“哥伦比亚”号航天飞机

“哥伦比亚”号航天飞机（ space shuttle Columbia ），第一架成功地实现近地轨道飞行的美国航天飞机。1981年4月12日首次试飞，在轨道上运行54小时后安全着陆。到1984年10月共飞行5次。“哥伦比亚”号航天飞机（图1）由1个轨道器、1个外贮箱和2个固体火箭助推器组成。

图1　“哥伦比亚”号航天飞机外形结构

轨道器

轨道器是航天飞机最复杂的组成部分，要求使用100次左右。外形上是一个三角翼滑翔机，内部结构类似一般飞机的结构形式。轨道器的主要特点是外表面敷有可重复使用的防热隔热层，可以防护再入时遇到的气动热。机翼前缘和机首温度可达1430°C，采用碳-碳材料防热层。机身和机翼下表面温度为650～1200°C，敷设几万块二氧化硅防热瓦。其他部分的外表面敷盖温度较低的防热层。防热层可使内部承力金属结构件的温度保持在180°C以下。机身前部是驾驶舱和生活舱，可乘坐3～7人，在轨道上持续工作7～30 天。环境控制和生命保障系统（见载人航天器环境控制系统、载人航天器生命保障系统）保持舱内温度在18.5～24°C之间，提供由氧气和氮气组成的一个大气压的气体。飞行中的最大轴向过载为3g。这些环境条件优于以往的载人飞船。机身中段有一个长18.3米，宽4.6米的货舱，装有遥控机械臂，用于装载有效载荷。机身后段是装有3台主发动机的舱，这个舱的两侧上方各有一个突出的舱段，用以安装轨道机动系统（见轨道机动发动机）和反作用操纵系统。在轨道器上，主要是在驾驶舱内，还装有制导、导航和控制系统（见航天器控制系统），数据处理和软件系统，无线电通信、跟踪和测量系统，监测和显示系统，电源配电系统(见航天器电源系统)以及机械液压系统等。轨道器净重约68吨，允许最大着陆重量84.3吨。

航天飞机主发动机（图2）采用高压补燃液氧液氢发动机（见液体火箭发动机），每台的真空推力2090千牛(213吨力)，真空比冲455秒。推力可在额定推力的50％～109％范围内调节，用以控制上升段的过载小于3g。每次飞行工作约8分钟，要求使用50次以上。航天飞机主发动机由推力室、燃气集合器、预燃室、高压燃料泵、高压氧化剂泵、低压燃料泵、低压氧化剂泵、涡轮、活门、控制器和点火器等组成。为了取得高性能，发动机采用分级燃烧的高压补燃系统(见动力循环)。航天飞机主发动机采用了先进的控制系统。发动机上设置了一套包括两台数字计算机的电子控制设备，称为控制器。

图2　主发动机

外贮箱

外贮箱是航天飞机最大的部件，也是唯一的不可回收的部件，用于贮存液氢和液氧推进剂并向主发动机输送推进剂。它连接轨道器和固体火箭助推器，从结构、气动和载荷上构成航天飞机和谐的整体。外贮箱由液氧箱、液氢箱和箱间段组成，总长47.1米，直径8.38米，净重33.5吨，加注推进剂后重约740吨。外贮箱由铝合金制成，外表面敷有泡沫和软木隔热层。

固体火箭助推器

固体火箭助推器为航天飞机垂直起飞和飞出大气层提供约78％的推力，要求使用20次以上。两个火箭助推器的初始总推力达24000千牛（2450吨力），总工作时间117秒。点火后55秒，推力可降低33％，以保证航天飞机的飞行过载不超过3g。固体火箭助推器长45.5米，直径3.7米，重约566吨，地面比冲243秒，真空比冲276秒。先分段浇铸，然后对接装配在一起。在前锥段里装有降落伞系统，用于海上回收。

循环工作程序

地面准备工作程序、飞行程序和回收程序构成“哥伦比亚”号航天飞机的循环工作程序。在肯尼迪航天中心或爱德华兹空军基地的装配大厅把航天飞机呈垂直状态装配在可移动的发射台上，再运到发射塔架旁的导流槽上方。航天飞机经测试检查合格后，开始加注推进剂。发射时，轨道器的3个主发动机先点火，然后两个固体火箭助推器点火。航天飞机垂直起飞，按预定的飞行程序上升。2分钟后，固体火箭助推器关机并分离，此时高度约为45公里。固体火箭助推器分离后靠降落伞悬吊落在海面上，由回收船回收，供下次再用。3台主发动机继续推进轨道器和外贮箱的结合体。起飞后8分钟，主发动机关机，外贮箱与轨道器分离，此时高度约109公里，速度约7470米/秒。外贮箱分离后在坠入大气层时烧毁。轨道机动系统发动机点火，用小推力把轨道器精确地送入预定的近地轨道。轨道参数随任务的不同而异，通常在185～1100公里之间，轨道倾角在28.5°～105°之间。最大有效载荷为29.5吨。轨道器可在近地轨道上运行3～30天，执行各种航天任务。返回时轨道机动系统发动机点火，使轨道器减速，脱离卫星轨道并沿椭圆轨道再入大气层。进入大气层后按大攻角姿态飞行以增加气动阻力，进行减速和控制气动加热。飞行攻角随飞行速度下降而逐渐减小。最后进入亚音速滑翔飞行状态，在导航系统引导下寻找机场和着陆。着陆速度约为340～365公里/时，需要的跑道长度为3000米。轨道器着陆后，首先要进行安全处理，然后维修、装填和测试检查，以备下次飞行使用。

在起飞之后到飞行262秒之前，如发现轨道器不能入轨或没有必要继续飞行，轨道器可按应急返回程序利用外贮箱的推进剂，紧急飞回发射场区的机场着陆。