
格鲁曼/波音公司设想的B阶段航天飞机方案
汤姆•潘恩因不满NASA的预算遭削减，在1970年9月辞去局长职务，副局长乔治•楼出任临时局长，直到1971年1月詹姆斯•弗莱彻被任命为NASA新局长。弗莱彻在20世纪50年代末曾在拉莫•伍尔德里奇公司参加了“先锋”月球撞击计划。弗莱彻认为NASA的未来就在航天飞机上，并努力展开游说。
詹姆斯•弗莱彻
尼克松政府也认识到载人航天飞行很受大众欢迎，NASA需要把航天飞机视为能满足所有参与方要求的国家级航天器。NASA宣称航天飞机具有十个能降低发射成本的优点，但一些研究表明想要降低发射成本必须先达到一定的发射频率，而NASA的成本估算基于每周一次的发射频率。所以批评者对NASA降低发射成本的说法持怀疑态度，在当时，NASA的太空任务并不能填饱航天飞机的胃口。
这么高的发射频率在日后将被证明是无法实现的，现在也无从得知当时弗莱彻和NASA是否再故意夸大宣传，但他们肯定知道该机计划已经暗示航天飞机将取代运载火箭发射美国以后的所有太空载荷，并下决心推动计划的成功。NASA正在进行一次豪赌，他们寄希望于航天飞机在全面运作后能大幅降低发射成本。但其中最大的问题是，这一切都基于全新的、复杂的、未经验证的技术。
光凭NASA的太空任务并不能满足航天飞机的胃口，让航天飞机进行商业发射是个好主意。不过眼前还有一个麻烦，那就是NASA无权控制军事发射，为了实现较高的发射率就必须把美国空军拉上船，让航天飞机成为名副其实的国家级航天器。
谁知空军高层对航天飞机的态度很冷淡，除非该机能满足军方的载荷要求，否则不予考虑。美国空军的有效载荷要求几乎是NASA设想的两倍半——达到了33吨，这意味着航天飞机要做得更大。此外，美国空军还要求航天飞机能在紧急返航种降落在保密基地，不想让飞机装着机密装备到处降落，所以对航天飞机再入大气层后的横向机动能力要求大增。军方甚至要求NASA对整个航天飞机计划进行保密，乔治•穆勒断然拒绝了这一要求。
付出了航天飞机研制大大复杂化的代价后，NASA只获得了空军的一纸承诺。尽管美国空军会在范登堡空军基地建造航天飞机发射设施，但不会为航天飞机研制拨一分钱。NASA觉得范登堡基地地理位置很不错，航天飞机在这里发射能更有效率地进入极地轨道。空军还明确表示会保留“泰坦”运载火箭的发射能力作为备份，他们不打算让美国的军事太空计划完全受制于未经证实的新技术。而且空军要求优先使用航天飞机执行军事任务，当然他们提出的发射频率听起来并不难满足。
范登堡空军基地位于加州
就在NASA四处寻求支持时，航天飞机的研制资金却遭遇缩水。1971年5月，美国国会的“管理与预算办公室”(OMB)向NASA增加的预算要求挥出了大斧。NASA不得不修改航天飞机的设计以满足成本目标，从而能继续推动该计划的实施。NASA的努力最终没有白费，1972年1月5日尼克松总统批准了航天飞机计划，就是在十年前，肯尼迪总统批准了“阿波罗”计划。现在NASA又有一个新目标，一开始计划制造7架航天飞机。
取得实质性进展
这一阶段航天飞机设计与B阶段相比在性能上多少有缩水。轨道器沿用先前的设计理念，是一个机身截面为方形的双三角形下单翼飞行器，尾部有一片高大的单垂尾，之所以选择面积较大的双三角翼是为了满足美国空军横向机动要求。航天飞机前端是飞机风格的驾驶舱与乘员舱，之后是一个大型货舱。货舱门分成左右两扇向上打开，可完全暴露出有效载荷。最终，北美罗克韦尔公司获得了轨道器的合同。
轨道器沿用先前的设计理念，是一个机身截面为方形的双三角形下单翼飞行器，尾部有一片高大的单垂尾
航天飞机前端是飞机风格的驾驶舱与乘员舱，之后是一个大型货舱
最终，北美罗克韦尔公司的方案获得了轨道器的合同
但是NASA抛弃了可飞回助推器设计。鉴于现阶段轨道器的尺寸，可飞回助推器要制造得比巨型客机都大，满足性能要求就要面对巨大的技术挑战。所以NASA用捆绑在轨道器两侧的两个巨大的固体火箭推进器(SRB)取代了可飞回助推器。SRB固体火箭推进器耗尽燃料脱离后会打开降落伞溅落海洋，然后经翻新后再次使用。齐柯尔公司获得了SRB固体火箭推进器的研制合同。一开始有人认为采用捆绑式液体燃料助推器将有更好的性能，但最后因为比较昂贵而选择了固体火箭。马丁•玛丽埃塔公司负责制造连接在轨道器腹部的大型外部燃料箱，向轨道器尾部的三台航天飞机主发动机(SSME)提供液体燃料，这些发动机则由罗克达因公司制造。
航天飞机设计在1972-1974年间的演进，NASA已经抛弃了可飞回助推器设计
SRB固体火箭推进器结构图
大型外部燃料箱结构图
SSME发动机燃烧液氢和液氧，每台最大推力2090千牛(213吨)，是“土星”V运载火箭J-2型发动机推力的两倍多。SSME发动机只负责把轨道器推出大气层，一旦进入太空后轨道器就切换到轨道机动系统(OMS)推进，后者是麦道公司制造的两台火箭发动机，安装在垂尾两侧。轨道器没有配备喷气发动机，滑翔返回地球并降落在跑道上。这种方式已经在升力体上进行了验证，并且在以后实际操作中也被证明是成功的。
航天飞机尾部有三台SSME和两台OMS发动机
这是一台完整的SSEM
OMS鼓包内部的燃料罐
OMS结构图
航天飞机不仅能把载荷发射入太空，原则上也能从太空捕获载荷带回地球。不过航天飞机只能达到低地球轨道，NASA为此也设想了安装补充助推器把有效载荷送入更高的轨道，甚至是行星际轨道。
航天飞机能在太空滞留相当长的一段时间，所以可以被当成空间站使用。欧洲航天局(ESA)决定研制一个能装入航天飞机货舱中的太空实验室，实验室包括一个供研究人员进行试验的加压舱，以及安装在货舱后方托架上的控制仪器和实验系统，当然也可以只安装托架。1973年8月14日，NASA和ESA正式签署了太空实验室研制谅解备忘录。
欧洲航天局(ESA)太空实验室设计
欧洲航天局的太空实验室任务/载荷专家们
NASA也打算支持小型业余和学校的太空研究项目，可以利用航天飞机货舱的空余空间发射他们的GAS小型自主装置。为了获得广泛的公众支持，NASA也打算邀请政客、记者、平民、甚至是外国国民加入机组参加太空飞行。
GAS小型自主装置罐，用于容纳千奇百怪的太空实验装置
人们对航天飞机的设计还是有许多顾虑，有人指出SRB固体火箭推进器在点火后就不可能被关闭，一旦出事将会导致灾难性的后果。但NASA还是决定不给航天飞机配备完整的乘员救生系统，仅仅是因为该系统会增加约3000万美元的成本，所以航天飞机成为美国第一种没有完善救生设施的载人航天器。
航天飞机原计划安装的弹射救生系统，正副飞行员有单独的弹射座椅，其他乘员则依靠弹射救生舱逃生
航天飞机的硬件庞大复杂、未经验证。任何工程师都能看出来发展这样一个雄心勃勃的计划而不经中间系统的验证纯粹就是自找麻烦。实际上休斯敦约翰逊航天中心的一队人马一直在推动首先研制一种较简单的可重复使用航天器，但因为政治原因而被否决。NASA也从技术和财政角度审视了发展只能把小型载荷送入轨道的第一代航天飞机的问题，但觉得该方案过于保守。由于低成本，该项目也不会使NASA获得较高的预算支持，所以缺乏任何吸引力。
不管怎样，NASA似乎已经在生存之战中获胜。航天飞机的拨款在1972财年是1亿美元，到1973财年正式开始发展时增加到1.99亿美元。然后，1974财年攀升至4.75亿美元，1975财年是7.975亿美元，1976财年是12亿美元。但仅靠加大资金投入是不够的，航天飞机的研制是一个复杂的系统工程，该计划也没有获得来自政界或军方的热情支持。总之，NASA获得了天时地利，却失去了人和。
遭遇的问题
尽管航天飞机计划存在诸多不足，但NASA仍坚定推进研制工作。航天飞机是一个非常雄心勃勃的设计，不仅采用了大量全新技术，而且预算也不足，所以研制工作遭遇了困境。
其中最大的难点是航天飞机SSME主发动机。罗克达因公司的保罗•卡斯滕霍尔茨负责SSME发动机项目，他曾领导了“土星”五号的J-2发动机的研制计划，经验丰富。一开始SSME发动机的研制进展看上去很顺利，1974年5月第一台完整的SSME样机被架在试车台上开始首次试车，按计划成功运行了半秒钟。
正在测试中的SSME发动机
谁知道发动机在持续最大推力测试中出了问题，无法达到最大推力状态。其中最主要的原因是输送推进剂的涡轮泵功率不足，尽管涡轮泵的最大功率达56700千瓦(76000马力)，但还是无法满足SSME发动机对推进剂的渴求。
一台RS-25 SSME发动机有4台涡轮泵
高压燃料涡轮泵结构图
这些涡轮泵中的液氢泵还遭遇其他一系列的麻烦，第一个问题是驱动轴会在轴承支座中振动，花了八个月的时间来解决。然后是轴承冷却系统问题，轴承是由泵送的液氢冷却，但事实证明冷却通道设计不足，于是又花了六个月重新设计。最后涡轮叶片又出现了裂纹，最后查明是振动导致，也花了六个月的时间来解决。
涡轮泵中的液氧泵也是问题缠身，在试车中出过导致SSME发动机起火的重大故障。要知道高压液氧只要有一点泄漏就会导致燃烧，发动机起火后会烧的什么也不剩，无法让设计团队分析故障原因。最后设计师们发现了液氧泵的一个旋转密封圈因意想不到的摩擦而出现泄漏，在安装新的密封圈后解决了这个问题。之后设计团队又发现液氧泵的轴承也有振动问题，同样会引发火灾。在花很大代价进行修改后，涡轮泵的问题被逐渐解决。
航天飞机模型的风洞测试
到1977年春，大多数涡轮泵问题都已得到了解决，但没人觉得研制工作已经走出困境。按照原计划，航天飞机在1978年3月就要进行首次发射，但所有人都知道这已不可能。雪上加霜的是，国会预算办公室此时又宣布削减3亿美元的航天飞机计划经费。NASA能做的就是提出“以成功为导向的管理”官僚政策，也就是说，航天飞机此时已经变成了一个事先假定所有一切都会顺利进行的乌托邦计划，然后所有人都屏住呼吸，祈祷不出事情。
1978年3月很快来临，此时已经没人指望航天飞机能按时发射了。1978年12月，一台SSME发动机在静态测试时炸毁，追踪到液氧阀和热交换器出现了问题。阀门故障很容易理解和解决，但热交换器的问题则令人费解，难以明确原因。
1979年5月和7月，又接连发生事故，不过设计团队已经找出了发动机问题所在，正在攻关解决。航天飞机要安装三台SSME发动机，所以下一步静态测试是三台发动机联合试车。1979年11月，一次联合测试失败，随后在12月终于完成了一次成功测试。
正在安装SSME的航天飞机
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