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太空梭,又稱為太空梭或太空穿梭機。是可重複使用的、往返於太空和地面之間的航天器,結合了飛機與航天器的性質。它既能代表運載火箭把人造衛星等航天器送入太空,也能像載人飛船那樣在軌道上運行,還能像飛機那樣在大氣層中滑翔著陸。太空梭為人類自由進出太空提供了很好的工具,它大大降低航天活動的費用,是航天史上的一個重要里程碑。1989年10月18日,美國「亞特蘭蒂斯」號太空梭向太空施放了「伽利略」號木星探測器。

1 太空梭 -簡介

太空梭 發射太空梭 發射

太空梭,是一種新型的多功能航天器,是承運衛星等航天器材到達太空的重要工具。太空梭集火箭,衛星和飛機的技術特點於一身,它能像火箭那樣垂直發射進入空間軌道,又能像衛星那樣在太空軌道飛行,還能像飛機那樣再入大氣層滑翔著陸,隨著科學技術的發展,太空梭已成為發射火箭衛星上天的重要載體。

作為一種可重複使用的天地往返運輸器,太空梭是現代火箭、飛機、飛船三者結合的產物。它能像火箭一樣垂直起飛,像飛船一樣繞地球飛行,像飛機一樣水平著陸。

目前世界上太空梭已經研製成功並投入運行的國家只有美國和前蘇聯,前蘇聯的太空梭與美國的航天機基本上相似。美國航天器自1981年首次發射成功至今已成功完成了 100 多次空間飛行任務。

太空梭是人類有史以來建造的最複雜的機器,強大的運載能力使其成為獨一無二的航天器。正是在太空梭強大運載能力支持下,人類才有可能一步步修建國際空間站——這個世界上最大的太空軌道實驗室,為人類未來登陸月球、奔向火星乃至更廣闊的宇宙空間鋪平了道路。

太空梭太空梭

太空梭是世界上唯一的可重複使用的航天運載器。70-80年代,美國、蘇聯、法國和日本等國相繼開始研製太空梭,但由於技術和資金等原因,到目前只有美國研製的太空梭投入使用。太空梭用途廣泛,可進行空間交會、對接、停靠、空間科學實驗、發射回收或檢修衛星。它曾在空間捕獲一顆未能進入同步軌道的國際通信衛星6號,進行修理后,又把它送入同步軌道。它還發射過並三次整修哈勃空間望遠鏡。太空梭通常可乘7人,飛行時間一般在2周以下,最長可達28天。

目前太空梭的主要任務是向國際空間站運送宇航員和各種建設用部件和補養。美國原設想使用可多次重複使用的太空梭可以節約花費。但結果全然不同,每架太空梭的研製費非常高,最新的奮進號研製費達20億美元,而且每次發射費用1億多美元。因此至今只做了6架太空梭,其中一架企業號為樣機,另外有五架工作機,分別是哥倫比亞號、挑戰者號、發現號、阿特蘭蒂斯號和奮進號。太空梭的可靠性還是非常高,自1986年1月挑戰者號發射失敗后一直到2002年4月為止已成功飛行過110次。2005年7月26日任務STS-114——哥倫比亞號解體意外后首次太空梭返回太空任務。

2 太空梭 -飛行原理

太空梭內部構造太空梭內部構造
太空梭由軌道飛行器、固體火箭助推器和外掛貯箱3大部分組成,太空梭起飛的動力源自兩台巨大的集束式助推器和3台液體推進劑。在這些起飛動力裝置中,中心部分是一個外形像一架三角翼滑翔機的軌道飛行器,它垂直發射,是太空梭飛行時必不可少的配件,它在進入地球大氣層后像普通飛機那樣下滑著陸。

太空梭在起飛時,利用外掛貯箱內的液氫推進劑作為主發動機的動力,貯箱隨著推進劑的使用完畢而投棄,另外,太空梭還依據軌道飛行器順利飛行;一般情況下,太空梭的軌道飛行器可使用次數在100次以上,它有一個巨大的貨倉,可以作為衛星及其他材料的存儲點;大規模的太空作業時,還可將外掛貯箱帶入軌道,作為航天站的核心部分。

飛行高度在1000公里以下是太空梭近地軌道的飛行高度,向國際空間站運送宇航員和各種建設用部件和補養是目前太空梭的主要任務,因為太空梭的運載能力比較大,所以太空梭往往採用多級組合形式,在需要高軌道運行有效載荷的時候,還可以由太空梭將其送上近地軌道后再從這個軌道發射,使其進入高軌道,以完成最終任務。

3 太空梭 -組成部件

太空梭採用模塊化設計,整個系統包括三大模塊: 

太空梭太空梭組成

外部燃料箱 

外表為鐵鏽顏色,主要由前部液氧箱、後部液氫箱以及連接前後兩箱的箱間段組成。外部燃料箱負責為太空梭的3台主發動機提供燃料。外部燃料箱是太空梭三大模塊中唯一不能重複使用的部分,發射后約8.5分鐘,燃料耗盡,外部燃料箱便被墜入到大洋中。

一對固體火箭助推器 

這對火箭助推器中裝有助推燃料,平行安裝在外部燃料箱的兩側,為太空梭垂直起飛和飛出大氣層進入軌道,提供額外推力。在發射后的頭兩分鐘內,與太空梭的主發動機一同工作,到達一定高度后,與太空梭分離,前錐段里降落傘系統啟動,使其降落在大西洋上,可回收重複使用。 

軌道器 

即太空梭,它是整個系統的核心部分。軌道器是整個系統中惟一可以載人的、真正在地球軌道上飛行的部件,它很像一架大型的三角翼飛機。它的全長37.24m,起落架放下時高17.27m;三角形后掠機翼的最大翼展23.97m;不帶有效載荷時質量68t,飛行結束后,攜帶有效載荷著陸的軌道器質量可達87t 。它所經歷的飛行過程及其環境比現代飛機要惡劣得多,它既要有適於在大氣層中作高超音速、超音速、亞音速和水平著陸的氣動外形,又要有承受再人大氣層時高溫氣動加熱的防熱系統。因此,它是整個太空梭系統中,設計最困難,結構最複雜,遇到的問題最多的部分。

軌道器由前、中、尾三段機身組成,如圖所示。前段結構可分為頭錐和乘員艙兩部分,頭錐處於太空梭的最前端,具有良好的氣動外形和防熱系統,前段的核心部分是處於正常氣 壓下的乘員艙。這個乘員艙又可分為三層:最上層是駕駛台,有4個座位,中層是生活艙,下層是儀器設備艙。乘員艙為航天員提供寬敞的空間,航天員在艙內可穿普通地面服裝工作和生活。一般情況下艙內可容納4~7人,緊急情況下也可容納10人。

太空梭的中段主要是有效載荷艙。這是一個長18m ,直徑4.5m,容積300m3的大型貨艙,一次可攜帶質量達29t 多的有效載荷,艙內可以裝載各種衛星、空間實驗室、大型天文望遠鏡和各種深空探測器等。為了在軌道上施放所攜帶的有效載荷或回收軌道上運行的有效載荷,艙內設有一或二個自動操作的遙控機械手和電視裝置。機械手是一根很細的長桿,在地面上它幾乎不能承受自身的重量,但是在失重條件下的宇宙空間,卻可以迅速而靈活地載卸10t多的有效載荷。太空梭中段機身除了提供貨艙結構之外,也是前、後段機身的承載結構。

太空梭的後段比較複雜,主要裝有三台主發動機,尾段還裝有兩台軌道機動發動機和反 作用控制系統。在主發動機熄火后,軌道機動發動機為太空梭提供進入軌道、進行變軌機動和對接機動飛行以及返回時脫離軌道所需要的推力。反作用控制系統用來保持太空梭的飛行穩定和姿態變換。除了動力裝置系統之外,尾段還有升降副翼、襟翼、垂直尾翼、方向舵和減速板等氣動控制部件。

外燃料箱
外燃料箱,英文縮寫ET,它是軌道器的「煤氣罐」,是太空梭必不可少的重要部件之一;外燃料箱裝的是太空梭主發動機使用的推進劑,也是太空梭惟一不能重複使用的部件。

在發射時,為附加裝置----固體燃料推進器和軌道器提供結構支撐。升空大約8.5分鐘后,推進劑耗盡,外燃料箱被拋開,與軌道器分離,使命完成。

太空梭外燃料箱
外燃料箱有三個主要部件,它們分別是:氧燃料箱、氫燃料箱和燃料箱,氧燃料箱位於太空梭的前部,氫燃料箱位於太空梭的后不,而燃料箱位於太空梭的中部;後者將兩個推進燃料箱連在一起,儀錶和燃料處理設備也在中間箱里,同時,它也為固體火箭助推器前端提供附著結構。

外燃料箱的皮膚由執保護系統覆蓋。熱保護系統是一層2.5厘米(1英寸)厚的聚氨酯泡沫塗料,作用是將推進劑維持在一個可接受的溫度,保護皮膚表面不會因為與大氣摩擦產生的高溫損壞,也將表面結冰的可能性降至最低。氫燃料箱的體積是氧燃料箱的2.5倍,但完全灌滿燃料后,其重量只有後者的三分之一,這是因為液態氧的密度是液態氫的16倍。

外燃料箱包括一個推進劑輸出系統,將推進推輸送到軌道器的發動機里;一個加壓與通風系統,負責調控燃料箱的壓力;環境調節系統,負責調控溫度,補充中間燃料箱區域的大氣;還有一個電子系統,負責分配電力、儀錶信號,提供閃電保護。

軌道飛行器

軌道飛行器是太空梭整個系統的靈魂,它與一架DC-9飛機的大小和重量差不多,包括加壓乘員艙(通常可以乘載7名宇航員)、巨大的貨艙以及安裝在其尾部的三個主發動機。

位於機身的前部是駕駛艙、生活艙和實驗操作站,機身中部的有效載荷艙是容納各種貨物的地方,而軌道器的主發動機和機動推進器則在機身尾部。

太空梭降落過程中的太空梭軌道飛行器
機身前部

駕駛艙、生活艙和實驗操作站在機身前部,這一部分有一個加壓的乘員艙,並為機頭部分、前起落架和前起落架輪艙和門提供支持。

乘員艙

它由三部分組成,分別是加壓的工作間、生活間和儲存間,乘員艙由駕駛艙、中艙/設備艙和一個氣密過渡通道組成。乘員艙的空間為65.8立方米,在軌道器的前部。在乘員艙后艙壁外面的有效載荷艙里,可以安裝一個對接艙和一個有接頭的轉移通道,以方面對接、乘員進入實驗室和到艙外活動。兩層的乘員艙前部有一個駕駛艙,機長的座位在駕駛艙的左邊,飛行員的座位在右邊。

駕駛艙
駕駛艙通常設計成駕駛員/副駕駛員都可操作模式,這樣在任何一個座位上都可以駕駛軌道器,也可以執行單個人的緊急返回任務。每個座位上都有手動飛行控制器,包括旋轉和轉換駕駛桿、方向舵踏板和減速板控制器。駕駛艙里可以坐4個人。

軌道顯示器和控制器在駕駛艙/乘員艙的尾部,左邊的軌道顯示器和控制器是用來操縱軌道飛行器的,右邊的軌道顯示器和控制器是用來操縱有效載荷的。在駕駛艙里共有2020多個分散的顯示器和控制器。

中艙
中艙有為4個乘員睡眠室準備的物資和儲藏設施,中艙還存有氫氧化鋰單人救生器呼吸袋和其它裝置、廢物管理系統、個人衛生間和工作桌/餐桌。

機身尾部

機身尾部包含左右軌道操縱系統、太空梭主發動機、機身襟翼、垂直尾翼和軌道飛行器/外燃料箱的後部配件。前艙壁將機身尾部與中部隔開,艙壁的上層部分聯接在垂直尾翼上,內部承受推力結構支持太空梭的三個主發動機、低壓渦輪泵和推進劑輸送管。

太空梭主發動機
太空梭太空梭主發動機

太空梭主發動機是太空梭的重要部件,它與固體燃料火箭助推器聯接在一起的三個主發動機在最初上升階段為軌道飛行器提供推力,使之脫離地球引力。在發射后,主發動機繼續運作8.5分鐘左右,這段期間是太空梭用動力推動飛行。

在太空梭加速時,主發動機會燃燒掉50萬加侖的液態推進劑,這些推進劑由巨大的橙色外掛燃料箱提供,主發動機燃燒液氫和液氧,而液氫是世界上第二最冷的液體,溫度在零下華氏423度(攝氏零下252.8度)。當固體燃料火箭被拋開后,主發動機提供的推力將太空梭的速度在6分鐘里從每小時4,828公里提高到每小時27,358公里以上並進入飛行軌道。

發動機一開始排放的是氫和氧合成的水汽。主發動機在分階段燃燒周期內使用高能推進劑產生推力,推進劑的一部分在雙重預燒器里消耗掉,產生高壓熱氣,推動渦輪泵。燃燒是在主燃燒室完成的,主發動機燃燒室里的溫度可達到華氏6000度(攝氏3315.6度)。每個太空梭的主發動機使用的液氧/液氫比例是6比1,產生水平推力179,097千克(375,000磅)、垂直推力213,188千克(470,000磅)。

發動機產生的推力可在65%至109%的範圍內調節,這樣,點火發動和初始上升階段可以有更大的推力,而在最後的上升階段減少推力,將加速度限制在3g以下。在上升階段,發動機的萬向接頭(平衡架)可提供傾斜、偏航和滾動控制。

4 太空梭 -太空梭大事記

太空梭發展歷程

1981年4月12日,第一架實用太空梭「哥倫比亞」號首次升空,兩天的飛行主要驗證其安全發射和降落的能力,這開創了人類航天的一個新時代。

1983年8月30日,「挑戰者」號太空梭首次實現黑夜發射,6天後又在黑夜降落,宇航員隊伍中的布拉福德是第一位「登天」的黑人。

1984年2月3日,「挑戰者」號再次發射,在7天的飛行任務中宇航員首次進行了不系帶的太空行走,此後宇航員「太空漫步」成為太空梭任務中經常出現的畫面。

1984年10月5日,又是「挑戰者」號,首次搭載了7名宇航員升空,其中女宇航員凱瑟琳·蘇利文成為第一位太空行走的女性,從此太空梭經常運送7名宇航員。

1986年1月28日,「挑戰者」號在升空73秒后爆炸,7名宇航員全部罹難,此後美宇航局暫停了太空梭發射任務。

1988年9月28日,「發現」號在太空梭任務中止32個月後升空,5名宇航員釋放了一顆衛星,並完成了幾項科學實驗,這標誌著太空梭項目再次走上正軌。

1990年4月24日,「發現」號太空梭將「哈勃」太空望遠鏡送上軌道,人類有了觀察遙遠宇宙的「火眼金睛」。

1992年9月12日,「奮進」號升空,這架太空梭成為宇航員馬克·李和簡·戴維斯的「婚禮特快」,這兩位宇航員是第一對在太空締結良緣的夫婦。

1995年6月27日,「亞特蘭蒂斯」號發射,它實現了太空梭和俄羅斯的「和平」號軌道空間站首次對接,美國和俄羅斯宇航員在外太空互相「串門」,新聞評論說「冷戰」已在地球之外結束。

1996年11月19日,「哥倫比亞」號發射,共飛423小時53分鐘,創造了太空梭停留外太空時間最長的記錄。

1998年10月29日,「發現」號搭載著77歲的參議員約翰·格倫起飛。格倫是曾搭乘「水星」飛船升空的美國首名宇航員,這次他又成為最高齡的「太空人」。

1999年7月23日,「哥倫比亞」號發射,這次指揮它的是艾琳·柯林斯,標誌著女性首次成為太空梭的機長。

2003年2月1日,「哥倫比亞」號在返回地面過程中於空中解體,7名宇航員全部罹難。

2005年8月9日,美國「發現」號太空梭在 美國加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地安全降落,結束了長達14天的太空之旅。這是自「哥倫比亞」號太空梭失事後,美國太空梭首次順利地重返太空,並且平安回家。

2006年17日,發現號太空梭在佛羅里達州肯尼迪航天中心成功著陸。此次發現號順利完成國際空間站維修和建設任務,並為國際空間站送去一名宇航員。

太空梭的經典時刻

1981年4月12日,第一架實用太空梭「哥倫比亞」號首次升空,開創了人類航天的一個新時代。

1983年8月30日,「挑戰者」號太空梭首次實現黑夜發射,6天後又在黑夜降落,宇航員隊伍中的布拉福德是第一位「登天」的黑人。

1984年2月3日,「挑戰者」號再次發射,在7天的飛行任務中宇航員首次進行了不系帶的太空行走。

1984年10月5日,「挑戰者」號首次搭載了7名宇航員升空,其中女宇航員凱瑟琳·蘇利文成為第一位太空

行走的女性。從此,太空梭經常運送7名宇航員。

1986年1月28日,「挑戰者」號在升空73秒后爆炸,7名宇航員全部罹難。此後,美宇航局暫停了太空梭

發射任務。

1992年9月12日,「奮進」號升空,成為宇航員馬克·李和簡·戴維斯的「婚禮特快」。這兩位宇航員是

第一對在太空喜結良緣的夫婦。[1]

1995年6月27日,「亞特蘭蒂斯」號發射,實現了與俄羅斯的「和平」號軌道空間站首次對接。

1996年11月19日,「哥倫比亞」號發射,共飛行423小時53分鐘,創造了太空梭停留外太空時間最長的

紀錄。

2003年2月1日,「哥倫比亞」號在返回地面過程中於空中解體,7名宇航員全部罹難。

2005年7月26日,「發現」號升空,這是自「哥倫比亞」號空中災難性解體以來美國太空梭的首航。8月

9日,「發現」號安全返回。

5 太空梭 -終結

「阿特蘭蒂斯」號太空梭落地「阿特蘭蒂斯」號太空梭落地

 2011年7月8日,「阿特蘭蒂斯」號從美國佛羅里達州肯尼迪航天中心升空,執行美國太空梭項目第135次也是最後一次飛行。 

美國「阿特蘭蒂斯」號太空梭於美國東部時間2011年7月21日晨5時57分(北京時間21日17時57分) 在佛羅里達州肯尼迪航天中心安全著陸,結束其「謝幕之旅」,這寓意著美國30年太空梭時代宣告終結。

6 太空梭 -列表

美國

美國是世界上第一個擁有與實際操作太空梭的國家,也是機隊陣容最龐大的國家。美國的太空梭大多是以歷史上有名的觀測船作為命名,其建造過的太空梭包括如下:

阿特蘭蒂斯號太空梭(即將退役,2011年7月8日最後一次任務)

挑戰者號太空梭- 發射過程中爆炸

哥倫比亞號太空梭- 返回地球進入大氣時解體

發現號太空梭

奮進號太空梭

前蘇聯

暴風雪號太空梭 - 暴風雪太空梭計劃是蘇聯時代為了與美國進行太空軍備競賽所發展的計劃,在蘇聯解體后不久此計劃也宣告正式終結,殘存的設備歸屬蘇聯時代的航天中心所在

英國一家公司研製新型太空梭可進入外太空,4小時內到達地球的任何地方。該公司聲稱目前已排除所有技術性障礙英國一家公司研製新型太空梭可進入外太空,4小時內到達地球的任何地方。該公司聲稱目前已排除所有技術性障礙

地哈薩克共和國擁有。暴風雪計劃中共有五架太空梭實際上已開始建造,但是只有第一架的暴風雪號真正被完成並且順利發射升空與回收,而包括二號機小鳥號在內的其他幾架蘇聯太空梭全都是以未完成的姿態停止建造。

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