美高梅棋牌游戏官网网站 史料研究 史料研究不灭的太空探索精神——航天飞机研发史

史料研究不灭的太空探索精神——航天飞机研发史



航天飞机是NASA在“阿波罗”登月计划结束之后又一个雄心勃勃的太空计划,但该计划是基于不稳定的政治支持和持续的资金削减基础之上的,导致航天飞机的研制工作不得不在艰难中前进。

问:土星5号火箭除了登月真的就没其它实用价值吗?

航天飞机是NASA在“阿波罗”登月计划结束之后又一个雄心勃勃的太空计划,但该计划是基于不稳定的政治支持和持续的资金削减基础之上的,导致航天飞机的研制工作不得不在艰难中前进。不过NASA最终获得了成功,在1981年进行了航天飞机的首次太空任务。航天飞机在许多方面都表现出令人印象深刻的创新特性,但也因研制中的妥协而为日后的“挑战者”和“哥伦比亚”号悲剧埋下了伏笔……

史料研究 1

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土星5号火箭的技术是上个世纪的技术,与现在美国拥有的技术完全不是一个级别。之后,美国采用航天飞船的技术,到现在已经可以回收火箭了。

航天飞机的起源

火箭技术还可以带核弹头,这样技术,美国就早拥有了。直接来说,土星5号火箭技术对美国已经没有什么实际价值,对其他的国家还是很有用的。

史料研究,20世纪60年代,NASA在其头号任务上取得了巨大的成功,把人送上了月球。虽然“阿波罗”登月计划会一直延续到70年代中期,但此时的NASA急需获得一项新使命来保持机构的地位。因为随着阿波罗计划的结束,公众对登月的兴趣会逐渐消退,NASA的影响力必然会降低,随之而来的将是削减拨款和裁员。

当然不止仅仅是登陆月球了,当时土星5号在1967年至1973年期间NASA共发射了13枚土星5号火箭,因为从来就没有过损失有效载荷的主要事故发生(虽然阿波罗6号和阿波罗13号曾出现过推进器失灵的问题,但箭载电脑都能够通过延长剩余推进器燃烧时间的办法以保持飞行)。土星5号的主要载荷是载着一些宇航员成功登月的阿波罗航天器。最后一次土星5号的发射将天空实验室的空间站直接送入太空。

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土星5号在20世纪60年代初期,苏联在太空竞赛领先于其对手美国。1957年苏联发射了第一颗人造卫星史泼尼克一号,1961年4月12日,苏联宇航员尤里·加加林成为第一个进入太空的人类。为了能够在太空的领域领先苏联,1961年的5月25日,肯尼迪总统宣布美国会在1970年之前将宇航员最先送上月球。

“阿波罗”登月计划极大鼓舞了美国国民的士气

那时,美国是唯一的一次载人太空任务是艾伦·谢泼德的水星-红石3号;仅在太空停留了15分钟,且未直接进入近地轨道。当时世界上没有火箭能够一次运送可登月的航天器。因为土星1号火箭当时还在研制过程当中,但由于其推力远远不够,需要分若干次发射才能将登月所需要的各个部件直接送入轨道。

NASA花了好几年时间来确定下一步该怎么走。1969年尼克松总统上任后不久,授权成立了一个副总统斯皮罗•阿格纽指导的“太空任务小组”,来确定NASA在后“阿波罗”时代的发展方向。太空任务小组成员包括NASA局长托马斯•潘恩、空军部长罗伯特•西曼斯、尼克松总统的科学顾问李•杜布里奇。阿格纽副总统的存在仅具有象征意义,小组的其他成员觉得他对这件事情了解甚少,也不感兴趣。

土星5号在登月计划的计划阶段初期,NASA曾考虑过三个主要的设想:地球轨道交会、直接起飞以及月球轨道交会(LOR)。尽管NASA起初没有完全考虑月球轨道集合,因为人类当时连地球轨道的集合都没有执行过,更不用说难度更大的月球轨道集合了。后来,由于能够使任务时间缩短以及较其他两种方法更为简单,因此月球轨道的集合仍然会被采纳。

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土星5号从1964年至1973年,土星5号的总拨款高达65亿美元,在1966年则达到最高,仅一年当中就拨了12亿美元。阿波罗计划被缩减的主要原因还是资金。在1966年,美国国家航空航天局的年度政府的拨款竟高达45亿美元,约为当时美国国内生产总值(GDP)的0.5%。同年,国防部的一些政府拨款为635亿美元。土星5号运载火箭(Saturn
V),又译为农神五号,亦称为月球火箭,它是美国的国家航空航天局(NASA)在阿波罗计划和天空实验室计划等两项太空计划中使用的一个多级可抛式液体的燃料火箭。是仅次于苏联能源号运载火箭的重大推力的第二大运载火箭。

托马斯•潘恩和尼克松总统等待接见“阿波罗”11号的返航宇航员

土星5号则是三级火箭,由S-1C第一级、S-2第二级、S-4B第三级、仪器舱和有效载荷所组成。第一级长42米,直径10米,到尾段的底部直径增大到13米。尾段上装有4个稳定的尾翼,翼展约18米。第一级采用5台F-1发动机,推进剂为一些液氧和煤油,2个10米直径的铝制推进剂贮箱用桁条和隔框加强。第二级长25米,直径10米,采用一些液氧液氢推进剂
,共用5台J-2发动机。第三级长18.8米,直径6.6米,1台J-2发动机,推进剂主要为液氧液氢。

1969年9月,太空任务小组发布了研究报告。报告的核心内容展示了一幅沿着20世纪50年代的宏伟愿景路线而绘制的“空间基础设施”蓝图,其中包括空间站、太空拖船、核动力月球和行星运输载具、月球基地等,报告预计美国将在20世纪80年代初开始把人送上火星。而这一切想要成功都基于一个关键要素——可重复使用的载人航天发射系统。该系统一开始被称为“太空运输系统”,而这就是航天飞机的起点。

土星5号是在人类历史上所使用过的最重、推力最强的一个运载火箭,它高达110.6米,起飞的重量3038吨,总推力达3400吨左右,同时可将127吨的有效载重送上近地轨道。土星5号是三级火箭,由S-1C第一级、S-2第二级、S-4B第三级、仪器舱和有效载荷所组成。第一级长42米,直径10米,到尾段底部直径同时增大到13米。

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尾段上装有4个稳定尾翼,翼展约18米。第一级采用5台F-1发动机,推进剂为一些液氧和煤油,2个10米直径的铝制推进剂贮箱用桁条和隔框加强。第二级长25米,直径10米,采用液氧液氢推进剂
,共用5台J-2发动机。第三级长18.8米,直径6.6米,1台J-2发动机,推进剂为液氧液氢。

1969年太空任务小组设想的“空间基础设施”蓝图,已经具有了航天飞机的雏形

土星5号运载火箭是在人类历史上使用过的最高、最重、运载能力最强的运载火箭。尽管NASA曾设想过一个更大的火箭(例如新星火箭),土星5号是历史上、土星号运载火箭成员当中最大的一个火箭,土星5号由马歇尔太空飞行中心总指挥沃纳·冯·布劳恩与他的德国火箭团队担任进行设计和研发的主要工作,它主要的承包商包括波音公司、北美人航空公司、道格拉斯飞行器公司以及IBM。

其实类似的“可重复使用载具”的想法并不新颖。为了解决制造一个昂贵的运载火箭后发射一次就被抛弃的浪费问题,第二次世界大战期间德国火箭科学家就提出了这个设想,在60年代还出现了大量的RLV纸上设想。

土星5号除了最后一次发射天空实验室没有使用过S-IVB(第三级)之外,所有其他土星5号的发射都有三级:S-IC(一级)、S-II(二级)和S-IVB(三级)。每一级都使用液态氧(LOX)作为一种氧化剂。第一级所使用的高精炼煤油(RP-1)作为主要燃料,其他两级使用液态氢(LH2)作为主要燃料。一般来说,一次发射任务的前20分钟左右都是由火箭在推动。成功登上月球的“鹰”载人登陆舱

大多数设想都采用两架有翼载具的组合,其中第一级载具安装喷气发动机或火箭发动机甚至是两者的组合,背负着安装了火箭发动机的第二级载具。第一级载具升空到达预定的高空高速状态后,第二级载具与第一级分离,依靠自身的火箭发动机把载荷送入轨道。在完成各自的任务阶段后,这两架载具都能自行返航并降落在跑道上。一些设想的两架载具并排连接,就像双胞胎,甚至还有三架载具合体的。也有设想的第二级载具安装有可消耗的火箭助推器。

众所周知,二战之后美国和苏联便展开了争霸,争霸主要集中体现在两个方面,首先是武器装备,而另一个制高点就是太空探索,其中载人登月便是重中之重。从60年代中后期开始,双方的载人登月便进入了实质阶段,双方投入了大量的人力物力,仅仅是为了将宇航员送上月球。

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采用30台发动机的N1火箭第一级

马丁公司在1963年设想的两级载人航天发射系统,两级都能重复使用,毫不浪费

美国方面则是以土星5号巨型运载火箭为主,采用服务舱、指令舱和鹰式月球登陆舱三舱布局,整个登月计划代号“阿波罗”。1969年7月21日,首个载人登月舱顺利登上月球,标志着载人登月的成功,阿姆斯特朗成为登上月球第一人。而苏联方面则是因为N1火箭的发射接连失败,最终彻底放弃了载人登月,转而占领空间站领域制高点。

NASA载人航天办公室主任,乔治•米勒在1969年4月已经组建了一支“航天飞机任务小组”,该小组提出的A阶段航天飞机计划正是按照这种思路设计的,由可回收助推器级和轨道器级组成,安装了火箭和喷气式发动机的两级都能可重复使用。火箭发动机将使用液氧和液氢推进剂。轨道器的后货舱可以装多达11350千克货物,前载人舱可容纳两名机组和12名乘客。

很多人疑惑为何苏联最终没能在载人登月方面继续下去,其主要原因有两点。首先对于当时来说,载人登月仅仅只是政治任务,除了能够向世界展示美苏两个国家的强大以外并没有任何实际意义。载人登月项目需要的投入十分庞大,整个阿波罗登月计划美国耗费了数百亿美元,这对于六十年代末来说简直就是天文数字,要知道1969年美国经济总量才1万亿美元,所以在载人登月失败后苏联立即放弃了这个费钱的项目。

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重型猎鹰火箭也采用了发动机并联技术

麦克唐纳公司设想的A阶段航天飞机方案

第二点,苏联在N1火箭方面失败的很彻底,由于没有推力巨大的发动机,N1只能采用小推力发动机并机的方案,和马斯克的重型猎鹰火箭方案一样。但是受制于当时的技术影响,N1火箭无法解决发动机来带的共振问题,而短时间内又拿不出推力更大的火箭发动机,在已经落后美国的情况下最终只能放弃登月计划。可以说在载人登月方面苏联失败的非常彻底。

土星5号运载火箭

在美国完成阿波罗登月计划后的五十余年时间内,美国没有任何载人登月的计划。实际上这非常好理解,当时的阿波罗计划纯粹就是政治产物,其土星5号最大130吨的近地轨道运载能力虽然十分强悍,但是以当时的技术条件来说,土星5号用在除了载人登月的任何其他方面都是一种严重的浪费,因此在随后的漫长时间里美国没有建造这一巨型火箭。

除此之外,载人登月虽然美国成功领先,但是以当前的技术条件来说,虽然月球上的矿产物资极为丰富,但是没有任何利用的可能,因此阿波罗计划的象征意义远大于实际意义。不过近年来随着大型空间站的建设以及月球科研基地建设的设想,使得巨型运载火箭开始吃香,和当年的政治任务不同,如今的探月工程才是可持续科学探索的起步,于是世界主要航天强国展开了新一轮巨型火箭的研发浪潮。

首先要了解土星5号运载火箭诞生的背景,

20世纪60年代初期,苏联在太空竞赛领先于其对手美国。1957年苏联发射了第一颗人造卫星史泼尼克一号,1961年4月12日,苏联宇航员尤里·加加林成为第一个进入太空的人类。为了在太空领域领先苏联,
1961年5月25日,肯尼迪总统宣布美国会在1970年之前将宇航员送上月球。那时,美国唯一的一次载人太空任务是艾伦·谢泼德的水星-红石3号;仅在太空停留了15分钟,且未进入近地轨道。当时世界上没有火箭能够一次运送可登月的航天器。土星1号火箭当时还在研制过程中,但由于其推力远远不够,需要若干次发射才能将登月所需要的各个部件送入轨道。

在登月计划的计划阶段初期,NASA曾考虑过三个主要的设想:地球轨道交会、直接起飞以及月球轨道交会(LOR)。尽管NASA起初没有考虑月球轨道集合,因为人类当时连地球轨道集合都没有执行过,更不用说难度更大的月球轨道集合了。后来,由于能够使任务时间缩短以及较其他两种方法简单,月球轨道集合仍然被采纳。

土星5号超重型运载火箭是仅次于苏联能源号运载火箭的推力第二大运载火箭。在1967年-1973年间共发射了13枚“土星5号”运载火箭,它们保持着完美的发射记录。共有9枚“土星5号”运载火箭将载人的“阿波罗”号宇宙飞船送上月球轨道。土星5号”运载火箭的生产线于1970年关闭。“土星5号”的最后一次发射是在1973年,这次发射将“天空实验室”空间站送入了近地轨道。续任者太空发射系统(SLS系统),号称史上最强运载火箭系统。

土星5号的主要载荷是载着宇航员成功登月的阿波罗航天器。最后一次土星5号的发射将天空实验室的空间站送入太空。再也没有使用过这款火箭,最近反而开始重新研发运载能力差不少的重型猎鹰,这是为何?

“重建土星5号所面临的问题并不是要找到它的设计蓝图,而是要找到那些能够提供20世纪60年代中期老的硬件设备的厂商,事实是,发射台和运载火箭装配车间已改装成建航天飞机之用,所以也就没有地方用来作为发射场所了。

虽然土星5号的运力强悍,可靠性也很高,但是太贵了!有多贵呢?土星五号一共执行了13次发射,总共耗资65亿美元,折合每一发5亿美元。这时候的美元还是可以称之为美金的美元,购买能力远超于现在,同时期美国企业号核动力航妈的造价是4.5亿美元,一发一次性的火箭比个航母还贵,美国人也承担不起如此高昂的费用。

由于重开土星五号生产线花费巨大,而且土星五号是美国20世纪60年代的科技产物与现在的美国航天技术相比已经严重落后,为了满足日益重要的高边疆战略计划,NASA决定开发续任者太空发射系统(SLS系统)继续美国的开拓天疆战略,“太空发射系统”将有能力向太空发射77到130吨货物,可用于发射6人猎户座多功能乘员舱,最终的运载能力将达到143吨,甚至有可能达到165吨。相比之下,曾将宇航员送上月球的长期休眠的土星V型火箭运载能力为130吨,航天飞机的运载能力为27吨,当前最大的无人火箭更是只有25吨左右。

重型猎鹰的出发点就是在满足运载能力的情况下尽可能的降低成本,它是并列三个猎鹰火箭的第一级来提升运力的,关键在于它的第一级是可以回收的,虽然目前还不能达到完全重复利用的程度,但已经降低了不少成本。根据spaceX公布的商业发射价格,其最低发射价格仅仅9000万美元,要知道这货的运力可是超过了长征5号。一级回收到现在基本已经成熟,整流罩的回收也在摸索当中,就这样spaceX还是不满足,已经开始准备搞二级火箭回收了,届时发射费用会进一步的降低,从而霸占商业航天市场。此外,运力超过土星5号的BFR火箭也已经开始了制造,新一轮的航天竞赛或许即将展开。

土星五号近地轨道运载能力130吨,对于发射地球卫星或是近地轨道空间站,能力严重过剩。后两者最多只需要50吨的运力就够了。

土星五号除了登月还可以用于建设月球基地或月球空间站等用途,只不过美国上个世纪没有这样的航天计划,所以土星五号在登月任务结束后只能停产。

现在美国新研制的登月火箭战神五号和中国的长征九号吸取了土星五号的经验教训,采用了固体助推器捆绑结构。没有登月任务时,去掉固体助推器,芯级运力只剩50多吨,恰好满足各种重型卫星和近地空间站发射任务,避免了没有登月任务火箭就得停产的尴尬。

战神五号和长征九号的区别主要是战神五号芯级是全氢氧火箭捆绑两枚1600吨推力固体助推器,而长征九号芯级采用一级液氧煤油发动机加氢氧上面级捆绑4枚500吨推力液体助推器。每枚助推器都可以单独作为一枚运力十多吨的小火箭用,长九芯级也可单独作为运力50到60吨的火箭使用。

国家机密,不可随便透露,也不能随便猜测!

土星五号火箭登月@悟空问答

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