美国航天飞行控制中心【美国肯尼迪航天中心及其航天飞行】
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发布时间：2023-05-01 17:50
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时间：2023-10-12 20:06
美国的航天运输系统
1972年1月5日,美国总统尼克松批准美国国家航空航天局(NASA)研制可重复使用的航天飞行系统,称之为“航天飞机”。它不同于火箭和飞船体系,但也不只是飞行器,而是整个“航天运输概念”,其飞行任务代号即为航天运输系统(SpaceTransportationSystem,简称STS)加上系列号。比如,1999年7月23日第一次由一位名叫艾琳・柯林斯女士担任指令长的飞行任务命名为STS-93。美国航空航天局代表美国*,全面负责国内外的航天飞行业务。
航天运输系统整个合同由德州休斯顿的美国航空航天局约翰逊航天中心(JSC)负责组织实施,它由四大单元组成:一套轨道飞行器即俗称航天飞机,两套火箭助推器(SRB),一套推进剂箱和三台主发动机。航天飞机由位于加州的洛克韦尔国际集团航天运输系统部制造,它也负责全机系统集成及整套航天运输系统。火箭助推器由犹他州的马顿集团设计制造,但在肯尼迪航天中心完成总装和系统集成。推进剂箱由新奥尔良的马丁・马瑞塔集团制造。发动机系统由美国航空航天局马歇尔航天飞行中心负责,由洛克韦尔集团的加州洛克代尼分部制造。
航天运输系统主要用于近地轨道往返运输,其指挥控制中心在约翰逊航天中心。肯尼迪航天中心负责发射升空、返航着陆和地面周转及保障。
第一架航天飞机代号为OV-101,正式命名为“企业”号,用于地面各类实验和飞行验证。正式用于升空的是OV-102即“哥伦比亚”号,于1979年3月25日由波音747驮载到肯尼迪航天中心。之后,改进过的OV-099命名为“挑战者”,于1982年7月5日交付,OV-103命名为“发现者”,1983年11月9日抵达肯尼迪航天中心。1985年4月3日交付的OV-104命名为“亚特兰蒂斯”。这些名字来源于美国历史上著名的航海舰艇:“哥伦比亚”号是1836年投入使用的挂帆快艇,为美国海军环球航行的主要舰船之一。“挑战者”也是海军舰艇的名字,它参加过1872年至1876年间的大西洋和太平洋远洋探险。“发现者”在1610年至1611年间探索大西洋和太平洋西北方向的捷径,并发现了夏威夷群岛等地。“亚特兰蒂斯”为美国海洋地理研究所1930年到1966年间使用的一艘双桅帆船。
当前,美国有两个航天运输系统发射中心,肯尼迪航天中心负责赤道轨道、加州范登堡空军基地负责两极轨道发射任务。它们也是航天飞机的正常着陆点。加州爱德华兹空军基地作为主备降基地,白沙空军基地供紧急返航着陆使用。如在外地着陆,需用特制的波音747把它驮载回到肯尼迪航天中心,再次飞行准备时间增加一周,费用也增加100万美元左右。但爱德华兹拥有独特的先天条件:11400公顷坚硬广阔的干涸湖床作为基本跑道,长达12公里,还建有一条水泥跑道,用于夜间着陆,以免沙尘过多影响灯光引导系统,天气条件也比肯尼迪航天中心好,特别是航天飞机较重或肯尼迪航天中心天气变化时,只要在着陆之前提前一段时间,都可以临时备降到爱德华兹。目前,在这里着陆次数多达半数以上。
为了获得着陆飞行和地面保障经验,航天飞机头三次返回着陆,也在爱德华兹空军基地进行。1983年6月,由“挑战者”号航天飞机完成了代号为“航天运输系统-7”的航天飞行,原计划首次实现在肯尼迪航天中心着陆,因天气原因,依然在爱德华兹着陆。之后的两次也是如此。一直到了1984年2月11日,代号“41-B”的飞行任务才实现了在肯尼迪航天中心的第一次着陆。但在1985年的一次着陆中,由于刹车过度,一个机轮爆破,导致有关方面再次考虑肯尼迪航天中心着陆的安全性。在加装了前轮操纵系统和改进了刹车系统后,1986年元月,“挑战者”代号“61-C”的飞行计划才重新安排肯尼迪航天中心作为返航着陆点,但因天气恶劣再次改降爱德华兹。两周后,“挑战者”自身在发射中不幸损失,因此重新考虑肯尼迪航天中心的着陆设施是否足够安全。之后,改进了航天飞机的主起落架和碳刹车,增强了前轮操纵性,更换了轮胎型号。1991年交付的“奋进”号就是第一架改进后的航天飞机。同时,重新设计了肯尼迪航天中心的跑道表面摩擦性,减少了两端头1066米正常接地区域对轮胎产生的磨损,加长了安全道长度。1991年,肯尼迪航天中心得以重新作为返航着陆基地使用。
复杂繁多的准备
发射前的准备工作在肯尼迪航天中心飞行保障中心大楼内进行,在那里,航天飞机与火箭助推器组合在推进剂箱上,姿态垂直向上,然后,用履带式平板运载车把它们整体运往指定的发射台。肯尼迪航天中心第一个用于航天运输系统任务的发射台代号为39-A。在正常情况下,机组人员通过旋转悬臂式通道进入航天飞机,该通道高44.8米,回转幅度70度,时间30秒,航天飞机在点火前7分24秒与它脱离。机组的紧急撤离通道为封闭式消防撤离滑梯,一共有7套,每套里面有一个直径1.5米、高度1.05米的撤离笼,可搭载3人,经4组缆索吊落到发射台下,然后,机组通过台下的防爆斗,撤离可能爆炸的发射台。在正常情况下,它在发射前30秒脱开。
专门为航天运输系统设计了着陆设施,于1976年完成。跑道长度4571米,宽91米。中间高,两侧低,以形成良好的排水能力。此外,有300米延长道。跑道南停机坪为常规停机坪,东北停机坪为装卸停机坪,用于将航天飞机装在波音747机背上,或者从该机机背上卸下来。专用的装卸台长45米,宽28米,高32米。在跑道中段外侧,设有指挥塔台、救护队和消防队,还有一个供*界和宾客观赏着陆过程的看台。
航天飞机相当于DC-9飞机大小。从这个角度说,并不需要这么长的跑道。但它没有动力,又以超音速大速度下滑,以及没有复飞能力,必须尽量为其着陆操作创造便利条件。
跑道异物对这样大速度着陆的飞机十分危险。因此,在飞机接地前15分钟,地面人员要对跑道进行最后检查。然而,飞鸟很容易打伤航天飞机表面的隔热瓦。作为野生自然保护区,这里的鸟类有300多种。工作人员使用驱鸟广播,经常修剪跑道两侧草坪,以免鸟类接近跑道。
飞机接地后,由于它没有动力,需要用柴油牵引车把它拖回飞行保障中心。训练用的航天飞机飞行模拟器也坐落在这里。航天飞机的飞行技能也通过T-38教练机来训练。这些飞机也停放在这个区域。此外,用于保障工作的其它运输机和直升机也在这里作业。
此外,还有一套由电子控制的精密着陆灯光辅助系统。从高度2285米起,如果航天飞机高于预定的下滑道,机组人员看见的灯光是红色的,反之,是白色的。只有飞机处于预定的下滑道之内,他们才可以同时看见红白两色的灯光信号。整个着陆机动阶段均有灯光引导信号,机组人员只要调整飞机姿态,同时看见红白相间的灯光信号,就说明飞机处于正确的下滑道上。在离地面高度676米左右时,可以看见4组,每组各24个灯源的接地指示信号。如果机组人员看见它们为红白两色,就可以放下起落架,使飞机进入接地状态。夜间着陆时,跑道灯光呈背光照明状态,以免机组人员感觉眩目。
在气象条件要求方面,在航天飞机处于轨道上,要决策是否开始着陆时,从时间上说,大约距离着陆点90分钟时,要求肯尼迪航天中心当地低于3047米的云不多于20%,能见度不小于8公里,侧风不大于22公里/小时。如果本次着陆重量较大,则还需要把侧风条件提高到不大于19公里/小时。同时,在着陆地带55公里范围内,不得有雷暴条件,在19公里内,不得有降水的可能。
气象预报由约翰逊航天中心航天飞行气象中心发布,也需要肯尼迪航天中心现场观测小组的实际数据,并与相邻的美国空军卡纳维拉尔角空军基地的气象预报中心协调。同时,美国航空航天局的气象探测飞机在空中进行实际数据探测。对所有这些数据进行综合分析比较后,才能做出是否可以开始着陆的气象预报。
着陆后工作
在着陆前两小时,着陆保障部门就投入了工作。这涉及到150多人,30辆专用车辆。他们对机组的引导和护航不仅仅在飞机落地后,而是从航天飞机脱离轨道就开始了。无论航天飞机在哪里着陆,都由这些保障人员负责。
在飞机着陆后,飞机停在跑道上,首先由身着全封闭保护服的探测人员对飞机外围进行探测,检验分析是否有高度可燃或有毒气体及浓度如何。如果探测到有关气体浓度很高,而且当时无自然风,就需要使用专用车辆对航天飞机吹风。之后,由净化冷却车辆接上补给管,通过这根管道,以检测氢的浓度。如果浓度高于3%,应立刻对航天飞机停车关机,并对机组实施紧急撤离。反之,着陆后的行动继续按正常程序进行,即通过补给管道,向飞机内注入净化空气和冷却剂,进一步除去飞机各舱位或腔体内可能存在的有害或可燃气体。这些都在着陆后45分钟内进行,当然,地面空调系统接通后,就可以关闭机上冷却系统了。
当确认一切无误后,机组舷梯车靠上航天飞机舱门,打开“安全检查间”,机组人员进入这里,由医生进行短暂的体检,通常,这种检查工作需在飞机着陆后60分钟内完成。
接下来便是机组人员撤离飞机。他们从“安全检查间”直接走向机组接送车。这个接送车是用普通机场旅客摆渡车改装过来的。所以,在外面观看着陆的人看不见机组人员下机。
在机组人员离开飞机后,整个引导和护航行动结束,约翰逊航天中心则把后继工作交给肯尼迪航天中心。地面保障人员登上航天飞机,准备把它牵引回飞行保障中心。轮胎系统冷却需要45分钟,这个期间的工作是把各种开关关闭并打开保险,从实验装置上取下实验数据记录和存贮器。还需要把起落架彻底锁定在“放下”位置上,卸下前轮减速装置,连接好牵引杆。通常,在着陆后4小时开始牵引,整个牵引工作在6小时之内结束。
虽然航天飞行任务由约翰逊航天中心指挥,但肯尼迪航天中心的工程测试小组位于发射控制中心内,一直在监测航天飞机上的数据。在约翰逊航天中心把航天飞机控制权移交给肯尼迪航天中心后,该小组开始指挥后续工作,直至把航天飞机拖回到指定的飞行保障中心。那里,也是它下一次飞行的准备地点。肯尼迪航天中心目前有三个飞行保障中心,将根据任务不同决定在哪里准备下一次升空。
中断起飞和紧急返航
象普通飞机要考虑紧急迫降一样,航天运输系统必须考虑发射后,遇到紧急情况航天飞机如何中断起飞或者紧急返航。
在上升阶段,如果飞行性能受到影响,如主发动机故障,或姿态控制发动机故障,就要考虑中断起飞。入轨飞行后,如果发生舱体泄漏、环境系统故障、人员或者实验本身发生意外影响到飞行安全等,需要缩短日程,紧急返航。无论哪种非正常返航,都可归结为“返场着陆”和“就近着陆”两类,前者是返回预定着陆点,后者则为了尽最大努力拯救机组人员的生命安全,在来不及返回预定地点情况下实施。由于“就近着陆”保障条件差,风险相对比较大,因此,这个方案往往是在最后抉择。只要条件允许,应首先采用“返场着陆”方案。
在“返场着陆”方案中,又可分为四种情形:如果在上升过程中发现问题,应立刻降低预定飞行轨道高度,立刻减少所需功率,提前进入平飞,抓紧时间评估故障情况,决定是否继续上升,还是立刻返航。因此,需要研制继续上升或者立刻返航下降这两套临时机动推力程序。这套程序称之为“中断入轨程序”(ATO――AborttoOrbit)。这时,如果可以返回发射地,则执行“返回发射地着陆程序”(RTLS――ReturnToLaunchSite)。与正常着陆程序不同的是,与紧急着陆时飞机需要空中放油以减轻着陆重量类似,首先降低轨道,继续飞行,以便尽快消耗燃料,然后再返航。第三种情况是,入轨后需要返航,即需要立刻缩短后续日程,则按正常返航程序脱轨,再入大气层。这套紧急返航程序称之为“中断任务程序”(AOO――AbortOnceOrbit)。第四,如已错过执行“返回发射地着陆程序”(RTLS――ReturnToLaunchSite)点,则按弹道轨迹飞越大西洋下降着陆,称之为“飞越大西洋着陆程序”(TAL――TransatlanticLanding)。预定的备降点设在沿着飞行轨迹预定的有关机场,以尽量减少航天飞机的机动飞行。
如果两台主发动机发生故障,或其它系统也相继发生故障,无法完成任务,就必须考虑“就近着陆”方案了。这时,首先考虑如何保障机组人身安全,并不在乎航天飞机在哪里着陆。尤其在发动机相继故障或者引起其它系统的连锁反应后,无法很好地控制住飞行姿态,这时,可能需要实施“俯冲返航方案”,即机组人员使用救生逃逸装置脱离航天飞机。
肯尼迪航天中心未来的发展
自从第一次发射火箭以来,肯尼迪航天中心已经运转了半个世纪。如今,这里已是世界上规模最大、发射品种最多的航天发射场。当前,它由美国空军第45航天联队和肯尼迪航天中心工作队共同支持发射任务。在这里,还从事相关科研工作,包括研究今后的太空港技术,这里也是美国在阿拉斯加州卡迪亚克岛新建的火箭发射基地的主要技术支持者。当前的商业飞行主要是把价值几百亿美元的卫星送上预定轨道,将来有哪些运输需要呢?
计划之一是,在今后10年内,可以为科研、制造和国际运输、商务旅行,甚至普通旅游业提供航天飞行。在旅游业方面,目前最具实用情景的是在近地轨道上小住。也许在不远的将来,就会有普通旅游者来到肯尼迪航天中心,搭乘航天飞机去近地轨道上的太空旅馆。
因此,首先要考虑在肯尼迪航天中心如何部署相应的太空港。开发航天运输系统大致与航空运输系统类似,首先,需要一个机场。这个机场应该是什么样子,在没有先例可供参考的情况下,主要靠科学和艺术的想象力。可以预计,如果航天技术继续保持现有的发展增长,在不久的将来,太空旅行也会成为一种大众运输方式。航空运输之所以从探险演变为大众运输工具,主要归功于技术进步。肯尼迪航天中心的科研目标正是如此:努力开发航天运输技术,使之更安全、更便捷,更便宜。
新型航天飞行器由美国航空航天局的其他科研中心研制,肯尼迪航天中心则负责先进的太空港技术,以全面降低飞行器的运行成本。当前,送一位体重仅30公斤的孩子上近地轨道的成本是60万美元,大多数家庭无力负担。美国航空航天局的目标是,未来20年内,大幅度降低航天运输成本,当前是20000美元/公斤,今后10年内降低到2000美元/公斤,接下来的10年,降低到200美元/公斤。
太空港技术,包括用于准备空间货物、航天飞行器、发射和回收航天飞行器的方法、机械和运转机构。今天的航天运输不仅仅是火箭技术,它也是一种改进人类生活的科学技术。比如说,已经从肯尼迪航天中心发射上天的卫星降低了长途电话的成本,提供了更多更好的电视频道和节目,提供了更便捷的个人信用卡交易,还有非常便宜的个人卫星定位导航系统、全球范围的互连网络,以及全球范围的气象监测能力。当然,未来的太空港应该便于洲际旅行,首先是在邮递和货物运输方面。也许在将来,他们还应该是人类前往近地轨道旅馆的起点。说得更远一点,也是人类飞往火星的起飞机场。
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