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“发现号”的救赎

2005-04-19 14:07 作者:吴戈 2005年第13期
尽管集中了11家公司、NASA六个研究中心以及美国空军实验室的数百名科学家攻关,在轨修复技术仍是个不小的挑战

2004年12月15日,在美国国家航空航天局(NASA)约翰逊航天中心的真空舱内,身着航天服的宇航员乔·坦纳正手持堵漏枪,将一种橘黄色的烧蚀材料涂在破损的黑色硅防热瓦上。从2003年起,NASA的宇航员们就已经在KC-135飞机模拟的零重力环境中开始类似试验,修复的对象还包括航天飞机机翼前缘的增强碳-碳(RCC)复合材料。“哥伦比亚号事故调查委员会”(CAIB)的要求是:“研究一种可行的能力,在国际空间站的帮助下,可以对防热瓦和RCC所有损伤的可能性进行检查和有效的紧急修复。”

尽管集中了11家公司、NASA六个研究中心以及美国空军实验室的数百名科学家攻关,在轨修复技术仍是个不小的挑战。修复RCC的难度主要在于必须粘结牢固,能经受高温考验,又不能影响表面光滑。防热瓦修复的难题在于防止硅树脂材料在真空中产生气泡,形成空洞,这会降低防护能力。约翰逊中心的航天飞机项目经理威廉·帕森斯预计:“紧急情况下会有一些措施,但至少还需要一两年才能具备经过充分验证的在轨修复能力。”矛盾的是,要通过航天飞机恢复飞行,才能在太空环境下真正尝试修复技术,然后将试验件带回地面,用模拟手段检验它是否能经受航天飞机再入大气层时上千度的高温和动态过载。

然而,2005年3月22日,NASA发布的航天飞机恢复飞行最新进展报告表示:“发现号”计划于5月15日到6月3日间发射升空。这种把握来自安全领域多方面的积极进展,包括燃料箱绝热层、新的地面和机载检查能力、机翼传感器和新的管理方法,加上国际空间站的支援,才能在在轨修复能力没有得到完全检验的情况下恢复飞行。

这个日期已经是不断推迟的结果。1986年“挑战者号”失事后,航天飞机飞行曾中断两年。这次尽管尚未完全建成的国际空间站一直只能靠俄罗斯飞船提供补给,还有约181吨的部件需要航天飞机运输,但NASA顶住了时间压力,航天飞机项目副经理韦恩·黑尔说:“该是什么时候就是什么时候。”

2003年10月,NASA考虑2004年9月至10月由“亚特兰蒂斯号”恢复飞行。但到2004年2月初,调查委员会仍认为NASA没有充分做好维修准备,NASA局长奥基夫在国会表示:秋季重返太空的“可能性非常小”。2004年5月,NASA计划2005年3月6日至4月18日“发现号”恢复飞行,最初两次为试验性飞行,首次飞行任务编号STS-114。2004年10月,日期被推迟到2005年5月12日到6月3日之间。“挑战者号”失事后航天飞机1988年恢复飞行,也是由“发现号”承担。

2005年1月7日,STS-114任务的7人机组在肯尼迪航天中心举行了首次记者招待会,世界上第一位航天飞机女机长艾琳·柯林斯(Eileen Collins)表示:“我完全相信,我们不会再遇到‘哥伦比亚号’那样的命运。”这个机组还包括任务专家温迪·劳伦斯(Wendy B. Lawrence)、飞行员詹姆斯·凯利(James M. Kelly),以及任务专家史蒂芬·罗宾逊(Stephen K. Robinson)、安德鲁·托马斯(Andrew S. W. Thomas)、查尔斯·卡马达(Charles J. Camarda)和野口宗千(Soichi Noguchi)。

目前,耗资10亿美元的恢复飞行工作正加紧进行,仅在肯尼迪航天中心就有12000人在忙碌,2005年计划3次飞行,其中STS-115将为国际空间站安装太阳能电池板,2006年开始每年发射5次,约2010年完成国际空间站的建设。3月29日,“发现号”从机库送入组装厂房,斯塔福德-科维委员会的最后审议也即将完成,4月初移向39B发射台,14日进行燃料箱首次加注燃料的发射预演,然后还将进行最终倒计时预演试验。与国际空间站对接后,宇航员们将卸下意大利制造的多用途后勤模块,更换一个失效的陀螺仪,并在航天飞机货舱内试验防热瓦在轨修复。同时,“亚特兰蒂斯号”的燃料箱也计划在4月26日与助推火箭结合。

技术改进

“哥伦比亚号”失事后,NASA建立了三个独立于日常飞行活动的新部门,专门负责航天飞机安全,并投入巨资改进技术。事故原因查明后,调查委员会于2005年1月31日提出了15项改进建议,并成立了一个完全独立的“斯塔福德-科维恢复飞行特别小组”负责监督实施,由担任过阿波罗飞船指令长的空军中将托马斯·斯塔福德和担任过航天飞机机长的空军退役上校理查德·科维共同领导。2月17日,该小组认为NASA已满足其中8项建议的要求,包括利用间谍卫星拍摄航天飞机可能受到的损伤,修改飞行前航天飞机关键系统的检测程序等,计划4月份提交一个工作改进总结报告。

“哥伦比亚号”失事的根源在外部燃料箱脱落的一块绝热泡沫碎片击中左翼前缘,使热防护层形成裂孔,航天飞机重返大气层时超高温气体进入机体,酿成大祸。绝热泡沫层的作用是避免低温燃料使燃料箱表面结冰,但目前还无法取消,因此改进重点是避免再产生尺寸足以带来危险的碎片。为此NASA用计算机模拟了200个碎片脱落情景,研究了燃料箱、助推火箭、发射台等一切可能产生较大碎片的来源,特别是上次发生脱落的燃料箱上部略为隆起的两脚架斜坡区域等部位,该部位现在由支杆直接与轨道器连接,连接处改用加热器来防止冰块积聚。目前的试验表明,绝热泡沫层仍将有较小碎片产生,但不会重于3.6克,比要求的13.6克小了一个数量级,与造成“哥伦比亚号”失事的772克碎片更有天壤之别。帕森斯说:“还不能说我们就能洞察一切,但对燃料箱泡沫可能造成的机翼前缘和机腹防热瓦损伤还是了解透彻了。”7人机组也都接受了紧急维修热防护层的训练。1月6日,47米长的新燃料箱运抵肯尼迪航天中心,3月21日与“发现号”轨道器连接。

加强对碎片的监测是改进的另一大重点。包括与轨道器连接的液氧管道附近,“发现号”增加了多台摄像机,详细记录燃料箱脱离航天飞机的过程,图像立即传送到休斯敦飞行指挥中心,加上每侧机翼上的88个传感器(66个测量加速度和撞击,22个测量机翼表面温度)的数据,帮助评估可能的损伤。为了在飞行中全面检查机体表面,加拿大MD机器人公司研制的新型OBSS(轨道器遥控臂传感器系统)为原有的15.2米遥控臂增加了一个12.2米的延长段,加装延长段后,可以将一个激光动态范围传感器和激光摄像机伸到机翼前缘和整个机腹下,详细检查以前接近不到的部位,2月初该系统已完成模拟测试。

太空救援

“发现号”的一个关键安全保障措施是必要时由另一架航天飞机上天救援,这是调查委员会的核心建议之一,也是NASA自20世纪70年代为“天空实验室”空间站准备待命救生飞船以来,首次制订太空应急救援方案。

一般情况下,NASA需要70天左右准备航天飞机发射。一旦“发现号”有事,机组人员将进入国际空间站避难,同时“亚特兰蒂斯号”将尽快发射,前往救援,最早可以从原定的7月12日提前到6月14日。只有“亚特兰蒂斯号”有把握在一个月后发射,“发现号”才会升空。“发现号”返回后也将立即准备下次发射,以备“亚特兰蒂斯号”需要时救援,最早的发射时间为9月6日。

国际空间站正常情况下只能容纳3名宇航员,这是目前承担救生船任务的“联盟号”飞船的最大容量,要满足9个人的生存需要,必须提高补给能力。目前NASA已要求国际空间站定时报告作为避难所的能力,除2月28日发射的“进步”货运飞船为它增加储备外,“发现号”也将带去一些补给,包括最关键的备用设备——二氧化碳清除组件(CDRA),只要CDRA能工作,即使俄罗斯的“电子”氧气生产系统完全失灵,9名宇航员依靠气密过渡舱和化学氧气发生器,也能生存45天,否则最多只能停留16天。

2005年3月底,NASA还成立了由4名宇航员组成的应急救援小组。他们的发射将在无法完成全部例行测试的情况下仓促进行,为腾出国际空间站上的航天飞机对接位置,地面将通过遥控使“发现号”脱离空间站,自动再入大气层,在大洋上空烧毁。增加了斜躺座椅的“亚特兰蒂斯号”将史无前例地载着11名宇航员返回肯尼迪航天中心,备降场为加州爱德华兹空军基地或新墨西哥州白沙导弹靶场。

这是一项高风险的救援任务,届时需要美国总统批准,救援组长、空军上校史蒂文·林赛(Steven Lindsey)表示:“那是个我们谁都不愿去的地方,我们正在接受一项我们永远都不想执行的飞行任务培训。”他的队友包括美国海军上尉马克·凯利、皮尔斯·塞勒斯(Piers Sellers)和空军预备役上校迈克尔·福萨姆(Michael Fossum),全部40多岁,其中林赛和凯利都曾是试飞员,塞勒斯是生物气象学家,福萨姆是首次上太空。

风险评估

早在“哥伦比亚号”失事之初,就有人探究是否有挽回余地。当时《华盛顿邮报》等媒体指出:2001年NASA曾耗资500万美元,对在航天飞机上安装类似军用飞机弹射座椅的火箭弹射救生舱进行了为期一年的可行性研究,最后却舍不得10亿美元的投入。其实,航天飞机飞行的高度和速度范围比一般军用飞机大得多,只有非常有限的一部分状态可以弹射。另外,当时即使飞往国际空间站等待地面救援,也没有足够的燃料,更没有安装对接装置、机械臂和备用的防热瓦。经过16天飞行后,氧气只能再支持5天左右,而地面上“亚特兰蒂斯号”才刚刚运到肯尼迪航天中心,不可能短时间升空。因而,“哥伦比亚号”再入大气层是一场浑然不觉,却无可挽回的死亡之旅。

但是,没有在轨检查手段,也到不了避难所的问题仍然不能掩盖:为何未能充分评估发射时就已发现的碎片击中机体事件的后果,知道了而无可挽回和全然不觉得有危险,完全是两个概念,这才是“哥伦比亚号”最大的教训和难点。虽然可以肯定NASA忽略这个后果是有经验依据的,并非信口开河,结果表明:这种判断过程在技术上显然极不严密。

在2005年3月初的模拟实验中,NASA的工程师们假设“发现号”在起飞过程中同样被脱落的绝热泡沫材料击中,随着时间流逝,决策者们再次面临这个困难的生死抉择:让航天飞机在轨修复后返航,还是放弃这架航天飞机,让宇航员进入国际空间站等待救援,结果大部分人选择在轨修复。这种选择的另一个原因在于,转移—避难—营救的三阶段过程需要“哥伦比亚号”、国际空间站和“亚特兰蒂斯号”三个大系统都保证不出现致命问题,而且后两者分别是超负荷运转和仓促发射,难度实际上增加了。NASA的发射任务主管迈克·勒恩巴赫表示:如果“亚特兰蒂斯号”提前发射,他仍将遵循同样严格的工程和气象标准,但他私下承认,短时间内要掌握同样严格的发射标准几乎不可能,每次发射遇到的情况都不一样,“我不想这样说,但它(‘亚特兰蒂斯号’)很可能成为另一艘(出事的)航天飞机”。不过勒恩巴赫又表示:不管心情多复杂,“如果要求我们这样做,我们会坚决执行”。即使NASA成功地实现营救方案,航天飞机毕竟再次暴露了无法接受的故障,整个计划可能比原定的2010年更早结束,用宇航员安德鲁·托马斯的话说:“那样的话,航天飞机将成为‘最后的华尔兹’,国会甚至连瞧都不会再瞧一眼了。”

正是在这一背景下,NASA的局长奥基夫不得不顶住国会的巨大压力,坚持暂不安排航天飞机运送宇航员前往维修“哈勃”太空望远镜。如果得不到维修,“哈勃”将只能坚持到2007~2008年而不是预计的2011~2012年,但不管“哈勃”还有多大价值,奥基夫也不敢冒险,因为“哈勃”和国际空间站处在完全不同的轨道,一旦有事,宇航员无法进入国际空间站避难。

航天飞机的未来

1972年批准设计方案时,NASA设想80~90年代就要用航天飞机完成570次任务,每年飞行25~50次,实际上每年只有7~8次,每次发射费用约4.4亿美元,年使用成本超过30亿美元。因为空间站建设的滞后,它的任务也并非最初设想的在空间站与地面间“穿梭”。同时,航天飞机太重、太脆弱、太复杂,列入“一类关键性”清单的部件就有750个,这些部件一出问题就有灾难后果,保养4架航天飞机需要30000人。直至2005年3月22日,NASA还发现“发现号”尾部减速板驱动装置存在齿轮装反的潜在安全隐患,却20余年未被发现,幸而30余次飞行均未遇到紧急迫降等情况。因此,航天飞机无法代替所有一次性使用的运载火箭,至今,安全可靠和使用效率之间的矛盾仍是限制航天飞行的关键瓶颈之一。

航天飞机的替代者其实早在20世纪80年代就开始研究。1986年,里根就提出能以25倍音速,在两小时内从华盛顿飞抵东京的X-30“国家空天飞机”计划。1994年,克林顿政府提出RLV(可重复使用空间运输系统)计划,试图研制像飞机一样方便,只需几十人维护,可靠性提高一个数量级,发射成本降低一个数量级的单级入轨航天器,2012年左右替代航天飞机,为此研制了X-33先进技术验证机、X-34小型可重复使用运载器、改进型DC-XA火箭等。1999年,NASA又开始了“未来-X探路者”计划,退回到两级入轨道路,研制X-37先进技术验证机,由运载火箭发射。同时研制过的还有为国际空间站设计的乘员返回飞船(CRV)的样机X-38,它计划由航天飞机发射,必要时能供7名宇航员紧急逃生。美国空军也开展了X-40军用航天飞机计划。2000年,NASA又开始了技术更为折中的SLI(太空发射倡议)计划,试图5年内投资45亿美元,研制第二代RLV和改进航天飞机,将低地球轨道发射成本降到航天飞机的1/10,安全性提高100倍。

然而,由于国际战略形势巨变,多年来美国太空运输计划频繁调整,加上未知领域的固有难度和NASA在发展战略上过于强调市场化的理想主义,这些研究计划在动力选择、部分还是全部重复使用、单级入轨还是两级入轨等关键方向上几经周折,航天飞机一停飞,新的运载手段仍遥遥无期。

2002年底,NASA修订了“综合航天运输计划”(ISTP),试图加强航天飞机的改进和延寿,作为基本手段,同时一方面尽快研制依靠现有技术、用国防部的EELV等运载火箭发射的OSP(轨道太空飞机),作为航天飞机的过渡,一方面研究难度较大的RLV,并为可能采用最新的高超音速技术的NGLT(下一代发射技术)计划奠定基础。

OSP没有主发动机,可人工操纵,也可无人飞行、自动与国际空间站对接,要求最迟在2010年形成乘员返回飞船(CRV)能力,可在24小时内将至少4名宇航员从国际空间站送回地球,在2012年形成乘员转移飞行器(CTV)能力,可运送至少4名宇航员往返于国际空间站和地面之间,代替航天飞机和“联盟号”飞船。OSP还要求安全性明显高于航天飞机,至少使用到2020年,发射准备时间更短,在轨机动能力更强,具有上升段乘员逃生能力,但具体方案在采用航天飞机模式还是飞船模式等问题上一直存在分歧。RLV则定于2009年上马,2015年开始制造,至于下一代高超音速空天飞行器的正式研制,可能要到2019年以后。另外,美国军方从2001年开始的RASCAL(快速反应小型载荷低成本发射)计划也在继续。

令人吃惊的是,也许是受到近年对火星、木卫六等天体诱人发现的吸引,经过“哥伦比亚号”失事后对航天政策的审议,布什政府的兴趣突然从近地轨道转向浩瀚的太阳系,2004年1月14日出台了以重返月球及载人火星探索为目标的“新空间探险计划展望”,设想2020年在月球上建立永久基地。由此美国航天被迫再次大幅度重新定位。

布什新政策中的主角名为“乘员探险飞行器”(CEV),既能将宇航员送到空间站,也能将宇航员或自动探测器送到月球、火星等目标,计划2005~2006年完成初步设计,2014年前首次载人飞行。目前看来,CEV的任务极为模糊,空间站平均轨道高度359公里,而月球距地球38万公里以上,更不用说火星,这些任务对动力和燃料等方面的要求显然大相径庭,还不知“一机多用”的CEV如何满足要求。

其实,探索太空以至人类逐步登上其他天体的目标很明确,问题在于步骤。航天飞机—空间站模式的核心意义是先在近地空间形成廉价可靠的天地往返能力,以及稳定的科研和居住平台,现在看来这个目标实现得很不理想,以致作为总统的布什从中找不到足够的成就感。现在,布什要求重新评估空间站的研究计划,甚至提出2010年完成国际空间站美国的建造任务后就退出。这个喜新厌旧的举动将使一大批科学计划和正在参与国际空间站合作的日本、俄罗斯、加拿大等国和欧盟大受打击。倒是欧洲航天局有意完成多年未竟的航天飞机之梦,2005年下半年将用“阿丽亚娜-5”运载火箭把ATV(自动转移航天器)无人货运飞船首次发射到国际空间站,ATV长10米,载重量比俄罗斯“进步”飞船大两倍。

为避免纳税人的指责,NASA声称航天飞机以及SLI、RLV、OSP等一系列半途而废的计划的成果都将广泛用于CEV,其实它们相互之间大异其趣,因为前一批技术对天地往返效率和大气层内飞行兼顾较多,波音公司航空航天系统部副总裁莫特说:“飞向月球和火星的飞船其实连机翼都用不上,因为它们是在真空中飞行。”

今天,民间力量已开始感受到太空活动实在的商业价值,而务虚的布什却羡慕“阿波罗”计划给肯尼迪带来的荣耀,正急于让NASA展开向太阳系开疆拓土的宏图,这当然不无远见,只可惜前面几百亿的心血做了陪嫁。对人类而言,在别的行星上找到水甚至生命固然重要,但采用载人或不载人手段却在技术上有根本区别。只要看看为这次航天飞机恢复飞行准备的捉襟见肘的相互救援方案,就不难想象在近地轨道立足未稳时,急于在月球安营扎寨,在火星留下脚印的不稳妥之处。毕竟人类连两个以上载人航天器同时飞行,各国载人航天器间相互救援一类问题还从未尝试,我们的月球和火星探险队仍将如“哥伦比亚号”一样脆弱。

航天飞机的舞蹈

航天飞机的起飞雷霆万钧,71%的推力来自两具世界最大的固体助推火箭,每具装药500吨,推力1226吨,喷出的火焰长达180米。同时工作的三台主发动机分别以高达179000升/分和66600升/分的流量消耗外挂燃料箱内的719吨液氢和液氧,相当于每10秒钟抽干一个小游泳池,喷流速度约10000公里/小时,每台推力77~97吨。发射后20秒,起飞总重2050吨的航天飞机向右滚转180度,以使机背的天线朝向跟踪站。两分钟后,固体助推火箭在45000米高度分离,打开降落伞落入海中并被回收。4分钟后,航天飞机失去返回发射点的可能,如果有故障将酌情在西班牙或美国新墨西哥州迫降。8.5分钟后,主发动机关机,外挂燃料箱分离并再入大气层烧毁。10.5分钟后,轨道机动系统点火,航天飞机进入低地球轨道,45分钟后进入约400公里的圆形轨道。

在轨道上,航天飞机机背朝向地球飞行,在失重状态的宇航员不会有倒置的感觉。返回时,航天飞机将先改为尾部朝前,开始减速和下降,然后翻大半个跟斗,形成机腹朝向地球,机头重新朝前的昂头姿态,约25分钟后进入大气层高层,这时速度28000公里/小时,机体温度达1650℃,周围的大气被高温电离,使无线电通讯中断12分钟,称为“黑障”。

进入约122公里较稠密的大气层后,虽然速度仍高达24.6倍音速,机头和机翼前缘温度仍达1500℃,但三角翼开始产生足够升力。在102公里高度,气动翼面开始起作用,航天飞机开始像飞机一样进行一系列S形倾斜转弯,进一步减速,但仍由飞行控制计算机操纵。在80公里高度向右首次转弯,航天飞机减速到24倍音速,67公里向左第二次转弯减到18倍音速,“哥伦比亚号”失事就发生在这一阶段,但它要到30.5公里高度、3倍音速时,才进入“可弹射”状态。到最后一次(第五次)转弯时,高度降至24.9公里,速度2.8倍音速,在15.5公里降到音速以下。距着陆场40公里时,机长开始人工操纵,以520公里/小时速度接近,距地面610米时,速度才降到352公里/小时,最终在减速板和减速伞作用下,滑行2700米左右停下。

由于航天飞机上升时推力可调,返回时滑翔再入,宇航员在全部飞行中承受的过载不超过3g,普通人的身体也能承受。但重复使用的要求增加了热防护的难度,一次性使用的飞船可以故意让一部分表面材料烧掉,以保护自身,航天飞机就必须采用防热瓦等永久措施。

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