航天飞机应用概述

http://www.sina.com.cn 2005年07月13日 20:56 新浪科技

　　文/庞之浩(中国空间技术研究院研究员《国际太空》杂志副主编)

　　航天飞机是人类第1次把航天与航空技术高度有机结合起来的创举，因此，它能完成多种任务，具有运载火箭、人造卫星和宇宙飞船甚至小型空间站的许多功能，其中一些是一般航天器所没有的功能，如在太空释放、维修和回收卫星等。

　　十八般武艺

　　与另一种载人航天运输工具——宇宙飞船相比，航天飞机不仅可以部分重复使用，而且能把7人和将近30吨的货物送到近地轨道上去，并设有起重能力很强的机械臂，在轨道上可部署各种类型的有效载荷。所以，它能把过去因形状和体积等因素而无法用火箭发射的一些重要航天器送上太空，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。

　　“国际空间站”的重要部件大都是用航天飞机送上太空并由航天员在轨道上组装的。2003年2月1日哥伦比亚号航天飞机失事后，所有航天飞机都停飞了，因此使得“国际空间站”的建造“搁浅”2年多。2005年航天飞机的复飞，给“国际空间站”带来了新活力。

　　链接：美国航天飞机是世界上第1个、目前也是惟一1个可重复使用的运载系统，目前“国际空间站”的建造主要是靠它。它一般每年要飞往“国际空间站”5次，其中4次用于人员轮换，另外1次是将未增压货物送上“国际空间站”，用于“国际空间站”的维修和维护。“国际空间站”每90天需要轮换4名航天员，每年要向“国际空间站”运货52.2 吨。

　　航天飞机的问世，大大放宽了对有效载荷尺寸和重量的限制，改变了过去要求有效载荷必须体积小、质量轻的原则，从而大幅度降低了有效载荷(如卫星)的研制费用。美国导弹预警卫星等一些大型卫星和空间探测器，曾因为体积大、质量重，用运载火箭发射力不从心，所以最后只能靠航天飞机送上太空。用航天飞机释放卫星时还有独特的优点，航天员能根据所要释放的卫星的不同要求来改变航天飞机轨道，最终把卫星精确放入预定的轨道。

　　由于航天飞机运载力大，所以还可把有效载荷的重要分系统搞成备份或携带更多的分系统，以延长卫星等航天器的寿命或增加卫星功能。其经济性还表现在它能在轨回收、检修卫星和更换失效卫星的组件。这不仅能节省费用，还可以缩短研制周期和提高使用效果。航天飞机已经4次在轨维修“哈勃”空间望远镜，使这一价值连城的太空巨眼多次“焕发青春”，功能不断增强，寿命大大延长。

　　美国在设计垂直起飞、水平降落的航天飞机时，还有一个指标是将航天员往返太空时所承受的超重比飞船减少一半，即利用航天飞机使航天技术逐步接近航空技术中飞机的活动能力和水平，使航天员在上天和返回时很舒服。另外，载人飞船返回时只能在海面溅落或在荒原上径直着陆，航天员生命安全有一定危险，而航天飞机可水平着陆。这就使空间活动的安全可靠性大体接近航空标准，使空间事业从探险阶段进入实用阶段。

　　航天飞机在军事上具有极大的潜力和重要的作用。它可在轨捕捉和回收军用卫星或加以破坏，因而具有反卫星的能力。它不仅能在轨发射各种军用有效载荷，也可检修侦察卫星和为其补充燃料、更换胶卷，提高侦察能力，并能进行载人军事侦察。有人还拟让航天飞机携带战略武器进入太空，用作载人轰炸机。

　　因上所述，美国航天飞机的正式飞行被看作是继“阿波罗”登月计划之后空间时代的第2个里程碑

　　链接：尽管美国现有航天飞机具有成本高、安全性差等许多不尽人意之处，并已损失了2架，而且还一直力图研制“冒险星”、“轨道空间飞机”等新一代航天飞机，但从目前来看，在2010年以前其用途广泛的特长天上无敌，因而还得继续服役。它也为未来的航天飞机发展奠定了基础，积累了经验。

　　两大用途显身手

　　作为运载工具,航天飞机已把“麦哲伦”金星探测器、“哈勃”空间望远镜和“国防支援计划”导弹预警卫星等当时用运载火箭难以发射大型航天器送入太空；作为实验平台，它曾用其货舱携带望远镜、雷达和材料加工设备，在乘员密封舱内开展了大量医学、生命科学、对地观测、天文观测、材料加工、制药和新技术试验等活动，尤其是用所载的欧洲“空间实验室”开展了大量实验与观测活动。

　　按应用范围来分，航天飞机有效载荷类型可以分为两大类。一是科学有效载荷。这些有效载荷主要用于基本科学的研究，例如进行天文学、生命科学、物理学、行星科学和其他技术领域里的基本理论的研究，其典型就是机载“空间实验室”。二是应用有效载荷。这些有效载荷主要用于科学技术的实践方面，如进行地球观察、通信和导航、材料和工艺的试验等，其中很多是直接为军事服务的。应用有效载荷的类型很多，例如以前用运载火箭发射的各种资源卫星、通信卫星、气象卫星和导航卫星等等。这些卫星现在都曾作为航天飞机的有效载荷，由航天飞机进行发射、回收和维修。

　　链接：有效载荷还可以按照所处轨道的高低分为低轨道有效载荷和高轨道有效载荷两类。低轨道有效载荷包括高能天文观察站、生物研究舱、大型天文望远镜和流星探测舱等。这类有效载荷经过上升助推的恶劣环境考验以后，由航天飞机上的乘员进行检测，证明性能良好才能释放入轨，因此发射成功率很高，用运载工具发射就做不到这一点。另外，它们都可以用航天飞机进行轨道维修或回收到地面维修，从而可以多次使用。最典型的高轨道(地球同步轨道和行星际轨道)的有效载荷是通信卫星、空间探测器等。

　　被航天飞机带到轨道的有效载荷，需经过适当的空间操作才能布放到特定的空间位置。这些操作的主要内容是：有效载荷的释放和回收，乘员的舱外活动，有效载荷的轨道维修以及空间建筑。

　　航天飞机就好像“空间运输车”一样，可以把一系列的有效载荷逐个布放到预定的空间轨道上。但一次所运输的有效载荷个数要受轨道类型和货舱容积的限制，一般可以一次运输5～8颗小型卫星。

　　轨道器里为有效载荷服务的辅助设备有：通用托架、气动外壳、释放和捕获装置(机械手系统)、控制和展开用的电子仪器、能源、轨道器与有效载荷之间的气体液体管路、出入乘员的气闸隧道、乘员舱内的操纵台和有效载荷控制台等。

　　有效载荷安放在通用托架上。托架上有固定销，通过指令可以使其解锁或锁紧。设计中要求轨道器上的弯曲应力等负载不会通过这些固定销传递给有效载荷。货舱虽然不是气密舱，也不进行环境控制，但是在发射和再入期间可以使有效载荷免受气动力和气动热的作用。

　　机械手是轨道器释放和回收有效载荷的执行机构。为了保险起见，备有两根机械手。一根作为备用。乘员用计算机控制和操纵机械手，用电视或年接观察修正机械手的动作。

　　为了监控和检测有效载荷的状态，轨道器与有效载荷间设有无线、有线联络设备。轨道器的无线电系统还可以保证地面与有效载荷之间的通讯联络。轨道器与有效载荷之间由气闸隧道联通，乘员可以自由进入货舱检修有效载荷，或者进入“空间实验室”进行科学实验。

　　航天飞机最有价值的一种空间活动就是对有效载荷进行轨道维修。轨道维修的主要内容是：拆换陈旧的或报废的系统和部件，安装新的传感器或实验件，补充星上的消耗品(如低温燃料、胶片、对气瓶充气等)。既然可以利用航天飞机进行轨道维修，因此可以放松有效载荷各系统的可靠性要求，大大降低了有效载荷的成本，同时也延长了它的使用寿命。

　　为了进行轨道服务，轨道器货舱里装有旋转平台。平台上设有许多备用的舱段和换舱机构。机械手把有效载荷捕获并移到货舱维修平台上之后，由乘员控制更换旧的舱段或系统，经过检测后再释放维修过的卫星。如果需要维修的卫星运行在较高的轨道，先要利用自身携带的机动装置把轨道降低到维修轨道上来。

　　轨道维修时，乘员的舱外活动特别重要。有许多工作(例如对卫星检测和照相、清净光学表面、联结或切断电缆和管路、天线及太阳能电池阵的重新定向等)由乘员直接操作往往比自动操作更为有效。

　　链接：将有效载荷装入轨道器货舱是整个航天飞机总系统地面流程中的一部分。一次飞行归来的轨道器和有效载荷经过安全、检测和修复后分别送入垂直装配厂房和发射台的装配间里。与此同时，海上回收来的固体火箭经过检修和重新装药后与新生产的外贮箱一起送入厂房进行总装。总装完毕的航天飞机总系统垂直牵扯引到发射台上。在规定的发射准备时间内，将有效载荷装入轨道器货舱，经检测即可进行发射。

　　红极一时的军事应用

　　航天飞机的问世，与美国军方很重视它有很大的关系。在美国航天飞机研制的过程中和使用的前5年，美国军方对航天飞机给予了巨大投入，从而使该工程进展较为顺利。

　　美国航天飞机其实是最典型的军民结合与军民共用的产物。从表面上看, 航天飞机完全是航空航天局建造和管理, 但实际上国防部在其中起着很大的作用。例如，航天飞机发展费用的1/6 是由国防部承担的；在头几年的飞行中，40% 的任务是由国防部下达的；在发展过程中几次重大的修改，也是根据国防部的要求进行的，如将货舱尺寸加大到18米长和4.5 米宽；将运送到极轨上去的有效载荷增加到14.4吨；为了实现向南的高倾角发射, 国防部扩建了范登堡空军基地。特别值得注意的是, 凡是国防部的任务, 为了保密都由军职航天员驾驶, 载荷专家也是军职人员, 甚至地面控制中心的工作也由空军的军官负责。

　　链接：早在1961年美国空军就制订过“空天飞机计划”，其性能与美国现在的航天飞机大同小异,用途是进行空间侦察、空间运输和其他需要在低轨道上进行的军事任务，后来该计划下马了。

　　1983年4月4日升空的挑战者号航天飞机，把当时世界上最重、最先进的“跟踪与数据中继卫星”送入太空。它是军民两用卫星，使军方看到了航天飞机军事应用的端倪。此后，美国锁眼12号光学成像侦察卫星、“长曲棍球”雷达成像侦察卫星和“大酒瓶”电子侦察卫星等许多大型军用卫星，都是用航天飞机发射的，原因之一是这些卫星体积和质量太大，运载火箭无能为力，只能用航天飞机携带升空。

　　同年8月30日，该机首次进行了夜间起飞，这意味着航天飞机不论白天还是黑夜，都能发射上天，支援部队，迅速灭敌。

　　这一年11月28日发射的哥伦比亚号航天飞机载有“空间实验室”，它进行了包括发射高强度电子束和离子化氩气等实验，对军事技术很有用。

　　1984年8月30日发射的发现号航天飞机，入轨后机上航天员施放了3颗通信卫星，其中1颗是大型军用通信卫星。它还首次携带和试验了一块长32米、宽4米的新型太阳能电池板，其可产生12.5千瓦功率的电源，是军用卫星的重要部件。

　　挑战者号航天飞机在1984年10月5日~13日，用雷达和大幅面相机对地进行观测，获取了大量有军用价值的照片。

　　上述使美国军方越来越看好航天飞机的军事用途，于是，1985年1月24日，美国发现号航天飞机首次进行了纯军事飞行。它是从肯尼迪空间中心发射上天，方位正东，显然是要施放地球静止轨道卫星。飞行历时3天，比预计提前1天着陆。这是自航天飞机完成4次试验飞行和1982年11月11日开始正式业务飞行以来时间最短的一次飞行。飞行在极端保密的情况下进行，发射前9分钟才公布于世；对飞行期间的新闻采取控制，每隔8小时才发表一次经过检查的消息。机上航天员都是军人，其中指令长是海军上校马丁利，驾驶员是空军中校施赖夫，另外3人为空军少校奥尼朱卡、海军中校布克利和空军少校佩顿。通信全部采用密码。飞行中，航天员释放了1颗2.5吨的电子侦察卫星，它用于跟踪苏联的导弹试验，窃听苏联西部的遥测、电台广播及雷达信号，并能获取欧亚非广大地区的通信联系。据说，这些侦察有助于美国了解苏联准备核战争的动向。这次飞行的成功，标志着美国在利用航天飞机进行军事应用方面，迈出了重要一步。

　　1985年6月17~24日，发现号航天飞机上的航天员与地面站配合，完成了激光反射试验，验证了激光系统对空间高速运行目标的跟踪和瞄准能力，也为研制地面激光武器提供了宝贵资料。这对战略激光武器的发展产生了重要影响，加快了空间武器的研制进程。

　　同年7月29~8月6日，挑战者号航天飞机飞临太平洋上空时扣扳了1架电子束发生器，从280千米的高空对地面发射了明亮的电子束。这是“星球大战”计划的一项重要内容。

　　这一年的10月3日，阿特兰蒂斯号航天飞机又载5名军人航天员上天进行秘密军事飞行。他们释放了2颗具有良好抗干扰和抗核爆炸等能力的军用通信卫星——国防通信卫星3号。

　　当月30日发射的挑战者号航天飞机首次载8名航天员升空(航天飞机载人最多的1次)，并发射了1颗小型军事研究卫星，试验了一种跟踪潜航在北极水域的苏联导弹潜艇装置。

　　但自从1986年挑战者号航天飞机失事后，美国航空航天局停止使用航天飞机发射商业卫星，美国空军也放弃使用航天飞机从事军事任务。

　　其实，此后美国航天飞机并没有停止军事应用。它除了为国防部运送军用卫星和其他军用有效载荷外, 还承担了大量的军事试验任务。1987年5 月, 国防部列出首批准备在航天飞机上进行的11项军事试验，其中7 项是由空军提出来的，4 项是由海军和陆军提出来的。这11项军事试验是: ①空军的航天用直接观测系统; ②海军的经纬度定位器; ③海军的海上观察; ④陆军地面侦察计划; ⑤空军对空间碎片的观察; ⑥陆军地质观察; ⑦空军对地面战斗的观察试验;⑧空军对导弹发射的侦察; ⑨空军大气环境试验; ⑩空军的空间环境试验; ⑾空军空间目标指示试验。

　　1991年4月，发现号在飞行中进行了被自身发动机排气包围时所具有的特性试验，为研制探测这类目标的特殊敏感器提供了数据。这一试验是反导试验的重要组成部分。在飞行中还进行了对地平线、极光、大气状况和航天器运行中发出辉光等具有重大军事潜在价值的空间环境试验。

　　1991年11月，在航天飞机上完成了名为“地球侦察兵”的美国陆军载人观测试验，证明了由于航天飞机的轨道和姿态均可控制，而且能安装多种观测仪器，观测效果可随航天飞机一起回收，因而是空间军事技术试验的理想工具。1992年12月，发现号航天飞机又进行了12项与军事有关的试验，并部署了国防部的秘密军用卫星。

　　航天飞机还进行过跟踪导弹羽烟等试验。2003年2月1日失事的哥伦比亚号航天飞机上载有6名军人航天员，所以也被认为执行了军事任务。

　　链接：在空间进行军事活动有3大优点: ①极高的高度和极快的运行速度, 可以直接而快速地观察地球上广大地区;②不受国界的限制, 可以自由飞越地球上的任何地区; ③不受时间限制, 可以在空间长时间不间断地进行军事活动。因此可以预测, 在未来的战争中, 谁掌握了制天权, 谁就能在战争中取得主动。未来争夺制天权的斗争就像今日在海湾战争中争夺制空权一样重要。而要夺取制天权, 没有载人航天不行, 没有人在空间发挥作用更不行。

　　近年，美国空军曾拟将美国航空航天局因技术和资金而中途下马的X-33/“冒险星”新一代航天飞机，发展成为用于军事目的的载人航天器。美国空间司令部指挥官说，价值13亿美元X-33项目主体的90%已经完成，如果美国空军掌握了此项技术，将为快速发射携带武器的卫星打下坚实的基础。

　　洛马公司也曾希望重新启动X-33航天飞机项目，将其改造为可携带武器的军用太空飞机。为迎合空军需要，该公司提出将X-33改造为能携带武器的军用太空飞机，使它能够从地球轨道上向地球任何地方发射导弹，并返回地面，整个过程仅需约90分钟。

　　美国《洛杉矶时报》报道说，五角大楼正在研究一种叫“空间轰炸机”的未来武器，该武器能在半小时之内摧毁世界另一端的目标。据法新社报道，开发中的新型轰炸机，可能有人驾驶。它可能会像一个远程导弹一样爆炸，也可能会在100千米以上的高空精确投弹。

　　根据这项计划，太空轰炸机将从远程火箭发射基地起飞，在100千米高空向地球目标发射导弹，其飞行速度是目前轰炸机的15倍，飞行高度高10倍，它可摧毁远程目标，同时尽可能减少美军损失。它有能力摧毁远程目标，同时能够躲过敌方常规空中防御的攻击。《洛杉矶时报》称，该种武器目前仍处于构思阶段，但很快就会变成现实。有人担心，该计划会使空间领域的军备竞赛升级。

　　五角大楼官员强调，研制太空轰炸机不会导致太空军事化，因为它不攻击太空目标，只攻击地球目标。但批评者对此表示怀疑，认为太空轰炸机可以在很短时期内改制成名副其实的太空武器，并刺激其他国家研制相应的太空武器。

　　美国空军设想太空轰炸机能从美国本土起飞，在90分钟内攻击地球上任一目标后安全返回基地，而在科索沃战争中，美军的B-2轰炸机从美国密苏里空军基地起飞，实施轰炸行动后返回基地，整个行动需要24小时。不过，没有多久，美国空军又决定不接手X-33计划，并拒绝对此事发表评论。

　　尽管如此，目前许多人还是十分看好航天飞机的军事用途，并相信太空侦察机、太空战斗机、太空轰炸机和太空攻击机将成为未来天军的撒手锏。