中國能造出空間站,為什麼造不出太空梭?前車之鑑才是真正原因

科技     2021年05月21日

2021年4月29日中午11時23分,「天和號」核心艙在海南文昌航天發射中心升空,490秒後成功進入約400千米的正圓形軌道,從現在開始到2022年11月,將執行密集的10次發射,未來的目標就是建成一個常駐太空人的天宮空間站。

中國能造出空間站,為什麼造不出太空梭?前車之鑑才是真正原因

為什麼中國人不製造太空梭?

從我國載人航天計劃開始,就有一條非常清晰的路線是衝著飛船和空間站目標去的,美蘇都曾投入大量資金的太空梭並沒有被實施,單純從太空梭的性能來說確實飛船優秀,但各位有所不知的是,曾經我國也有過龐大的太空梭計劃!

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美蘇為何放棄太空梭?

太空梭的設計思想其實非常優秀,從阿波羅計劃登月時代起,美國人就一直想設計一種天地往返系統,大部分設備都能重複利用的太空飛行器,因為當時用來登月的火箭實在是太浪費了,一枚土星五號火箭的單價是1.8億美元(1969年的價格,相當於現在大約12億美元),只是用一次就全丟太平洋了,連魚都不吃......

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全家福。從左至右分別是:「哥倫比亞號」、「挑戰者號」、「發現號」、「亞特蘭提斯號」和「奮進號」

所以太空梭的設計一開始就奔著重複利用去的,它由固體助推器和燃料箱以及軌道器組成,其中軌道器和助推器是可以完全回收的,真正丟棄的只有太空梭發射時那個巨大的燃料箱,其中裝載的液氫和液氧耗盡後即被丟棄。

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從理論上來看這個成本相當低,因為只有燃料箱這個空殼子被拋掉,當然還有發射時燃燒的燃料,當太空梭第一次發射時直接把大家給驚艷到了!與以往發射完全不一樣的結構,就像一隻蓄勢待發的白天鵝,而且太空梭的貨艙直徑4.6米,長度18米,比我國「天和號」核心艙的直徑都還要大一些。

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奮進號太空梭的貨艙

1981年4月12日,「哥倫比亞」太空梭發射成功,在軌兩天後的4月14日成功返回愛德華茲空軍基地,後來又成功實施了3次飛行,均獲得成功後宣布正式服役。此後大量的任務均由太空梭執行:

跟蹤與數據中繼衛星

太空實驗室

哈勃空間望遠鏡

伽利略號探測器

麥哲倫號金星探測器

尤利西斯號

康普頓伽瑪射線天文台

和平號對接艙

錢德拉X射線天文台

國際空間站部件

以上這些都是太空梭的著名載荷,儘管在1986年挑戰者太空梭凌空爆炸,但事實上卻不是太空梭的鍋,而是助推器的O型密封圈的問題,發射58秒後高溫高壓氣體泄漏,直接導致低溫燃料箱被撕裂,最後在超音速的的氣流中解體,7名太空人全部遇難。

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太空梭退役,不只是成本問題

太空梭服役後,問題才開始顯露出來,當然並不是安全問題,其實太空梭安全記錄還是不錯的,到STS-135次的亞特蘭蒂斯太空梭任務,總共飛行135次,2次失敗,成功率98.51%,這顯然比很多載人計劃的火箭要高得多,但有一點不得不承認,在太空梭任務中,總共有14名太空人遇難,而占宇航史上18名太空人的77.8%,確實有點高。

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當然安全還是後話,因為早先暴露出來的問題是重複使用的太空梭比一次性的火箭成本還要高:太空梭的絕熱瓦,這個不同位置要求絕熱性能不一樣,比如鼻錐與軌道器的腹部,還有機翼前緣等部位要求最高,而側面與背部則要求相對較低,但絕熱瓦大部分都要更換。

太空梭再入時的表面溫度分布

另一個則是太空梭上幾十台姿態控制發動機需要更換,因為使用的是偏二甲肼和四氧化二氮這類有毒燃料,所以每次必須全部更換,當然主發動機檢修一旦發生問題也必須更換,例如STS-99任務中的發動機3號發動機就曾更換過。

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當然比較要命的是太空梭整機超過200多萬個零件,每個都要檢修一遍,發射一次相當於重新裝配一架,這工作量實在讓人瘋。

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有人認為壓垮駱駝的最後一根稻草是2003年2月1日返回地球的哥倫比亞太空梭凌空爆炸事件,這次是脫落的保溫材料撞擊了絕熱瓦,留下了隱患,導致在返回大氣層時高溫氣流竄入機翼,改變了氣動布局,導致太空梭翻滾解體,7名太空人遇難,不過大家不知道的是太空梭並沒有在當年退役,而是在2011年7月的STS135次任務執行後才退役,所以墜毀並不是主要問題!

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太空梭究竟哪裡不好?

首先是性價比實在不高,因為2000多億美元投入,只飛行了135次,單次費用超過15億美元,這可能比任何一次載人航天發射都要高,而且太空梭自重達到了68噸,但最高運載能力為36噸,每次都有2/3以上的死重被花大價錢送上太空。

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另外則是新型低成本運載火箭的崛起,比如早期的德爾塔、宇宙神、泰坦系列,後來還有SpaceX、軌道科學ATK等,這讓太空梭的地位有些尷尬。有人稱X-37B能替代太空梭,其實兩者完全不在同一個級別。

中國能造出空間站,為什麼造不出太空梭?前車之鑑才是真正原因

不過太空梭也並非徹底死亡,而它的遺產仍然在發揮作用,比如美國下一代重型火箭太空發射系統SLS(Space Launch System)就有很多太空梭的遺產,比如固體助推器就是太空梭助推器的翻版!

另外最核心的火箭發動機也是太空梭的RS-25液氫液氧的低溫發動機,而低溫的燃料儲箱也是太空梭的經典結構,甚至連生產廠家都一樣,所以說太空梭沒有死,它以另一種方式重生了!

中國能造出空間站,為什麼造不出太空梭?前車之鑑才是真正原因

但有一點很明顯,美國人不再願意用太空梭,還是一次性使用的火箭或者類似SpaceX的回收方式更經濟。

中國人的航天計劃

美國人摸著石頭過河,中國人摸著美國人過河,後來者的優勢就是看到了前浪是怎麼死在沙灘上的,怎麼也得換個死法不是嗎?

中國能造出空間站,為什麼造不出太空梭?前車之鑑才是真正原因

其實中國在八十年代時中國也曾規劃太空梭,當時的名稱是「大型運載火箭及天地往返運輸系統」,其實歐盟和前蘇聯都有自己的太空梭計劃,中國也不能免俗,計劃了天驕一號小型太空梭、長城一號太空梭、V2火箭型太空梭、H2空天飛機等計劃,不過最終還是屈服於技術儲備太薄弱,選擇了比較穩妥的多用途載人飛船,這就是後來我們熟悉的神舟系列飛船。

中國能造出空間站,為什麼造不出太空梭?前車之鑑才是真正原因

所以中國人當年沒選航天計劃並不是美國人遭遇的那些問題,首先是沒錢,太空梭的投入那才叫花錢如流水,而且技術儲備遠遠不夠,比如我國曾經規劃的最激進計劃是H2空天飛機,是屬於水平起飛,水平降落的那種,即使到現在仍然沒有任何一個國家搞定,而且可能在未來十年內仍然不會有突破性的進展。

中國能造出空間站,為什麼造不出太空梭?前車之鑑才是真正原因

神舟系列飛船的後續就是載人空間站計劃,中國的航天計劃逐步明朗,而且目的非常明確,走的也是最低成本的路線,未來的載人登月和載人火星也會在這兩個上延伸出來,技術有很大的傳承性,儘管太空梭也給美國帶來了SLS的遺產,但必須要說一句的是,美國人還是走彎路了!