航天飛機是NASA在“阿波羅”登月計劃結(jié)束之后又一個雄心勃勃的太空計劃，但該計劃是基于不穩(wěn)定的政治支持和持續(xù)的資金削減基礎(chǔ)之上的，導(dǎo)致航天飛機的研制工作不得不在艱難中前進。不過NASA最終獲得了成功，在1981年進行了航天飛機的首次太空任務(wù)。航天飛機在許多方面都表現(xiàn)出令人印象深刻的創(chuàng)新特性，但也因研制中的妥協(xié)而為日后的“挑戰(zhàn)者”和“哥倫比亞”號悲劇埋下了伏筆……

航天飛機的起源

20世紀60年代，NASA在其頭號任務(wù)上取得了巨大的成功，把人送上了月球。雖然“阿波羅”登月計劃會一直延續(xù)到70年代中期，但此時的NASA急需獲得一項新使命來保持機構(gòu)的地位。因為隨著阿波羅計劃的結(jié)束，公眾對登月的興趣會逐漸消退，NASA的影響力必然會降低，隨之而來的將是削減撥款和裁員。

“阿波羅”登月計劃極大鼓舞了美國國民的士氣

NASA花了好幾年時間來確定下一步該怎么走。1969年尼克松總統(tǒng)上任后不久，授權(quán)成立了一個副總統(tǒng)斯皮羅•阿格紐指導(dǎo)的“太空任務(wù)小組”，來確定NASA在后“阿波羅”時代的發(fā)展方向。太空任務(wù)小組成員包括NASA局長托馬斯•潘恩、空軍部長羅伯特•西曼斯、尼克松總統(tǒng)的科學(xué)顧問李•杜布里奇。阿格紐副總統(tǒng)的存在僅具有象征意義，小組的其他成員覺得他對這件事情了解甚少，也不感興趣。

托馬斯•潘恩和尼克松總統(tǒng)等待接見“阿波羅”11號的返航宇航員

1969年9月，太空任務(wù)小組發(fā)布了研究報告。報告的核心內(nèi)容展示了一幅沿著20世紀50年代的宏偉愿景路線而繪制的“空間基礎(chǔ)設(shè)施”藍圖，其中包括空間站、太空拖船、核動力月球和行星運輸載具、月球基地等，報告預(yù)計美國將在20世紀80年代初開始把人送上火星。而這一切想要成功都基于一個關(guān)鍵要素——可重復(fù)使用的載人航天發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)一開始被稱為“太空運輸系統(tǒng)”(STS)，而這就是航天飛機的起點。

1969年太空任務(wù)小組設(shè)想的“空間基礎(chǔ)設(shè)施”藍圖，已經(jīng)具有了航天飛機的雛形

其實類似的“可重復(fù)使用載具”(RLV)的想法并不新穎。為了解決制造一個昂貴的運載火箭后發(fā)射一次就被拋棄的浪費問題，第二次世界大戰(zhàn)期間德國火箭科學(xué)家就提出了這個設(shè)想，在60年代還出現(xiàn)了大量的RLV紙上設(shè)想。

大多數(shù)設(shè)想都采用兩架有翼載具的組合，其中第一級載具安裝噴氣發(fā)動機或火箭發(fā)動機甚至是兩者的組合，背負著安裝了火箭發(fā)動機的第二級載具。第一級載具升空到達預(yù)定的高空高速狀態(tài)后，第二級載具與第一級分離，依靠自身的火箭發(fā)動機把載荷送入軌道。在完成各自的任務(wù)階段后，這兩架載具都能自行返航并降落在跑道上。一些設(shè)想的兩架載具并排連接，就像雙胞胎，甚至還有三架載具合體的。也有設(shè)想的第二級載具安裝有可消耗的火箭助推器。

馬丁公司在1963年設(shè)想的兩級載人航天發(fā)射系統(tǒng)，兩級都能重復(fù)使用，毫不浪費

NASA載人航天(OMSF)辦公室主任，喬治•米勒在1969年4月已經(jīng)組建了一支“航天飛機任務(wù)小組”，該小組提出的A階段航天飛機計劃正是按照這種思路設(shè)計的，由可回收助推器級和軌道器級組成，安裝了火箭和噴氣式發(fā)動機的兩級都能可重復(fù)使用�；鸺�發(fā)動機將使用液氧和液氫(LOX-LH2)推進劑。軌道器的后貨艙可以裝多達11350千克貨物，前載人艙可容納兩名機組和12名乘客。

麥克唐納公司設(shè)想的A階段航天飛機方案

A階段航天飛機更像是一個通用概念而不是具體方案要求。1970年年初，NASA提出了一個更具體的B階段方案要求，一開始設(shè)想了一種有翼可飛回助推器和軌道器。大型可飛回助推器的尺寸相當(dāng)于一架大型噴氣式客機，背負著較小的軌道器。B階段航天飛機會有很強的性能，但也將非常昂貴。尼克松政府對太空計劃并沒有太大熱情，一直在削減NASA的預(yù)算，航天飛機計劃看起來有點像強買強賣。

北美/通用動力公司設(shè)想的B階段航天飛機方案

格魯曼/波音公司設(shè)想的B階段航天飛機方案

湯姆•潘恩因不滿NASA的預(yù)算遭削減，在1970年9月辭去局長職務(wù)，副局長喬治•樓出任臨時局長，直到1971年1月詹姆斯•弗萊徹被任命為NASA新局長。弗萊徹在20世紀50年代末曾在拉莫•伍爾德里奇公司參加了“先鋒”月球撞擊計劃。弗萊徹認為NASA的未來就在航天飛機上，并努力展開游說。

詹姆斯•弗萊徹

尼克松政府也認識到載人航天飛行很受大眾歡迎，NASA需要把航天飛機視為能滿足所有參與方要求的國家級航天器。NASA宣稱航天飛機具有十個能降低發(fā)射成本的優(yōu)點，但一些研究表明想要降低發(fā)射成本必須先達到一定的發(fā)射頻率，而NASA的成本估算基于每周一次的發(fā)射頻率。所以批評者對NASA降低發(fā)射成本的說法持懷疑態(tài)度，在當(dāng)時，NASA的太空任務(wù)并不能填飽航天飛機的胃口。

這么高的發(fā)射頻率在日后將被證明是無法實現(xiàn)的，現(xiàn)在也無從得知當(dāng)時弗萊徹和NASA是否再故意夸大宣傳，但他們肯定知道該機計劃已經(jīng)暗示航天飛機將取代運載火箭發(fā)射美國以后的所有太空載荷，并下決心推動計劃的成功。NASA正在進行一次豪賭，他們寄希望于航天飛機在全面運作后能大幅降低發(fā)射成本。但其中最大的問題是，這一切都基于全新的、復(fù)雜的、未經(jīng)驗證的技術(shù)。

光憑NASA的太空任務(wù)并不能滿足航天飛機的胃口，讓航天飛機進行商業(yè)發(fā)射是個好主意。不過眼前還有一個麻煩，那就是NASA無權(quán)控制軍事發(fā)射，為了實現(xiàn)較高的發(fā)射率就必須把美國空軍拉上船，讓航天飛機成為名副其實的國家級航天器。

誰知空軍高層對航天飛機的態(tài)度很冷淡，除非該機能滿足軍方的載荷要求，否則不予考慮。美國空軍的有效載荷要求幾乎是NASA設(shè)想的兩倍半——達到了33噸，這意味著航天飛機要做得更大。此外，美國空軍還要求航天飛機能在緊急返航種降落在保密基地，不想讓飛機裝著機密裝備到處降落，所以對航天飛機再入大氣層后的橫向機動能力要求大增。軍方甚至要求NASA對整個航天飛機計劃進行保密，喬治•穆勒斷然拒絕了這一要求。

付出了航天飛機研制大大復(fù)雜化的代價后，NASA只獲得了空軍的一紙承諾。盡管美國空軍會在范登堡空軍基地建造航天飛機發(fā)射設(shè)施，但不會為航天飛機研制撥一分錢。NASA覺得范登堡基地地理位置很不錯，航天飛機在這里發(fā)射能更有效率地進入極地軌道�？哲娺�明確表示會保留“泰坦”運載火箭的發(fā)射能力作為備份，他們不打算讓美國的軍事太空計劃完全受制于未經(jīng)證實的新技術(shù)。而且空軍要求優(yōu)先使用航天飛機執(zhí)行軍事任務(wù)，當(dāng)然他們提出的發(fā)射頻率聽起來并不難滿足。

范登堡空軍基地位于加州

就在NASA四處尋求支持時，航天飛機的研制資金卻遭遇縮水。1971年5月，美國國會的“管理與預(yù)算辦公室”(OMB)向NASA增加的預(yù)算要求揮出了大斧。NASA不得不修改航天飛機的設(shè)計以滿足成本目標，從而能繼續(xù)推動該計劃的實施。NASA的努力最終沒有白費，1972年1月5日尼克松總統(tǒng)批準了航天飛機計劃，就是在十年前，肯尼迪總統(tǒng)批準了“阿波羅”計劃�，F(xiàn)在NASA又有一個新目標，一開始計劃制造7架航天飛機。

取得實質(zhì)性進展

這一階段航天飛機設(shè)計與B階段相比在性能上多少有縮水。軌道器沿用先前的設(shè)計理念，是一個機身截面為方形的雙三角形下單翼飛行器，尾部有一片高大的單垂尾，之所以選擇面積較大的雙三角翼是為了滿足美國空軍橫向機動要求。航天飛機前端是飛機風(fēng)格的駕駛艙與乘員艙，之后是一個大型貨艙。貨艙門分成左右兩扇向上打開，可完全暴露出有效載荷。最終，北美羅克韋爾公司獲得了軌道器的合同。

軌道器沿用先前的設(shè)計理念，是一個機身截面為方形的雙三角形下單翼飛行器，尾部有一片高大的單垂尾

航天飛機前端是飛機風(fēng)格的駕駛艙與乘員艙，之后是一個大型貨艙

最終，北美羅克韋爾公司的方案獲得了軌道器的合同

但是NASA拋棄了可飛回助推器設(shè)計。鑒于現(xiàn)階段軌道器的尺寸，可飛回助推器要制造得比巨型客機都大，滿足性能要求就要面對巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。所以NASA用捆綁在軌道器兩側(cè)的兩個巨大的固體火箭推進器(SRB)取代了可飛回助推器。SRB固體火箭推進器耗盡燃料脫離后會打開降落傘濺落海洋，然后經(jīng)翻新后再次使用。齊柯爾公司獲得了SRB固體火箭推進器的研制合同。一開始有人認為采用捆綁式液體燃料助推器將有更好的性能，但最后因為比較昂貴而選擇了固體火箭。馬丁•瑪麗埃塔公司負責(zé)制造連接在軌道器腹部的大型外部燃料箱，向軌道器尾部的三臺航天飛機主發(fā)動機(SSME)提供液體燃料，這些發(fā)動機則由羅克達因公司制造。

航天飛機設(shè)計在1972-1974年間的演進，NASA已經(jīng)拋棄了可飛回助推器設(shè)計

SRB固體火箭推進器結(jié)構(gòu)圖

大型外部燃料箱結(jié)構(gòu)圖@

SSME發(fā)動機燃燒液氫和液氧，每臺最大推力2090千牛(213噸)，是“土星”V運載火箭J-2型發(fā)動機推力的兩倍多。SSME發(fā)動機只負責(zé)把軌道器推出大氣層，一旦進入太空后軌道器就切換到軌道機動系統(tǒng)(OMS)推進，后者是麥道公司制造的兩臺火箭發(fā)動機，安裝在垂尾兩側(cè)。軌道器沒有配備噴氣發(fā)動機，滑翔返回地球并降落在跑道上。這種方式已經(jīng)在升力體上進行了驗證，并且在以后實際操作中也被證明是成功的。

航天飛機尾部有三臺SSME和兩臺OMS發(fā)動機

這是一臺完整的SSEM

OMS鼓包內(nèi)部的燃料罐

OMS結(jié)構(gòu)圖

航天飛機不僅能把載荷發(fā)射入太空，原則上也能從太空捕獲載荷帶回地球。不過航天飛機只能達到低地球軌道，NASA為此也設(shè)想了安裝補充助推器把有效載荷送入更高的軌道，甚至是行星際軌道。

航天飛機能在太空滯留相當(dāng)長的一段時間，所以可以被當(dāng)成空間站使用。歐洲航天局(ESA)決定研制一個能裝入航天飛機貨艙中的太空實驗室，實驗室包括一個供研究人員進行試驗的加壓艙，以及安裝在貨艙后方托架上的控制儀器和實驗系統(tǒng)，當(dāng)然也可以只安裝托架。1973年8月14日，NASA和ESA正式簽署了太空實驗室研制諒解備忘錄。

歐洲航天局(ESA)太空實驗室設(shè)計

歐洲航天局的太空實驗室任務(wù)/載荷專家們

NASA也打算支持小型業(yè)余和學(xué)校的太空研究項目，可以利用航天飛機貨艙的空余空間發(fā)射他們的GAS小型自主裝置。為了獲得廣泛的公眾支持，NASA也打算邀請政客、記者、平民、甚至是外國國民加入機組參加太空飛行。

GAS小型自主裝置罐，用于容納千奇百怪的太空實驗裝置

人們對航天飛機的設(shè)計還是有許多顧慮，有人指出SRB固體火箭推進器在點火后就不可能被關(guān)閉，一旦出事將會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。但NASA還是決定不給航天飛機配備完整的乘員救生系統(tǒng)，僅僅是因為該系統(tǒng)會增加約3000萬美元的成本，所以航天飛機成為美國第一種沒有完善救生設(shè)施的載人航天器。

航天飛機原計劃安裝的彈射救生系統(tǒng)，正副飛行員有單獨的彈射座椅，其他乘員則依靠彈射救生艙逃生

航天飛機的硬件龐大復(fù)雜、未經(jīng)驗證。任何工程師都能看出來發(fā)展這樣一個雄心勃勃的計劃而不經(jīng)中間系統(tǒng)的驗證純粹就是自找麻煩。實際上休斯敦約翰遜航天中心的一隊人馬一直在推動首先研制一種較簡單的可重復(fù)使用航天器，但因為政治原因而被否決。NASA也從技術(shù)和財政角度審視了發(fā)展只能把小型載荷送入軌道的第一代航天飛機的問題，但覺得該方案過于保守。由于低成本，該項目也不會使NASA獲得較高的預(yù)算支持，所以缺乏任何吸引力。

不管怎樣，NASA似乎已經(jīng)在生存之戰(zhàn)中獲勝。航天飛機的撥款在1972財年是1億美元，到1973財年正式開始發(fā)展時增加到1.99億美元。然后，1974財年攀升至4.75億美元，1975財年是7.975億美元，1976財年是12億美元。但僅靠加大資金投入是不夠的，航天飛機的研制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，該計劃也沒有獲得來自政界或軍方的熱情支持�？傊�，NASA獲得了天時地利，卻失去了人和。

遭遇的問題

盡管航天飛機計劃存在諸多不足，但NASA仍堅定推進研制工作。航天飛機是一個非常雄心勃勃的設(shè)計，不僅采用了大量全新技術(shù)，而且預(yù)算也不足，所以研制工作遭遇了困境。

其中最大的難點是航天飛機SSME主發(fā)動機。羅克達因公司的保羅•卡斯滕霍爾茨負責(zé)SSME發(fā)動機項目，他曾領(lǐng)導(dǎo)了“土星”五號的J-2發(fā)動機的研制計劃，經(jīng)驗豐富。一開始SSME發(fā)動機的研制進展看上去很順利，1974年5月第一臺完整的SSME樣機被架在試車臺上開始首次試車，按計劃成功運行了半秒鐘。

正在測試中的SSME發(fā)動機

誰知道發(fā)動機在持續(xù)最大推力測試中出了問題，無法達到最大推力狀態(tài)。其中最主要的原因是輸送推進劑的渦輪泵功率不足，盡管渦輪泵的最大功率達56700千瓦(76000馬力)，但還是無法滿足SSME發(fā)動機對推進劑的渴求。

一臺RS-25 SSME發(fā)動機有4臺渦輪泵

高壓燃料渦輪泵結(jié)構(gòu)圖

這些渦輪泵中的液氫泵還遭遇其他一系列的麻煩，第一個問題是驅(qū)動軸會在軸承支座中振動，花了八個月的時間來解決。然后是軸承冷卻系統(tǒng)問題，軸承是由泵送的液氫冷卻，但事實證明冷卻通道設(shè)計不足，于是又花了六個月重新設(shè)計。最后渦輪葉片又出現(xiàn)了裂紋，最后查明是振動導(dǎo)致，也花了六個月的時間來解決。

渦輪泵中的液氧泵也是問題纏身，在試車中出過導(dǎo)致SSME發(fā)動機起火的重大故障。要知道高壓液氧只要有一點泄漏就會導(dǎo)致燃燒，發(fā)動機起火后會燒的什么也不剩，無法讓設(shè)計團隊分析故障原因。最后設(shè)計師們發(fā)現(xiàn)了液氧泵的一個旋轉(zhuǎn)密封圈因意想不到的摩擦而出現(xiàn)泄漏，在安裝新的密封圈后解決了這個問題。之后設(shè)計團隊又發(fā)現(xiàn)液氧泵的軸承也有振動問題，同樣會引發(fā)火災(zāi)。在花很大代價進行修改后，渦輪泵的問題被逐漸解決。

航天飛機模型的風(fēng)洞測試

到1977年春，大多數(shù)渦輪泵問題都已得到了解決，但沒人覺得研制工作已經(jīng)走出困境。按照原計劃，航天飛機在1978年3月就要進行首次發(fā)射，但所有人都知道這已不可能。雪上加霜的是，國會預(yù)算辦公室此時又宣布削減3億美元的航天飛機計劃經(jīng)費。NASA能做的就是提出“以成功為導(dǎo)向的管理”官僚政策，也就是說，航天飛機此時已經(jīng)變成了一個事先假定所有一切都會順利進行的烏托邦計劃，然后所有人都屏住呼吸，祈禱不出事情。

1978年3月很快來臨，此時已經(jīng)沒人指望航天飛機能按時發(fā)射了。1978年12月，一臺SSME發(fā)動機在靜態(tài)測試時炸毀，追蹤到液氧閥和熱交換器出現(xiàn)了問題。閥門故障很容易理解和解決，但熱交換器的問題則令人費解，難以明確原因。

1979年5月和7月，又接連發(fā)生事故，不過設(shè)計團隊已經(jīng)找出了發(fā)動機問題所在，正在攻關(guān)解決。航天飛機要安裝三臺SSME發(fā)動機，所以下一步靜態(tài)測試是三臺發(fā)動機聯(lián)合試車。1979年11月，一次聯(lián)合測試失敗，隨后在12月終于完成了一次成功測試。

正在安裝SSME的航天飛機

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