前言
1981年4月12日,美国的新一代载人航天飞行器迎来首次航天任务,该飞行器总长56米,翼展24米,起飞重量可达2800吨,可重复利用100次。
美国在43年前就造出可重复飞行的航天器,而中国现在的神舟飞船用1次就报废了。
难道是中国航天技术和美国差距太大?
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航天飞机
1981年4月12日,美国全新一代的载人航天飞行器迎来了首次航天任务,那就是在1972年立项的“航天飞机”。
这架航天飞机名称,源自于18世纪的著名的帆船“哥伦比亚号”,航天飞机总长约为56米,翼展约为24米,起飞重力约为2040吨,起飞的总推力达到了2800吨。
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这架哥伦比亚号航天飞机,因为其强大的推力支撑,最多可以搭载29.5吨的货物以及8名宇航员,并且这架航天飞机可以重复利用100次。
不仅如此,可以从地面往太空送东西,还能从太空把东西给带下来,可以将14.5吨的有效载荷带回地面,虽然最多可以乘坐8名航天员,但是基本上都在3~7名宇航员。
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可以在轨道上停留7天到30天,主要用来完成和空间站会合、对接、停靠以及货物运送、宇航员运送、空间实验、卫星发射、检修和回收任务。
这架飞船执行任务后,可以实现水平着陆返回机场,拥有着2000千米横向机动能力,可以在185公里到1110千米近地轨道进行飞行,国际空间站和中国空间站工作在400公里左右的近地轨道高度。
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不仅如此,哥伦比亚号航天飞机的维护周期只有160个小时,两周后就可以执行下一个任务,这和我们中国现在使用的神舟飞船来说,效率真的是高了太多了。
不仅是在乘坐的航天员数量,还是在货物的载荷重量,以及是发射效率来说,简直是“常态化航天任务”的利器。
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4月12日,哥伦比亚号成功在肯尼迪航天中心将两位宇航员送入太空,这次航天任务主要是为了测试它的轨道飞行能力和着陆能力。
在太空飞行54小时,环绕地球36圈一周,这架航天飞机安全着陆,这次飞船也被NASA称为“历史上最大胆的试飞”,确实是大胆,试飞就把两名宇航员给送上去了。。
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正是因为航天飞机的出现,美国成功实现了安全发射和降落返回功能,对当时太空竞赛下的苏联,又给了致命的一击。
对于这架集火箭、卫星和飞机的技术特点于一身的航天飞机,它不仅可以像火箭那样垂直发射进入空间轨道,还能像卫星那样在太空轨道飞行,也能像飞机一样滑翔着陆,即使放到现在也是“外星科技”级别的产物。
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哥伦比亚号在服役之后,美国的载人航天就完全进入了常态化阶段,送航天员上去犹如“家常便饭”。
正是因为美国航天飞机成功,让很多国家开始着手航天飞机研发,其中欧洲、苏联、中国也选择对航天飞机的研究。
那么,航天飞机的发展究竟如何?
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参考资料:NASA 《STS Columbia》1981.4.12
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NASA 《STS Columbia》1981.4.12
航天飞机的发展
在第一架航天飞机哥伦比亚号成功试飞之后,美国为了在太空竞赛中彻底击垮苏联,同时也是为了美国当时的航天任务需求。
在仅仅试飞完成后的一年,1982年“挑战者号”航天飞船横空出世,成为美国第二架航天飞机,和哥伦比亚号一样,这架航天飞机的组成由轨道飞行器、固体燃料火箭推进器、外燃烧箱共同组成。
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不仅如此,美国随着美国航天需求越来越多,需要更多航天飞机去完成在太空的任务,因此在1984年,第三架航天飞机“发现号”航天飞机正式服役。
随着美国的航天飞机越来越多,苏联终于坐不住了,1988年11月15日苏联的暴风雪号航天飞机终于研发出来了。
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为了比美国的航天飞机更加强大,苏联的这架航天飞机在设计时,都要比美国的航天飞机要高到一点。
比如暴风雪号可以将30吨的货物送上近地轨道,就比美国的多0.5吨,并且还能将20吨货物运回地面。
更离谱的是,暴风雪号航天飞机头部有一个容积达到70米的乘员座舱,最多可以乘坐10宇航员,设计飞行寿命也达到了100次。
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不过苏联可没美国人那么大胆,第一次的首次飞行使用的是无人飞行的方式,在苏联的拜科努尔航天中心发射升空后,成功进入距离地面250公里的近地高度,完成环绕地球2圈的飞行后,太空遨游约3小时候后,成功返回地面。
为了研制出暴风雪号的航天飞机,苏联也是花费了巨大的资金,总共为暴风雪号航天飞机研制出了48种的新型材料,极大促进了当时苏联航天体系的发展,同时巨大的经济负担也加速了苏联的解体。
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毕竟太空的要求比较高,首先就算需要考虑载入启动加热产生热量,第二就是内部的铝蒙皮的温度不超过150~170 ℃。
而且,为了保证宇航员和货物的绝对安全,防热层还要有足够的强度,能在-150~1300 ℃温度范围内多次使用,且性能和尺寸不容许有明显变化。
不过真正投入使用的航天飞机的国家其实只有美国,之后美国还在1985年制造出了亚特兰蒂斯号,1990年制造出了奋进号。
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自1981年以来,美国宇航局利用宇航飞机将136万公斤(300万磅)货物、600多名宇航员送入太空。
而我国在上世纪80年的中后期,也在围绕中国载人航天发展的途径问题,有相当数量的专家和部门都倾向于优先发展“航天飞机”。
但是中国最终却没有选择继续研究航天飞机,而是在1992年时选择了航天飞船,也是我们经常能看到新闻中看到的“神舟飞船”。
可是明明航天飞机看起来更好一些,并且还可以重复利用,为何中国没有选择航天飞机,而是选择了只能用1次的航天飞船?
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参考资料:百度百科·科普中国 《美国航天飞机》2023.12.28
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百度百科·科普中国 《美国航天飞机》2023.12.28
为何放弃重复利用的航天飞机?
虽然构建高新技术研究发展计划,也就是863计划,确实把载人航天纳入其中,也针对美国航天飞机进行了技术追踪,但是并非是工程项目。
虽然受到了美国航天飞机的影响,相当数量的专家都希望研究发展航天飞机,但是随着对载人航天研究不断深入,才发现航天飞机的计划似乎不太可行。
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最主要的原因就是,从当时中国国情来说,制造航天飞机需要大量的资金和投入,因为航天飞机造价极高,并且20世纪80年代的中国在经济上明显不够强大。
根据美国宇航局太空飞机计划从1972年,宣布制造开始,美国航天飞机项目研发、制造、维护、升级的总费用,截止到2010年底,三十多年里,就已经花费了2090亿美元,相当于14000万亿人民币。
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而且航天飞机运营成本极高,每次发射的发射成本就达到了5、6亿美元,相当于40亿人民币,不过美国一开始运营计划是5000万美元每次发射成本,但是在冷战背景下,美国还是咬咬牙上了!
而1988年的中国全年GDP也只有15200亿人民币,所以说航天飞机计划对于当时的中国来说,老底翻了可能也不够。
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而且航天飞机也并不是依靠资金就可以解决的问题,即使是美国从1969年提出,1972年立项,到1981年首飞,也是花费了10年才制造出来。
并且上世纪美国航天科技力量毋庸置疑,不仅建设了空间站,还实现了多次载人登月,在航天领域拥有巨量的技术沉淀和经验。
所以说,航天飞机无论是在资金还是技术,还是在难易程度上都是最高的,也正是因为这个原因,中国最终大部分人仍然选择了“飞船派”。
那么,我国的选择是否正确?
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参考资料:
北京航空航天大学人文社会科学学院《中国载人航天工程决策过程中航天飞机与载人飞船之争》2009.9.18
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北京航空航天大学人文社会科学学院《中国载人航天工程决策过程中航天飞机与载人飞船之争》2009.9.18
我国的选择是否正确?
其实,时间早就给出了答案,从航天飞机命运来看,当时的决策是十分正确的,无论是从经济上还是从航天发展上。
2003年2月1日,哥伦比亚号正在执行第28次任务,当时哥伦比亚号距离地面280公里左右的轨道高度上环绕地球飞行,在接收到返回信号时,开始为重返大气层做最后准备。
进入大气层后,哥伦比亚号进入太平洋上空144公里的位置,这时的火箭发动机以每小时27,000公里在工作着。
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在距离地面61公里时,哥伦比亚号的里克·赫斯本德回答:“收到,但……”,听到一阵噪声短波后,便失去了联系。
之后,哥伦比亚号开始“解体”,此时的哥伦比亚号已经分裂成无数个碎片,像流星一样向地球坠落,七名航天员在解体中牺牲。
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经过初步原因判断,哥伦比亚号的在发射不久后,被燃料箱外脱落的一个泡沫碎片击落,后续调查说可能有3个泡沫击中,因为在高速情况下,哪怕一个泡沫都会对航天飞机造成隐患。
因此在安全性上航天飞机不如航天飞船,神舟飞船每次的发射成本大约为8.5亿人民币,并且航天飞机的最大缺点是成本高,单次任务成本超过5亿美元,而美国对航天飞机近几十年研发制造运营投入,平均每次的飞行成本接近16亿美元,约为117亿人民币每次。
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美国航天飞机共执行过100多次任务,因为成本问题于2011年退役,在此期间美国哥伦比亚号和挑战者号均因为解体而彻底报废,共有14名宇航员牺牲。
因此从历史的轨迹来看,我国的选择是正确的,美国现在的载人航天选择也是“飞船”,因为成本低、安全性高。
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参考信源:光明网 《浅谈可重复使用航天器》2023.5.23
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光明网 《浅谈可重复使用航天器》2023.5.23
结语
因此,虽然航天飞机可以多次重复利用了,但是航天飞机最大的问题就是成本高,相比只能利用一次的航天飞船来说,安全性也不高,所以目前来说在载人航天上都选择飞船派。
但是航天飞机无疑也是很有效率的方式,美国也证实了航太飞机虽然成本高,但是利用率和可行性上也是完全没问题,而且中国新一代的可回收利用的航天飞船也正在研制中。
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