顧世敏

從奧蘭多驅(qū)車向東南,大約45分鐘,就可以到達(dá)肯尼迪航天中心(KSC)了。它位于佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角,南北最大距離55公里,東西向最寬10公里,是美國重要的載人航天中心,擁有各種獨(dú)特裝備和設(shè)施。不過,親臨現(xiàn)場(chǎng)感覺到的不僅僅是現(xiàn)代科技和人類建筑物,還有原始狀態(tài)的地理環(huán)境和眾多的野生動(dòng)植物。頭上有老鷹在盤旋,附近有羽毛鮮艷的水鳥在覓食,路邊的沼澤里時(shí)常漂浮著懶洋洋的鱷魚,象一段段長年拋棄的朽木。原來,這里還是美國規(guī)模龐大的瀕危野生動(dòng)植物及生態(tài)環(huán)境保護(hù)地。當(dāng)然,人們長途跋涉來到這里,并不是觀賞這里的野生環(huán)境,而是被這里的航天事業(yè)所吸引。題圖照片為肯尼迪航天中心飛行大樓,航天飛機(jī)在這里與火箭助推器及推進(jìn)劑組合在一起,然后送往發(fā)射臺(tái)。

美國的航天運(yùn)輸系統(tǒng)

1972年1月5日,美國總統(tǒng)尼克松批準(zhǔn)美國國家航空航天局(NASA)研制可重復(fù)使用的航天飛行系統(tǒng),稱之為“航天飛機(jī)”。它不同于火箭和飛船體系,但也不只是飛行器,而是整個(gè)“航天運(yùn)輸概念”,其飛行任務(wù)代號(hào)即為航天運(yùn)輸系統(tǒng)(SpaceTransportationSystem,簡(jiǎn)稱STS)加上系列號(hào)。比如,1999年7月23日第一次由一位名叫艾琳·柯林斯女士擔(dān)任指令長的飛行任務(wù)命名為STS-93。美國航空航天局代表美國政府,全面負(fù)責(zé)國內(nèi)外的航天飛行業(yè)務(wù)。

航天運(yùn)輸系統(tǒng)整個(gè)合同由德州休斯頓的美國航空航天局約翰遜航天中心(JSC)負(fù)責(zé)組織實(shí)施,它由四大單元組成:一套軌道飛行器即俗稱航天飛機(jī),兩套火箭助推器(SRB),一套推進(jìn)劑箱和三臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)。航天飛機(jī)由位于加州的洛克韋爾國際集團(tuán)航天運(yùn)輸系統(tǒng)部制造,它也負(fù)責(zé)全機(jī)系統(tǒng)集成及整套航天運(yùn)輸系統(tǒng)?；鸺破饔瑟q他州的馬頓集團(tuán)設(shè)計(jì)制造,但在肯尼迪航天中心完成總裝和系統(tǒng)集成。推進(jìn)劑箱由新奧爾良的馬丁·馬瑞塔集團(tuán)制造。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由美國航空航天局馬歇爾航天飛行中心負(fù)責(zé),由洛克韋爾集團(tuán)的加州洛克代尼分部制造。

航天運(yùn)輸系統(tǒng)主要用于近地軌道往返運(yùn)輸,其指揮控制中心在約翰遜航天中心?？夏岬虾教熘行呢?fù)責(zé)發(fā)射升空、返航著陸和地面周轉(zhuǎn)及保障。

第一架航天飛機(jī)代號(hào)為OV-101,正式命名為“企業(yè)”號(hào),用于地面各類實(shí)驗(yàn)和飛行驗(yàn)證。正式用于升空的是OV-102即“哥倫比亞”號(hào),于1979年3月25日由波音747馱載到肯尼迪航天中心。之后,改進(jìn)過的OV-099命名為“挑戰(zhàn)者”,于1982年7月5日交付,OV-103命名為“發(fā)現(xiàn)者”,1983年11月9日抵達(dá)肯尼迪航天中心。1985年4月3日交付的OV-104命名為“亞特蘭蒂斯”。這些名字來源于美國歷史上著名的航海艦艇:“哥倫比亞”號(hào)是1836年投入使用的掛帆快艇,為美國海軍環(huán)球航行的主要艦船之一?！疤魬?zhàn)者”也是海軍艦艇的名字,它參加過1872年至1876年間的大西洋和太平洋遠(yuǎn)洋探險(xiǎn)?！鞍l(fā)現(xiàn)者”在1610年至1611年間探索大西洋和太平洋西北方向的捷徑,并發(fā)現(xiàn)了夏威夷群島等地?！皝喬靥m蒂斯”為美國海洋地理研究所1930年到1966年間使用的一艘雙桅帆船。

當(dāng)前,美國有兩個(gè)航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)射中心,肯尼迪航天中心負(fù)責(zé)赤道軌道、加州范登堡空軍基地負(fù)責(zé)兩極軌道發(fā)射任務(wù)。它們也是航天飛機(jī)的正常著陸點(diǎn)。加州愛德華茲空軍基地作為主備降基地,白沙空軍基地供緊急返航著陸使用。如在外地著陸,需用特制的波音747把它馱載回到肯尼迪航天中心,再次飛行準(zhǔn)備時(shí)間增加一周,費(fèi)用也增加100萬美元左右。但愛德華茲擁有獨(dú)特的先天條件:11400公頃堅(jiān)硬廣闊的干涸湖床作為基本跑道,長達(dá)12公里,還建有一條水泥跑道,用于夜間著陸,以免沙塵過多影響燈光引導(dǎo)系統(tǒng),天氣條件也比肯尼迪航天中心好,特別是航天飛機(jī)較重或肯尼迪航天中心天氣變化時(shí),只要在著陸之前提前一段時(shí)間,都可以臨時(shí)備降到愛德華茲。目前,在這里著陸次數(shù)多達(dá)半數(shù)以上。

為了獲得著陸飛行和地面保障經(jīng)驗(yàn),航天飛機(jī)頭三次返回著陸,也在愛德華茲空軍基地進(jìn)行。1983年6月,由“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)完成了代號(hào)為“航天運(yùn)輸系統(tǒng)-7”的航天飛行,原計(jì)劃首次實(shí)現(xiàn)在肯尼迪航天中心著陸,因天氣原因,依然在愛德華茲著陸。之后的兩次也是如此。一直到了1984年2月11日,代號(hào)“41-B”的飛行任務(wù)才實(shí)現(xiàn)了在肯尼迪航天中心的第一次著陸。但在1985年的一次著陸中,由于剎車過度,一個(gè)機(jī)輪爆破,導(dǎo)致有關(guān)方面再次考慮肯尼迪航天中心著陸的安全性。在加裝了前輪操縱系統(tǒng)和改進(jìn)了剎車系統(tǒng)后,1986年元月,“挑戰(zhàn)者”代號(hào)“61-C”的飛行計(jì)劃才重新安排肯尼迪航天中心作為返航著陸點(diǎn),但因天氣惡劣再次改降愛德華茲。兩周后,“挑戰(zhàn)者”自身在發(fā)射中不幸損失,因此重新考慮肯尼迪航天中心的著陸設(shè)施是否足夠安全。之后,改進(jìn)了航天飛機(jī)的主起落架和碳剎車,增強(qiáng)了前輪操縱性,更換了輪胎型號(hào)。1991年交付的“奮進(jìn)”號(hào)就是第一架改進(jìn)后的航天飛機(jī)。同時(shí),重新設(shè)計(jì)了肯尼迪航天中心的跑道表面摩擦性,減少了兩端頭1066米正常接地區(qū)域?qū)喬ギa(chǎn)生的磨損,加長了安全道長度。1991年,肯尼迪航天中心得以重新作為返航著陸基地使用。

復(fù)雜繁多的準(zhǔn)備

發(fā)射前的準(zhǔn)備工作在肯尼迪航天中心飛行保障中心大樓內(nèi)進(jìn)行,在那里,航天飛機(jī)與火箭助推器組合在推進(jìn)劑箱上,姿態(tài)垂直向上,然后,用履帶式平板運(yùn)載車把它們整體運(yùn)往指定的發(fā)射臺(tái)?？夏岬虾教熘行牡谝粋€(gè)用于航天運(yùn)輸系統(tǒng)任務(wù)的發(fā)射臺(tái)代號(hào)為39-A。在正常情況下,機(jī)組人員通過旋轉(zhuǎn)懸臂式通道進(jìn)入航天飛機(jī),該通道高44.8米,回轉(zhuǎn)幅度70度,時(shí)間30秒,航天飛機(jī)在點(diǎn)火前7分24秒與它脫離。機(jī)組的緊急撤離通道為封閉式消防撤離滑梯,一共有7套,每套里面有一個(gè)直徑1.5米、高度1.05米的撤離籠,可搭載3人,經(jīng)4組纜索吊落到發(fā)射臺(tái)下,然后,機(jī)組通過臺(tái)下的防爆斗,撤離可能爆炸的發(fā)射臺(tái)。在正常情況下,它在發(fā)射前30秒脫開。

專門為航天運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)了著陸設(shè)施,于1976年完成。跑道長度4571米,寬91米。中間高,兩側(cè)低,以形成良好的排水能力。此外,有300米延長道。跑道南停機(jī)坪為常規(guī)停機(jī)坪,東北停機(jī)坪為裝卸停機(jī)坪,用于將航天飛機(jī)裝在波音747機(jī)背上,或者從該機(jī)機(jī)背上卸下來。專用的裝卸臺(tái)長45米,寬28米,高32米。在跑道中段外側(cè),設(shè)有指揮塔臺(tái)、救護(hù)隊(duì)和消防隊(duì),還有一個(gè)供輿論界和賓客觀賞著陸過程的看臺(tái)。

航天飛機(jī)相當(dāng)于DC-9飛機(jī)大小。從這個(gè)角度說,并不需要這么長的跑道。但它沒有動(dòng)力,又以超音速大速度下滑,以及沒有復(fù)飛能力,必須盡量為其著陸操作創(chuàng)造便利條件。

跑道異物對(duì)這樣大速度著陸的飛機(jī)十分危險(xiǎn)。因此,在飛機(jī)接地前15分鐘,地面人員要對(duì)跑道進(jìn)行最后檢查。然而,飛鳥很容易打傷航天飛機(jī)表面的隔熱瓦。作為野生自然保護(hù)區(qū),這里的鳥類有300多種。工作人員使用驅(qū)鳥廣播,經(jīng)常修剪跑道兩側(cè)草坪,以免鳥類接近跑道。

飛機(jī)接地后,由于它沒有動(dòng)力,需要用柴油牽引車把它拖回飛行保障中心。訓(xùn)練用的航天飛機(jī)飛行模擬器也坐落在這里。航天飛機(jī)的飛行技能也通過T-38教練機(jī)來訓(xùn)練。這些飛機(jī)也停放在這個(gè)區(qū)域。此外,用于保障工作的其它運(yùn)輸機(jī)和直升機(jī)也在這里作業(yè)。

此外,還有一套由電子控制的精密著陸燈光輔助系統(tǒng)。從高度2285米起,如果航天飛機(jī)高于預(yù)定的下滑道,機(jī)組人員看見的燈光是紅色的,反之,是白色的。只有飛機(jī)處于預(yù)定的下滑道之內(nèi),他們才可以同時(shí)看見紅白兩色的燈光信號(hào)。整個(gè)著陸機(jī)動(dòng)階段均有燈光引導(dǎo)信號(hào),機(jī)組人員只要調(diào)整飛機(jī)姿態(tài),同時(shí)看見紅白相間的燈光信號(hào),就說明飛機(jī)處于正確的下滑道上。在離地面高度676米左右時(shí),可以看見4組,每組各24個(gè)燈源的接地指示信號(hào)。如果機(jī)組人員看見它們?yōu)榧t白兩色,就可以放下起落架,使飛機(jī)進(jìn)入接地狀態(tài)。夜間著陸時(shí),跑道燈光呈背光照明狀態(tài),以免機(jī)組人員感覺眩目。

在氣象條件要求方面,在航天飛機(jī)處于軌道上,要決策是否開始著陸時(shí),從時(shí)間上說,大約距離著陸點(diǎn)90分鐘時(shí),要求肯尼迪航天中心當(dāng)?shù)氐陀?047米的云不多于20%,能見度不小于8公里,側(cè)風(fēng)不大于22公里/小時(shí)。如果本次著陸重量較大,則還需要把側(cè)風(fēng)條件提高到不大于19公里/小時(shí)。同時(shí),在著陸地帶55公里范圍內(nèi),不得有雷暴條件,在19公里內(nèi),不得有降水的可能。

氣象預(yù)報(bào)由約翰遜航天中心航天飛行氣象中心發(fā)布,也需要肯尼迪航天中心現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)小組的實(shí)際數(shù)據(jù),并與相鄰的美國空軍卡納維拉爾角空軍基地的氣象預(yù)報(bào)中心協(xié)調(diào)。同時(shí),美國航空航天局的氣象探測(cè)飛機(jī)在空中進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)探測(cè)。對(duì)所有這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析比較后,才能做出是否可以開始著陸的氣象預(yù)報(bào)。

著陸后工作

在著陸前兩小時(shí),著陸保障部門就投入了工作。這涉及到150多人,30輛專用車輛。他們對(duì)機(jī)組的引導(dǎo)和護(hù)航不僅僅在飛機(jī)落地后,而是從航天飛機(jī)脫離軌道就開始了。無論航天飛機(jī)在哪里著陸,都由這些保障人員負(fù)責(zé)。

在飛機(jī)著陸后,飛機(jī)停在跑道上,首先由身著全封閉保護(hù)服的探測(cè)人員對(duì)飛機(jī)外圍進(jìn)行探測(cè),檢驗(yàn)分析是否有高度可燃或有毒氣體及濃度如何。如果探測(cè)到有關(guān)氣體濃度很高,而且當(dāng)時(shí)無自然風(fēng),就需要使用專用車輛對(duì)航天飛機(jī)吹風(fēng)。之后,由凈化冷卻車輛接上補(bǔ)給管,通過這根管道,以檢測(cè)氫的濃度。如果濃度高于3%,應(yīng)立刻對(duì)航天飛機(jī)停車關(guān)機(jī),并對(duì)機(jī)組實(shí)施緊急撤離。反之,著陸后的行動(dòng)繼續(xù)按正常程序進(jìn)行,即通過補(bǔ)給管道,向飛機(jī)內(nèi)注入凈化空氣和冷卻劑,進(jìn)一步除去飛機(jī)各艙位或腔體內(nèi)可能存在的有害或可燃?xì)怏w。這些都在著陸后45分鐘內(nèi)進(jìn)行,當(dāng)然,地面空調(diào)系統(tǒng)接通后,就可以關(guān)閉機(jī)上冷卻系統(tǒng)了。

當(dāng)確認(rèn)一切無誤后,機(jī)組舷梯車靠上航天飛機(jī)艙門,打開“安全檢查間”,機(jī)組人員進(jìn)入這里,由醫(yī)生進(jìn)行短暫的體檢,通常,這種檢查工作需在飛機(jī)著陸后60分鐘內(nèi)完成。

接下來便是機(jī)組人員撤離飛機(jī)。他們從“安全檢查間”直接走向機(jī)組接送車。這個(gè)接送車是用普通機(jī)場(chǎng)旅客擺渡車改裝過來的。所以,在外面觀看著陸的人看不見機(jī)組人員下機(jī)。

在機(jī)組人員離開飛機(jī)后,整個(gè)引導(dǎo)和護(hù)航行動(dòng)結(jié)束,約翰遜航天中心則把后繼工作交給肯尼迪航天中心。地面保障人員登上航天飛機(jī),準(zhǔn)備把它牽引回飛行保障中心。輪胎系統(tǒng)冷卻需要45分鐘,這個(gè)期間的工作是把各種開關(guān)關(guān)閉并打開保險(xiǎn),從實(shí)驗(yàn)裝置上取下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和存貯器。還需要把起落架徹底鎖定在“放下”位置上,卸下前輪減速裝置,連接好牽引桿。通常,在著陸后4小時(shí)開始牽引,整個(gè)牽引工作在6小時(shí)之內(nèi)結(jié)束。

雖然航天飛行任務(wù)由約翰遜航天中心指揮,但肯尼迪航天中心的工程測(cè)試小組位于發(fā)射控制中心內(nèi),一直在監(jiān)測(cè)航天飛機(jī)上的數(shù)據(jù)。在約翰遜航天中心把航天飛機(jī)控制權(quán)移交給肯尼迪航天中心后,該小組開始指揮后續(xù)工作,直至把航天飛機(jī)拖回到指定的飛行保障中心。那里,也是它下一次飛行的準(zhǔn)備地點(diǎn)?？夏岬虾教熘行哪壳坝腥齻€(gè)飛行保障中心,將根據(jù)任務(wù)不同決定在哪里準(zhǔn)備下一次升空。

中斷起飛和緊急返航

象普通飛機(jī)要考慮緊急迫降一樣,航天運(yùn)輸系統(tǒng)必須考慮發(fā)射后,遇到緊急情況航天飛機(jī)如何中斷起飛或者緊急返航。

在上升階段,如果飛行性能受到影響,如主發(fā)動(dòng)機(jī)故障,或姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)故障,就要考慮中斷起飛。入軌飛行后,如果發(fā)生艙體泄漏、環(huán)境系統(tǒng)故障、人員或者實(shí)驗(yàn)本身發(fā)生意外影響到飛行安全等,需要縮短日程,緊急返航。無論哪種非正常返航,都可歸結(jié)為“返場(chǎng)著陸”和“就近著陸”兩類,前者是返回預(yù)定著陸點(diǎn),后者則為了盡最大努力拯救機(jī)組人員的生命安全,在來不及返回預(yù)定地點(diǎn)情況下實(shí)施。由于“就近著陸”保障條件差,風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)比較大,因此,這個(gè)方案往往是在最后抉擇。只要條件允許,應(yīng)首先采用“返場(chǎng)著陸”方案。

在“返場(chǎng)著陸”方案中,又可分為四種情形:如果在上升過程中發(fā)現(xiàn)問題,應(yīng)立刻降低預(yù)定飛行軌道高度,立刻減少所需功率,提前進(jìn)入平飛,抓緊時(shí)間評(píng)估故障情況,決定是否繼續(xù)上升,還是立刻返航。因此,需要研制繼續(xù)上升或者立刻返航下降這兩套臨時(shí)機(jī)動(dòng)推力程序。這套程序稱之為“中斷入軌程序”(ATO——AborttoOrbit)。這時(shí),如果可以返回發(fā)射地,則執(zhí)行“返回發(fā)射地著陸程序”(RTLS——ReturnToLaunchSite)。與正常著陸程序不同的是,與緊急著陸時(shí)飛機(jī)需要空中放油以減輕著陸重量類似,首先降低軌道,繼續(xù)飛行,以便盡快消耗燃料,然后再返航。第三種情況是,入軌后需要返航,即需要立刻縮短后續(xù)日程,則按正常返航程序脫軌,再入大氣層。這套緊急返航程序稱之為“中斷任務(wù)程序”(AOO——AbortOnceOrbit)。第四,如已錯(cuò)過執(zhí)行“返回發(fā)射地著陸程序”(RTLS——ReturnToLaunchSite)點(diǎn),則按彈道軌跡飛越大西洋下降著陸,稱之為“飛越大西洋著陸程序”(TAL——TransatlanticLanding)。預(yù)定的備降點(diǎn)設(shè)在沿著飛行軌跡預(yù)定的有關(guān)機(jī)場(chǎng),以盡量減少航天飛機(jī)的機(jī)動(dòng)飛行。

如果兩臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障,或其它系統(tǒng)也相繼發(fā)生故障,無法完成任務(wù),就必須考慮“就近著陸”方案了。這時(shí),首先考慮如何保障機(jī)組人身安全,并不在乎航天飛機(jī)在哪里著陸。尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)相繼故障或者引起其它系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)后,無法很好地控制住飛行姿態(tài),這時(shí),可能需要實(shí)施“俯沖返航方案”,即機(jī)組人員使用救生逃逸裝置脫離航天飛機(jī)。

肯尼迪航天中心未來的發(fā)展

自從第一次發(fā)射火箭以來,肯尼迪航天中心已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)了半個(gè)世紀(jì)。如今,這里已是世界上規(guī)模最大、發(fā)射品種最多的航天發(fā)射場(chǎng)。當(dāng)前,它由美國空軍第45航天聯(lián)隊(duì)和肯尼迪航天中心工作隊(duì)共同支持發(fā)射任務(wù)。在這里,還從事相關(guān)科研工作,包括研究今后的太空港技術(shù),這里也是美國在阿拉斯加州卡迪亞克島新建的火箭發(fā)射基地的主要技術(shù)支持者。當(dāng)前的商業(yè)飛行主要是把價(jià)值幾百億美元的衛(wèi)星送上預(yù)定軌道,將來有哪些運(yùn)輸需要呢?

計(jì)劃之一是,在今后10年內(nèi),可以為科研、制造和國際運(yùn)輸、商務(wù)旅行,甚至普通旅游業(yè)提供航天飛行。在旅游業(yè)方面,目前最具實(shí)用情景的是在近地軌道上小住。也許在不遠(yuǎn)的將來,就會(huì)有普通旅游者來到肯尼迪航天中心,搭乘航天飛機(jī)去近地軌道上的太空旅館。

因此,首先要考慮在肯尼迪航天中心如何部署相應(yīng)的太空港。開發(fā)航天運(yùn)輸系統(tǒng)大致與航空運(yùn)輸系統(tǒng)類似,首先,需要一個(gè)機(jī)場(chǎng)。這個(gè)機(jī)場(chǎng)應(yīng)該是什么樣子,在沒有先例可供參考的情況下,主要靠科學(xué)和藝術(shù)的想象力?？梢灶A(yù)計(jì),如果航天技術(shù)繼續(xù)保持現(xiàn)有的發(fā)展增長,在不久的將來,太空旅行也會(huì)成為一種大眾運(yùn)輸方式。航空運(yùn)輸之所以從探險(xiǎn)演變?yōu)榇蟊娺\(yùn)輸工具,主要?dú)w功于技術(shù)進(jìn)步?？夏岬虾教熘行牡目蒲心繕?biāo)正是如此:努力開發(fā)航天運(yùn)輸技術(shù),使之更安全、更便捷,更便宜。

新型航天飛行器由美國航空航天局的其他科研中心研制,肯尼迪航天中心則負(fù)責(zé)先進(jìn)的太空港技術(shù),以全面降低飛行器的運(yùn)行成本。當(dāng)前,送一位體重僅30公斤的孩子上近地軌道的成本是60萬美元,大多數(shù)家庭無力負(fù)擔(dān)。美國航空航天局的目標(biāo)是,未來20年內(nèi),大幅度降低航天運(yùn)輸成本,當(dāng)前是20000美元/公斤,今后10年內(nèi)降低到2000美元/公斤,接下來的10年,降低到200美元/公斤。

太空港技術(shù),包括用于準(zhǔn)備空間貨物、航天飛行器、發(fā)射和回收航天飛行器的方法、機(jī)械和運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。今天的航天運(yùn)輸不僅僅是火箭技術(shù),它也是一種改進(jìn)人類生活的科學(xué)技術(shù)。比如說,已經(jīng)從肯尼迪航天中心發(fā)射上天的衛(wèi)星降低了長途電話的成本,提供了更多更好的電視頻道和節(jié)目,提供了更便捷的個(gè)人信用卡交易,還有非常便宜的個(gè)人衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)、全球范圍的互連網(wǎng)絡(luò),以及全球范圍的氣象監(jiān)測(cè)能力。當(dāng)然,未來的太空港應(yīng)該便于洲際旅行,首先是在郵遞和貨物運(yùn)輸方面。也許在將來,他們還應(yīng)該是人類前往近地軌道旅館的起點(diǎn)。說得更遠(yuǎn)一點(diǎn),也是人類飛往火星的起飛機(jī)場(chǎng)。

責(zé)任編輯:京勉■