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第21章 航天飞行器科技大观(2)

载人飞船则具有结构简单、技术成熟、研制周期短、成本低等特点。因此,选择载人飞船还是航天飞机,对任何一个国家来说,要根据本国国情、国力等来做决策,我国就是根据国情、国力等走载人飞船的道路,走高起点的载人飞船道路!事实证明是正确的。而能重复使用的载人飞船正在考虑之中,它的出现只是时间问题。

“挑战者号”航天飞机

“挑战者号”航天飞机是肯尼迪航天中心发射的第2架航天飞机,“挑战者”的名字来源于英国海军的一艘研究船,19世纪70年代,该船曾在大西洋和太平洋中航行过。

同其前任一样,“挑战者号”航天飞机为美国的航天科学发展作出了巨大贡献。1982年,“挑战者号”开始正式服役,在完成了9次成功飞行后,1986年1月28日,载着7名成员的“挑战者号”在发射73秒后爆炸,这一惨剧震惊了世界。其实,“挑战者号”航天飞机最初只被设计为用于进行可靠性测试(STA-099)。在当时的条件下经过减重改进后的机体结构根本无法通过计算得到每一部件的受力情况,因此唯一保险的方法就是利用实验进行测试。“挑战者号”最初就是扮演这样的角色。

1978年2月4日,罗克韦尔公司完成“挑战者号”主框架后送交洛克希德公司第42车间进行结构测试,实验在专门为航天飞机设计的重达43t的试验台上进行了11个月,试验台上有256个液压杆,作用于836个载荷作用点,在计算机的控制下,基本可以模拟航天飞机在发射、爬升、入轨和着陆时的载荷状态。3个100万磅重的液压装置模拟主发动机的推力。此外,还进行罗克韦尔公司原本被授权花费26亿美元建造两架航天飞机用于静态测试。1978年,美国政府决定不把“企业号”投入运营,这将导致当时的美国只有“哥伦比亚号”一艘可用的航天飞机。1979年1月29日,NASA决定同罗克韦尔公司追加合同,将“挑战者号”改造为用于太空飞行的航天飞机。“挑战者号”于1979年11月7日返回罗克韦尔公司,开始了转为专用轨道飞行器的过程,这次改动规模仍非常大。为了将“挑战者号”上原先安装的伪成员舱改为可用,机身要进行大改;而机翼也必须经过加强才能抵消实验测试带来的破坏;座舱中还要加入两个显示屏。

“挑战者号”空重70.5吨,装上发动机后重79.43吨,比“哥伦比亚号”

轻1.31吨。发生爆炸之前,“挑战者号”航天飞机共完成了9次飞行,在轨道上飞行了987圈,太空飞行时间为69天。

太空望远镜和着名的“哈勃太空望远镜”

地球周围被一层厚厚的大气所包围。这层大气是人类赖以生存繁衍的根本。

没有它,地球就会像月球那样成为一个没有生命的死寂世界。但是,这层厚厚的大气却为天文观测设置了重大的障碍。这层大气使天文观测受到歪曲,使精确度大打折扣。天文学家为了尽量减少大气层的影响,往往要把天文台建筑在人迹罕至的高山上,理由很简单,就是为了在那里可以得到比较多的晴天,具有比较稳定的大气环境,为天文观测创造有利的条件。然而,即使是在高山上也远远比不上将望远镜架设在地球轨道上来得好,它不仅可以比在地面看到更多的天体和细节,而且观测的距离会更深远。为此,美国航空航天局决定要建造这样一架架设在太空中的天文望远镜。

太空望远镜要完成的使命包括以下几个方面。

一是测定宇宙的距离;二是测定宇宙的年龄,因为太空望远镜若能看到一百多亿光年或更远的地方,那或许就能看到一百多亿年的情景;三是洞察宇宙的命运,宇宙怎样发展下去;四是推测宇宙星系的变化,因为有了太空望远镜,就能使我们看到不同年龄的星系,从而可以描绘出星系变化的图像;五是寻找地球以外的行星系,也就是去寻找其他的太阳系。现在已知银河系中就有2000亿颗恒星,除了太阳系难道别的恒星周围就没有行星?若有行星,那么这个“新太阳系”中是否也有生命?有了太空望远镜,肯定会找到类似于人类居住的太阳系,因为它“站得高,看得远”;六是探测黑洞,由于黑洞有无比巨大的吸引力,能把周围一切物质吸进去,因此对黑洞无法直接观测,只能通过黑洞的温度变化和能量辐射被太空望远镜侦察出来;七是探测类星体,类星体处在十分遥远的空间,很难看到它的本来面目(在地面上观测,类星体只是一个点),依靠太空望远镜或许能揭开它的神秘面纱;八是从太空中观测太阳系,比在地球上观测要清楚得更多更多。还可以提出一些其他的探测内容。可以这样说,太空望远镜肩负着帮助人类进一步认识宇宙太空的重大使命。

“哈勃太空望远镜”

“哈勃太空望远镜”是美国航空航天局主持建造的一座巨型空间天文台,也是迄今为止在天文观测项目中投资最多、最受关注的一架太空望远镜。为纪念杰出的天文学家哈勃而定名为“哈勃太空望远镜”。

“哈勃太空望远镜”

自1994年发射入太空后,至今近二十年的时间里虽然数度身患“重症”,但均“妙手回春”。它在空间观测中立下了丰功伟绩,取得了一系列极有价值的发现,例如,它观测的最远距离已达140亿光年。并证明在某些星系中央存在超高质量黑洞;拍摄到第一幅太阳系外的行星图像;对千载难逢的“彗木相撞”做了详细的观测;对火星等太阳系行星的气候情况进行了研究等。因此,“哈勃太空望远镜”大大增进了人类对宇宙的了解,使天文学家有可能跟踪宇宙发展的历史。

哈勃太空望远镜的主要数据如下:

镜筒长度13.3米,镜筒直径4.3米,总重量1.16万千克,主镜直径2.4米,副镜直径0.34米,预计寿命约15年。

可观测范围:可见光、紫外光与红外光。

太阳能电池板面积:11.8米伊(2~3)米。

轨道高度:600千米。

绕地球一周:95分钟。

能看到的最暗天体:30星等(约相当于人眼视力的40亿倍)。

哈勃太空望远镜主要组成件:主镜、副镜、精密导光器、恒星追踪器、无线电天线、科学仪器,太阳能电池板等。

哈勃太空望远镜的简要工作过程如下。

太空中的微弱星光首先进入直径2.4米的主镜,然后通过主镜集光再反射到0.34米直径的副镜上,再通过主镜中央的小孔聚焦在观测仪器上。恒星追踪器可以保证星象的位置准确稳定,精密导光器可使星象十分清楚。其他各种仪器可根据不同的目的开展有关工作,通过无线电天线接收地面指令。太阳能电池板提供望远镜工作所需的能源。

探索空间站

由于宇宙飞船体积较小,人在飞船上的行动不便,在太空停留的时间又不长,不能携带太多的科学仪器设备进行科研活动,而且一个接一个的发射也耗费了巨额资金和大量的人力、物力。为了开发太空,人们需要建立长期生活和工作的基地。这就迫使人们考虑建造体积更大、活动更自由的飞船,以便装上更多的生活用品和仪器设备,送上轨道长期运行。在这种情况下,空间站就应运而生了。

空间站是一种在近地轨道长时间运行,可供多名航天员在其中生活工作和巡访的载人航天器。小型的空间站可一次发射完成,较大型的可分批发射组件,在太空中组装成为整体。在空间站中要有人能够生活的一切设施,不再返回地球。

到目前为止,全世界已发射了9个空间站。其中苏联共发射8座,美国发射1座。

苏联是首先发射载人空间站的国家。其“礼炮1号”空间站在1971年4月发射,后在太空与“联盟号”飞船对接成功,有3名航天员进站内生活工作近24天,完成了大量的科学实验项目,但这3名航天员乘“联盟11号”飞船返回地球过程中,由于座舱漏气减压,不幸全部遇难。

1986年2月20日,苏联发射了“和平号”空间站,这是第二代空间站。

2000年底,俄罗斯宇航局因“和平号”部件老化(设计寿命10年)且缺乏维修经费,决定将其坠毁。2001年3月23日,“和平”号最终坠入地球大气层。

1973年5月14日,美国成功发射一座叫天空实验室的空间站,它在435千米高的近圆空间轨道上运行,宇航员用58种科学仪器进行了270多项生物医学、空间物理、天文观测、资源勘探和工艺技术等试验,拍摄了大量的太阳活动照片和地球表面照片,研究了人在空间活动的各种现象。直到1979年7月12日在南印度洋上空坠入大气层烧毁。

20世纪80年代,美国宇航局提出了建造国际空间站的建议。随后,欧洲航天局11国和日本、加拿大、巴西等陆续加入。1993年11月1日,美俄签署协议,决定携手建造国际空间站。

在国际空间站从蓝图走向现实的过程中,各国宇航员借助“和平”号实现了多种形式的空间合作,为国际空间站的顺利建造提供了保障。1995年3月,俄美联合小组乘坐“联盟TM-21”飞船完成了同“和平号”空间站的对接,随后与美“奋进号”航天飞机对接,使同时在太空飞行的总人数达13人。同年6月29日,美“亚特兰蒂斯号”航天飞机与“和平号”首次对接成功并进行了5昼夜联合飞行,标志着国际空间合作进入一个新时代。

在经过了若干年准备之后,国际空间站的建设于1998年进入实质性装配阶段。同年11月20日,俄“曙光号”功能货舱被成功送入轨道;12月4日,美“团结号”节点舱实现了与“曙光号”的对接。随后美、俄火箭进行多次发射,运送舱段、设备等,使空间站初具规模,可供宇航员长期居住,并具备了开展科研工作的条件。

2000年7月12日,俄罗斯成功发射了国际空间站服务舱“星辰号”,并与空间站联合体顺利对接。该舱使空间站能够接待长期宇航考察组,加快了整个工程的建设。同年11月2日,美国人谢泼德与俄宇航员克里卡廖夫和吉德津科成为国际空间站的首批长期住户。

按计划,建成后的国际空间站将是个“太空中的城市”,成为人类在太空中长期逗留的一个前哨。空间站主结构长88米,首尾距离110米,体积为1300立方米。它将包括6个实验舱和1个居住舱、3个节点舱等,总重500吨。整个项目到2005年结束,空间站寿命在15年以上。

从“和平号”到国际空间站,人类外空探索事业承前启后,薪尽火传。

最早的国际空间站

国际空间站,又名“阿尔法”空间站,它由美国、俄罗斯、日本、加拿大、巴西和欧洲航天局的11个成员国共16个国家联手筹建,是世界航天史上第一次由多国合作建造的最大的空间工程。国际空间站的结构非常复杂、体积庞大,投资总额超过630亿美元,由6个实验舱、一个居住舱、两个连接舱、服务系统及运输系统等组成,是一个长88米,重约430吨的庞然大物。

国际空间站的设想是1983年由美国总统里根首先提出的,即在国际合作的基础上建造迄今为止最大的载人空间站。经过近十余年的探索和多次重新设计,直到苏联解体、俄罗斯加盟。1993年11月1日,美国宇航局与世界上唯一拥有长期航天飞行经验和向轨道运送大型物品经验的俄罗斯航天局签署协议,决定在“和平”号空间站的基础上建造一座国际空间站。1998年1月29日,15个国家的代表在美国华盛顿签署了关于建设国际空间站的一系列协定和3个双边谅解备忘录,计划用9年时间建成国际空间站,到2006年全部建设完毕。

1994~1998年,美、俄两国完成航天飞机与俄罗斯“和平”号空间站的9次对接飞行。美国宇航员累计在“和平”号空间站上工作2年,取得了航天飞机与空间站交会对接以及在空间站上长期进行生命科学、微重力科学实验和对地观测的经验,可降低国际空间站装配和运行中的技术风险。1998~2001年,美国和俄罗斯等国经过航天飞机、“质子”号火箭等运输工具15次的飞行,完成了国际空间站第二阶段的装配工作。2001~2006年,国际空间站完成装配,达到6~7人长期在轨工作的要求。此阶段先组装美国的桁架结构和俄罗斯的对接舱段,接着发射日本实验舱和欧空局的哥伦布轨道设施等。

目前,空间站已建成“曙光”、“星辰”等6个舱以及机械臂和太阳能电池等外部设施。最终建成的国际空间站包括6个实验舱、1个居住舱、3个节点舱以及平衡系统、供电系统、服务系统和运输系统,总重量约为500t。

其主要结构是:淤基础桁架。它用来安装各舱段、太阳能电池板、移动服务系统及站外暴露试验设施等。于居住舱。它主要用于航天员的生活居住,其中包括走廊、厕所、淋浴、睡站和医疗设施,由美国承担研制与发射到太空。

盂服务舱。它内含科学仪器设备等服务设施,也含一部分居住功能,由俄罗斯研制并发射。榆功能货舱。它内设有航天员生命保障设施和一部分居住功能(如厕所、卫生设施等),以及电源、燃料暂存地等,舱体外部设有多向对接口,由俄罗斯研制并发射。虞多个实验舱。其中美国1个、欧空局1个、日本1个、俄罗斯3个。美国、日本和欧空局的3个实验舱将提供总计为33个国际标准的有效载荷机柜;俄罗斯的实验舱中也有20个实验机柜。另外,日本的实验舱还连有站外暴露平台,用于对空间环境直接接触实验。愚3个节点舱。它们由美国和欧空局研制,是连接各舱段的通道和航天员进行舱外活动的出口。此外,节点1号舱还可作为仓库,用于存储;节点2号舱内有电路调节机柜,用于转换电能,供国际合作者使用;节点3号舱为空间站的扩展留有余地。舆能源系统和太阳能电池帆板。它们由美国和俄罗斯两国提供。余移动服务系统。

它由加拿大研制。

装配完成后的国际空间站长110米,宽88米,大致相当于两个足球场大小,总质量达400余吨,将是有史以来规模最为庞大、设施最为先进的人造天宫,运行在倾角为51.6毅、高度为397千米的轨道上,可供6~7名航天员在轨工作,之后国际空间站将开始一个为期10~15年的永久载人的运行期。

寿命最长的空间站

开展载人航天事业的最终目的不是创造辉煌和连篇不断地谱写光彩夺目的史诗,而是全面、深刻地开发和利用宇宙资源。为实现这一目的,一方面必须发展一种通向太空的经济高效的常规运输手段,另一方面就是要建立永久性航天基地。“空间站”就是向这种永久性的航天基地发展的过渡形式。

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