航天飞机

    航天飞机 : 可以重复使用的、往返于地球表面和近地轨道之间运送有效载荷的飞行器。在轨道上运行时可在机载有效载荷和乘员的配合下完成多种任务。航天飞机通常设计成火箭推进的飞机，返回地面时能象滑翔机或飞机那样下滑和着陆。航天飞机集中了许多现代科学技术成果，是火箭、航天器和航空器技术的综合产物。它的特点是可以多次重复使用，发射成本较低和用途广泛。航天飞机为人类自由进出空间提供了很好的工具，是航天史上的一个重要里程碑。
　　发展简况 　20世纪20～30年代产生了航天运载器的两类基本设想。一类是一次使用的弹道式运载火箭，另一类是能重复使用的火箭推进的飞机。前一类的难度较小，能满足军事急需，在第二次世界大战中和战后得到迅速发展。后一类的难度较大，需要作广泛深入的研究探索，还要有坚实的工业基础。在第二次世界大战期间，德国曾设想把V-2火箭加上机翼，改成A-9型空间滑翔机以增大射程。1938～1942年，维也纳工程师E.森格尔曾绘制过火箭助推的环球轰炸机草图。1949年，钱学森博士提出了用火箭助推的滑翔机作为洲际旅客运输火箭的设想。1958年，美国开始研制三角翼动力滑翔机"戴纳－索尔"。它用"大力神"号运载火箭发射，滑翔再入大气层,水平着陆。1963年,美国取消了"戴纳－索尔"计划。后来又进行了一系列升力体式机身飞行器的研究以及航天飞机方案的初步探索。1972年1月,美国确定了航天飞机方案。在70年代，苏联、法国、日本等国也开始探索或研制航天飞机。1981年4月,世界上第一架航天飞机，即"哥伦比亚"号航天飞机试飞成功。1982年11月，航天飞机开始首次商业性飞行。航天飞机的出现标志着航天运载器由一次使用的运载火箭转向重复使用的航天运载器的新阶段的到来。

　　技术特点 　航天飞机综合运用了火箭、航天器和飞机技术，形成一种新型的航空航天飞行器。它的火箭技术特点主要表现在由起飞到入轨的上升飞行段；航天器技术特点主要表现在轨道飞行段；而飞机技术特点主要表现在再入大气层的滑翔飞行和水平着陆段。
　　航天飞机的飞行轨道通常是近地轨道，高度在1000公里以下。各种有效载荷可由航天飞机直接送入近地轨道。需要在高轨道运行的有效载荷，也可由航天飞机送上近地轨道后再从这个轨道发射进入高轨道。航天飞机的运载能力较大，要有很大的推力和总冲量。航天飞机往往采用多级组合的形式，可以串联或并联，也可以串、并联结合。级数可以用一级半、两级、两级半、三级。级数越多,系统和飞行程序就越复杂，可靠性会下降,回收也较困难。采用高性能的推进剂和发动机，并用重量轻而强度高的材料制造机体，可以研制出单级入轨的航天飞机。发射方式有水平发射和垂直发射两种。垂直发射是运载火箭的传统发射方式，要求发动机在起飞和爬升段有足够大的总推力。通常可用几台并联的助推火箭来保证。采用水平发射方式可以像飞机那样在跑道上滑跑起飞，要求发动机的推力较小。通常可用涡轮喷气发动机或组合发动机把航天飞机送到10多公里的高空，再用火箭发动机持续推进。这样，在大气层内飞行时可以利用大气中的氧气，航天飞机则可少带氧化剂，减小起飞重量。航天飞机的机翼面积大,气动布局难以对称,在上升段飞行时遇到的空气动力、载荷、环境和姿态控制等问题比弹道式运载火箭更为复杂。
　　航天飞机进入近地轨道的部分叫做轨道器。它具有一般航天器所具有的各种分系统,可以完成多种功能,包括人造地球卫星、货运飞船、载人飞船甚至小型航天站的许多功能。它还可以完成一般航天器所没有的功能，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。航天飞机的多用途性要求轨道器具有改变飞行轨道的机动能力和多种姿态的定位和控制能力，例如按程序指令在惯性空间的姿态运动，跟踪地平线或恒星的姿态运动等。为了完成多种功能，轨道器还应带有施放或发射有效载荷的系统、遥控机械臂和航天员舱外活动设备。这就给航天飞机的制导、导航、姿态、温度控制、环境保护、推进、能源和结构以及系统管理带来更为复杂的问题。
　　轨道器返回时需要减速，以便脱离近地轨道，沿一条椭圆轨道再入大气层。进入稠密大气层后遇到的主要问题是防热、机动飞行和准确着陆问题。轨道器再入大气层时会遇到严重的气动加热。一次使用的航天器多用钝头的轴对称旋成体外形的防热壳（见再入防热结构）。它的溅落点比较固定，不易变动。而轨道器在进入大气层后要能在较大范围内机动飞行,以便修正轨道误差,选择合适的着陆机场。升力体式机身较容易解决防热问题，但在大气中飞行的机动能力很差。采用三角翼作大攻角(迎角)飞行时,机动能力较好,但防热设计比较困难。因此，轨道器往往采用升力体式机身结合三角翼作大攻角飞行，外表面覆盖可多次使用的防热层来解决再入防热和机动飞行能力问题。为了提高轨道器着陆前寻找机场的灵活性和可靠性，可以在轨道器上装空气喷气发动机，在进入大气层后起动，使轨道器具有巡航能力，像飞机那样选择机场和着陆。但这会使轨道器变得复杂，增加设计的困难。为简化设计，轨道器一般不装空气喷气发动机，而是像高速滑翔机那样降落。它寻找机场、对准跑道、下滑、放襟翼和放起落架的机会都只有一次，这就要求轨道器和地面导航系统具有很高的精度和可靠性。
　　轨道器着陆后，经过检查和维护便可再次用于飞行。重复使用性是航天飞机不同于运载火箭和航天器，而相似于飞机的一个重要特点。重复使用的次数取决于设计和工艺水平。增加重复使用次数和航天飞机的可回收部分可以降低使用费用，但会大大提高研制的难度和增加研制费用。以经济性最好为前提，综合确定航天飞机的规模大小、使用范围、可回收部分的比例和重复使用次数，是航天飞机系统工程的重要研究课题。
　　关键技术 　航天飞机涉及的科学技术问题繁多，关键的技术是：
　　① 可多次使用的高性能长寿命发动机：火箭发动机通常是一次使用的，工作时间在几分钟之内，而航天飞机的发动机却要多次使用，总工作时间是几小时。在发动机的设计、材料和工艺方面会遇到很大的困难。
　　② 复杂的空气动力学问题：航天飞机的外形比较复杂，上升段的空气动力学问题比运载火箭的要难，而再入段的问题更难解决。再入飞行时，轨道器要由近30倍音速降到亚音速，由几十度的大攻角到接近零度的小攻角飞行，由稀薄大气到稠密大气，空气动力学问题十分复杂，不仅需要进行理论计算，更要作大量的地面风洞实验，对实验设施也有多方面的要求。
　　③ 防热系统设计：一般航天器只使用一次，再入防热问题较易解决，而轨道器的防热系统要能多次使用，要求防热材料的重量轻，抗冲刷性、隔热性和工艺性好，维修也方便。还要经过充分的试验。
　　④ 大型飞行体的回收技术：无论是回收航天飞机的大型助推火箭还是回收整个航天飞机都会遇到再入防热、无损伤着陆等难题。
　　航天飞机以其特有的重复使用性、多用途性、经济性和良好的环境条件为人类的航天活动开辟了更广阔的前景，使航天活动进入了一个新的阶段。