航天飛機30年

2011年7月21日，“亞特蘭蒂斯”號航天飛機在肯尼迪航天中心安全著陸，宣告人類航天史上具有時代標志意義的航天飛機正式退役。“亞特蘭蒂斯”號于7月8日升空執行最后一次航天飛機任務(STS-135)，主要目的是運送約14.1噸的有效載荷，包括國際空間站備用部件、補給物資以及“機器人燃料加注任務”試驗裝置等，并回收了發生故障的液氦泵。返航期間，還釋放了一顆微型太陽能電池試驗衛星。STS-135是美國2011年初決定額外增加的一次飛行任務，由于不能再安排航天飛機救援，如果發生意外，只能依靠俄羅斯的“聯盟”號載人飛船施救，在綜合考慮任務量后，NASA決定在這次飛行中只安排4名航天員。航天飛機作為航天史上第一個部分可重復使用的航天器，代表著航天技術的發展方向，30年飛行過程中為載人航天事業做出重大貢獻。與此同時，也因其高昂的研制與維護費用、高事故率和巨大的運行風險，受到世人責難。

發展歷程

航天飛機的設想產生于20世紀60年代。當時，美國與蘇聯在航天領域展開激烈競爭。早期的航天運載器具有明顯的局限性：一次性運載火箭因不能重復使用而費用昂貴；飛船運載能力低，滿足不了大型空間站的運輸需求，返回時航天員承受的過載較大。在此背景下，美國迫切希望研制一種能頻繁、經濟可承受地進入空間的可重復使用運載器，航天飛機計劃應運而生。

籌劃與立項

1969年9月，在實現首次登月后，由美國副總統主持的航天論證組針對未來航天長期規劃提出了3種預算方案：①每年投入80～100億美元，發展能執行載人火星探索任務的航天飛機，建立月球軌道空間站和50人規模的近地軌道空間站；②每年最多投入80億美元，執行火星探索任務等；③每年投入40～57億美元，建立一個近地軌道空間站，并用航天飛機與空間站保持聯系。受經費限制，美國最終選擇了預算相對較低的第三種方案。

研制與試驗

經過方案篩選，美國最終于1972年3月選定航天飛機設計方案。按照設計，航天飛機每次能將7名航天員和近30噸貨物運送到近地軌道，還具有從空間帶回多達16噸貨物的運載能力，能夠在軌釋放、維修和捕獲衛星，還可作為空間實驗平臺。1977年，航天飛機進入試飛階段。NASA利用“企業”號試驗型航天飛機進行了8次飛行演示驗證，驗證了航天飛機的氣動、操控和安全等性能。

建造與使用

1981年4月12日，“哥倫比亞”號航天飛機成功首飛，并在第五次飛行中正式投入使用。1982年，美國出臺《國家空間政策》，確定航天飛機將替代一次性運載火箭，全面執行各類航天發射任務。

1981～1986年，航天飛機共執行25次任務，包括7次科學實驗任務，15次商業衛星發射任務，3次秘密軍事任務。1986年1月28日，“挑戰者”號在執行第25次航天飛機任務時爆炸，造成航天飛機停飛2年8個月，致使很多衛星不能按期發射。美國由此反思其航天運載能力不能僅僅依靠航天飛機，于是決定重啟運載火箭的研制生產。

1988～1998年，航天飛機主要進行空間科學實驗和空間維修任務，并執行了一些軍事任務和衛星發射任務。

1998-2011年，航天飛機主要執行國際空間站建造任務。期間，因2003年“哥倫比亞”號失事，航天飛機停飛2年6個月。復飛后，航天飛機執行22次任務，完成了國際空間站建造，結束其歷史使命。

主要技術貢獻

20世紀70年代，在美國宣布實施航天飛機研發計劃之后，蘇聯、歐洲和日本都制定了研發方案并開始技術探索性研究。受技術條件和研發成本限制，美國是唯一成功研制并實際使用航天飛機的國家。美國從而展示出強大的國家綜合實力，實現了航天技術的重大突破，鞏固其在載人航天領域的領先地位。

驗證了可重復使用航天器技術

研制像飛機那樣，可水平起飛，水平降落，能夠多次重復使用的航天器，是人類發展航天運輸系統的夢想。可重復使用航天器，不僅能夠大幅降低進入空間的成本，而且在安全性、可靠性與響應性等方面具有優勢。航天飛機驗證了發展可重復使用航天器技術的可行性，也為這一領域的發展奠定了技術基礎，積累了大量實踐經驗。實踐證明，航天飛機軌道器采用的大機翼結構設計，使軌道器能夠準確降落在跑道上。與飛船相比，這種設計既保證了軌道器的重復使用，下降過程中的過載也相對較小，大大降低了對航天員的身體要求。另外，航天飛機主發動機能夠在65％-109％推力之間連續調節，且可重復使用50次。這種可多次啟動和重復使用的發動機技術在今天仍處于世界領先水平。

推進了近地軌道天地往返技術發展

天地往返運輸能力是實現人類進入空間、建造大型空間設施的核心能力之一。美國研制的航天飛機每次能將7名航天員和近30噸貨物運送到近地軌道，遠遠大于目前載人飛船的運載能力(運送3人和幾百千克貨物)。即使新近投入運行的無人貨運飛船，其運載能力也不足10噸，難以滿足國際空間站艙段、大型結構與設施運輸能力(約20噸)要求。航天飛機的大容積貨艙設計及起重能力很強的機械臂等裝置，能夠把一些因形狀和體積等因素無法用運載火箭發射的重要構件送入近地軌道。此外，航天飛機還具有從空間帶回重達16噸貨物的運載能力，對于一些需要帶回地面進行維修或研究的設施，航天飛機是唯一的選擇。例如，在最后一次飛行任務中，“亞特蘭蒂斯”號將國際空間站上的故障液氨泵帶回地球研究。相比之下，貨運飛船只能攜帶空間站上的廢棄物在再入大氣層時焚毀。

試驗了大量創新航天概念與技術

在惡劣的空間環境中，各類航天器極易損壞或提前喪失部分功能。有的航天器在入軌調試階段就可能出現故障而被迫放棄。為此，人們提出在軌釋放、抓捕、維修航天器，推進劑在軌加注，對敵航天器進行抵近偵察、干擾、俘獲等先進航天概念與技術。航天飛機憑借其大運載能力與高機動性等特征，對這些創新概念與技術進行了演示驗證。航天飛機作為運載工具，曾先后43次將美國防部的偵察衛星、“國防支援計劃”預警衛星，以及NAS的“麥哲倫”金星探測器等航天器運送到空間軌道。美國防部還利用航天飛機對大量先進軍用航天技術進行在軌演示驗證，如試驗了在軌俘獲衛星和維修航天器的能力和技術。實踐表明，航天飛機不僅能在軌釋放和維修各種有效載荷，也能夠在軌捕獲、干擾、回收衛星或摧毀衛星，具有極大的軍事應用潛力。

推動了空間科學研究與應用技術發展

航天飛機作為空間試驗平臺，完成了2000多項科學研究，開展了大量生命科學、地球科學、天文學研究，以及材料加工、制藥和新技術試驗等活動。同時，航天飛機還在空間部署和多次維修了“哈勃”太空望遠鏡。“哈勃”太空望遠鏡在軌工作21年來，向地球傳送了75萬張宇宙圖片和大量數據，勘測到可見光視角下的第一顆地外行星，對火星地形進行觀測照相，為人類探索火星提供了依據，并觀測到迄今為止宇宙中最大且最重的恒星。2000年2月，美國國家地理空間情報局利用航天飛機實施了“航天飛機雷達地形測繪任務”(SRTM)，利用雷達干涉測量法對地球進行了三維測量，并形成了全球地形測繪圖。數據經處理后所獲得的全球“數字高程模型”(DEM)，將美軍原有的數據精度提高約30倍，大大增強了遠程精確打擊武器的作戰效能。

佐證了人貨分離的航天運輸系統設計思路

航天飛機的兩次失事造成14名航天員遇難，占世界載人航天飛行死亡總人數的78％，這使美國意識到“人貨混運”的航天運輸模式存在巨大的安全隱患。這是因為，為確保航天員的生命安全，航天飛機所有部件都必須按照載人要求進行研制，這不僅增加了研制和運行成本，還由于系統復雜性的提升，導致故障出現的幾率增大。從“重返月球”計劃中航天運輸系統的設計方案看，美國吸取了航天飛機的經驗教訓，將載人與運貨火箭分開研制。這表明在目前的技術水平下，“人貨分離”模式是一種更為安全和經濟的載人航天運輸方式。

退役的主要原因

美國載人航天發展戰略的調整，是航天飛機時代終結的根本原因。運行成本居高不下、故障頻發、每次飛行面臨的巨大安全風險，則是影響航天飛機持續飛行的重要因素。

不能滿足美國載人航天長遠戰略需求

新世紀以來，為保持空間領導地位，美國載人航天發展戰略由近地軌道向深空載人探索拓展。航天飛機作為近地軌道天地往返運輸系統，在完成國際空間站建造任務后，已結束其歷史使命。因此，在美國政府謀劃載人航天長遠發展戰略目標時，無論是布什發布的“空間探索新構想”，還是奧巴馬提出的“21世紀空間探索戰略”，都將航天飛機退役作為首選的戰略舉措。其目的是為了節省經費，研制新一代載人航天運輸系統，保持未來美國在空間探索領域的技術領先地位。正如奧巴馬所稱，航天飛機雖然能進行額外的低軌道試驗工作，但現在美國需要的是新的技術突破，以實現探索宇宙的任務。

高昂運行成本制約航天飛機持續運行

按照NASA最初的設計方案，每年安排24次飛行任務，每架航天飛機可重復使用100次，這將使每架次的運行成本低于運載火箭的發射成本。但由于航天飛機技術性能復雜，每次飛行前都需要進行大量準備和安全檢測，結果5架航天飛機總共只進行了135次飛行，即使在飛行次數最多的1985年也才執行了9次飛行任務，遠低于預期。而且2003年“哥倫比亞”號事故后，每架次航天飛機的運行成本高達7億美元，其中大部分用于安全性能檢測評估與故障處理，嚴重影響了航天飛機的持續飛行。

設計缺陷導致巨大安全風險

航天飛機由3500個分系統和250萬個零部件組成，其中1個分系統或關鍵零部件失效都將導致重大事故發生。由于初始設計存在嚴重缺陷，導致航天飛機的安全性和可靠性遠遠低于預期。盡管NASA為了提高安全性進行了多次改進，如針對“挑戰者”號失事原因，重新設計和制造了固體火箭助推器連接處的墊圈，配備了航天員逃逸系統；針對“哥倫比亞”號失事原因，改進了保溫泡沫材料的安裝方式，并設計了航天飛機翻滾動作以檢查隔熱瓦的受損情況。但由于航天飛機結構設計的固有缺陷，使其安全隱患始終不能徹底解決，每次飛行都要承擔巨大的安全風險。2010年，NASA發布的一份安全評估報告稱，現在航天飛機的安全性雖然比30年前提高了10倍，但發生災難性事故的風險仍然很高。

影響了美國航天運載能力的全面發展

在航天飛機發展初期，美國的設想是利用其強大運載能力，替代運載火箭發射各類衛星，運送航天員進入近地軌道，并希望大幅降低航天運輸成本。為此，美國政府下令封存了由政府投資運營的運載火箭生產線，NASA也曾一度停止了運載火箭的采購。這些做法在一個時期內影響和遲滯了美國運載火箭技術的發展和空間運輸能力的全面提升，導致航天飛機停飛期間和退役后，美國不得不依賴俄羅斯飛船維持本國航天員在國際空間站工作和生活的連續性。同時，國際空間站上的物資補給也需要歐洲航天局和日本的貨運飛船來完成。

美國載人運輸系統的未來

航天飛機退役后，美國載人航天運輸能力將出現空檔期。當前，美國政府對載人航天運輸系統的發展策略，一方面是大力扶持商業化近地軌道運輸能力發展，以擺脫對俄羅斯等國家的依賴；另一方面積極推進載人深空探索運輸系統的研發，繼續引領世界載人航天技術發展方向。

大力發展商業化近地軌道運輸能力

在2010年發布的《國家空間政策》中，美國政府將商業化航天運輸能力建設作為一個重要舉措。近年來，NASA投入大量資金推動近地軌道載人航天成熟技術向私營航天企業轉移，以確保其近地軌道載人航天活動持續開展。NASA在2006-2010財年為“商業乘員與物資運輸計劃”投資5億美元，目標是鼓勵美國私營企業自主研發可靠的、高效費比的近地軌道運輸系統。2010年12月，由空間探索公司研制的“天龍座”飛船／“獵鷹”火箭運輸系統首次演示驗證飛行成功，表明商業航天運輸具備執行國際空間站任務的能力。奧巴馬政府計劃未來5年為“商業航天飛行”計劃投入58億美元。可以預見，在政府的大力扶持下，私營企業將研發安全可靠的商業化載人運輸系統，成為美國近地軌道載人航天活動的主力。

加快新型載人航天運輸系統研發

在“空間探索新構想”戰略牽引下，NASA實施了“星座”計劃，重點研制“阿瑞斯1”載人運載火箭、“阿瑞斯5”重型運載火箭和“獵戶座”載人飛船。2010年2月，奧巴馬政府終止了“星座”計劃，但相關技術的研發與演示驗證并沒有停止。為實現“21世紀空間探索戰略”，NASA按照國會的要求，重新設計并提出了“多功能載人探索飛船”和重型運載火箭研制方案。同時，按照新的發展規劃，NASA未來5年將投資31億美元，研發重型火箭推進技術，以顯著提高推力、效率、可操作性和經濟可承受性，并為建立新的載人航天深空探索體系提供重要支撐。