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标题: 失之毫厘差之千里--谈航天飞机的谢幕 [打印本页]

作者: 河蚌 时间: 2011-7-22 23:40
标题: 失之毫厘差之千里--谈航天飞机的谢幕
   随着亚特兰蒂斯的降落，航天飞机，这个曾经承载着美国的光荣和梦想的名词，终于走完了他最后的历程。航天飞机的废弃，标志着人类航天发展的重大挫折，标志着太空穿棱梦想的破灭。面对这一无言的结局，我们不得不去沉思，一个并不天才的想法，一个本来认为肯定可以实现的思路，为什么会失败的如此彻底。三十年时间，只是一个轮回，似乎只是为了证明，前路不通。
      航天飞机的出现，有很多个推动力，但最根本的就是人类的飞天梦想。宇宙飞船，虽然将人类送上了月球，但就这种蹿着上去摔着下来的一次性的消耗品，注定了它的昂贵，也注定了它无法平民化。看看《星球大战》，看看那里面纵横宇宙飘然起降的飞船，就知道，人们心目中的航天器是什么，重复使用，只有重复使用，才能够降低成本，才能够将航天普及。这是大众的梦想，更是航天科技人员的理想，飞机可以反复使用，飞船为什么就不能呢，如果飞船不能，那我们不要飞船，我们要飞机，能航天的飞机。无论是刚刚将人送上月球的美国航天局，还是刚经历了登月梦幻的普通美国人，都拥有着无比奋发的意气，有着无比爆棚的信心，准备再给世界人民（特别是苏联人民）一个大大的suprise，这是一场全民科技狂欢的盛宴。
      这个想法一被提出，就激起无数智慧的火花，绝妙的想法，实用的功能，便宜的费用，成熟的技术，似乎一切都是现成的，一切都是顺理成章。六七十年代是科技拓荒时代，人类把自己送上了月球，同时不断将飞行器送往其它的星球，甚至，还发射了一个联络外星人的飞船让它到宇宙去飘荡（三十多年后的今天终于走出了院门），当然，更不能忘记，航空界的巨无霸--波音747，也是出自那个时代。造一架能在太空穿棱的飞机，为什么不呢？有很多的困难，当然如此，但人类的每一步，不都是在超越困难吗？
   目标就这么定下来了，接下来就是实现了，而最首先要确定的就是哪些部件可以重复使用。其实一次性飞船也不是所有的东西都是消耗品，太空旅行不是“板哉冲锋”，将人整个儿送上去，就必须全须全尾的送回来，因此那个装人的返回舱，本身也并没有太大的损坏，其实只要科技人员稍做努力，即可以在下次发射时再次使用。但如果只是返回舱复用，这样的工程既不经济也没有技术含量，必须让尽可能多的东西返回地面，这才是目标，或者说，既然是航天飞机，那么就应该有个飞机的样子。
   实际上，我们从航天飞机的整个架构设计和发射过程，都能看到尽可能重用的思路。航天飞机由固体火箭助推器、外挂燃料贮箱和轨道器（即航天飞机）三部分组成，其中只有外挂燃料贮箱是一次性的，其余两部分，都是可以重复使用。如果和宇宙飞船进行类比，航天飞机的轨道器就相当于宇宙飞船的轨道舱加返回舱，但轨道器的体积显然要大的多，它长约37米直径约4.5米，并且是可以全部返回地面的，与之相比，宇宙飞船的返回舱是直径不到3米的圆球。
   因此，航天飞机的进步绝不仅是可重复使用，这种体积的差别，实际上是一种质的飞跃，它能将更多的东西带到太空，也能将这些东西带回地面。它拥有更大的容积，更多的返回舱位，这也是为什么我们经常看到，航天飞机可以承载7人，而宇宙飞船只有3名成员的原因。实际的差距不单是人，更有货物的运输能力，航天飞机可以一次承载30吨货物，而与之相比，俄罗斯的进步号飞船只能载货2吨。
   从上面的数据来比较，航天飞机与宇宙飞船相比，无论从什么角度，都有着无与伦比的优越性，都应该是宇宙飞船的替代产品，但最终的结果，却是航天飞机退出了，从美国新载人航天器的规划来看，这就是一个宇宙飞船的放大版。是什么造成了这种结局呢？
   三十多年来，航天飞机却一直被一个厄梦所萦绕，那就是安全。对于任何航天器而言，最大的安全问题，来自于上天和落地这两个阶段（其实这和飞机一样，飞机的最大危险来自于起飞和降落）。上天，这个问题实际上在卫星发射时代就已经存在并着手解决，人类积累了丰富的经验，可以说，现在上天阶段的问题其实都可以说是技术事故，而落地阶段，对于航天器而言，则主要面临两个问题，一个是在进入大气层初期不能被烧化了，另一个是在落地时不能被摔碎了。在这两个问题上，由于宇宙飞船和航天飞机的目标完全不一样，也就采用了完全不同的解决方案。
   宇宙飞船的目的很简单，就是将人安全地送上天，再安全的送下来，因为它是一次性消耗品，所以技术人员只要解决一次上天再一次落地的问题就行。当然，为了完成这个目标，科技人员仍然使用了很多高精尖的技术，但最有效的，却也是最原始的，一个是在返回舱外面刷层漆，通过漆的燃烧来降低温度从而保护舱体外壳，另一个则是使用降落伞，保证返回舱可以减缓降落速度，而把返回舱设计成球体，实际上也是为了保证降落的安全。在降落的大部分阶段，实际上都是这些原始技术在保护着飞船，而其稳定性，也随着回收次数的增多，而变得极高。
   但航天飞机的重复使用特性则将目标要求高很多，它采用了飞机的机翼布局，这一思路确实解决了飞机落地的问题，保证了飞行器在降地时可以不受过大冲击，可以如飞机般重复使用，但这也使得航天飞机的复杂程度远高于返回舱（毕竟我们知道，飞机的降落是飞行事故的最集中阶段之一）。而在解决了解决进入大气层时高速摩擦生热的问题上，航天飞机必须保证机体不受损害，刷漆燃烧的方法显然是不适用的，因此航天飞机采用了另一个高精尖的技术，即在其外层贴上耐高温的陶瓷片作为外壳，而这一技术，在现在看来，无疑是一个灾难。
   如果说八十年代挑战者号爆炸可以看成一次技术事故的话，那么从哥伦比亚号开始的事故，更应该称为设计缺陷。在哥伦比亚号，因为耐高温陶瓷片的松动，造成热量侵入内部，从而使不耐高温的内壳及框架融化，进而引起飞船的整体解体。而这样的事故并没有因此终止，在后续的飞行时，出现了相同的问题，只是因为发现的早，而通过舱外维修才避免了相同的悲剧的发生。
   从航天飞机第一次发射开始，科技人员就在不断地加强其安全性，但是航天飞机的本质问题仍然存在，那就是可重复使用。因为航天器安全的根本威胁是其速度，在上天时，航天器要在很短时间内达到第一宇宙速度，而在降落时，则必须以这一速度进入大气层。因此，航天器的每一次飞行，实际上都是对它的一次破坏性实验，而其破坏性，已经远大于人类工程学可以控制的程度。作为一次性消耗器的宇宙飞船，我们根本就不关注飞行后的情况，而航天飞机的目标则是重复使用。于是，它的每一次发射前和降落后，维护测试工作都必须是全面的，随着安全检查和设备的增强，维护的工作量也越来越大。最后，人们发现，航天飞机发射一次的成本，竟然远远超过了宇宙飞船的发射成本。
   于是，航天飞机就变成了白象，这头白象不是别人送来的，而是自己养出来的。重用的设想，竟然要花费更多的金钱，虽然它很先进，虽然它仍然可以改进，但是，维护它的成本，足以养出一只能够干出更多活的马队。
   理想是美好的，但现实是残酷的，航天飞机只能黯然谢幕。而面对它的离去，我们只能暗自神伤，并且感叹，星球大战的梦想，太空穿棱机的时代，何时才会再次实现！！

作者: 夏雨 时间: 2011-7-23 00:37
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下一代产品有计划了么？还是回归到了火箭上面?

作者: 不爱吱声 时间: 2011-7-23 03:19
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我觉得，人类未来太空旅行更合适的方案是：
制造比较大型的太空站，太空站上可以组装，制造太空飞船，然后人类通过载人飞船，把人从地球射到太空站，然后在那里再搭乘太空飞船飞往更遥远的宇宙深处。
目前安全问题主要集中在飞船穿越大气层时候的高温摩擦对船体隔热层材料要求很高，多次重复使用的可靠性比较差。

作者: 冰蚁 时间: 2011-7-23 04:51
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你这对太空站的要求更高。把那些制造飞船的机器捣鼓上去，装配好，人类早该发明空天飞机了吧。

作者: 冰蚁 时间: 2011-7-23 04:52
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反重力系统还没研究出来呢。现在只能用火箭。

作者: 不爱吱声 时间: 2011-7-23 05:01
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所有的部件都是使用飞船一次性运输，只需要使用宇宙飞船，不需要空天飞机。这个可靠性不可同日而语。

作者: 猫元帅 时间: 2011-7-23 09:16
我觉得随着自动控制能力的提高，再也不需要一次上去那么多人了。

很多事情都可以靠自动控制完成。比如货物的运载，人员的往来。

航天飞机的优势越来越少。就好像轰炸机和导弹的差别一样。

作者: 河蚌 时间: 2011-7-23 09:29
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CZ-2F的起飞重量是近500吨，承运力是8吨。欧洲要做的货运飞船是8吨载核，而发射时的重量应该在600吨以上。
这实际上意味着人类出现了工业文明下的运输瓶颈，这类似于农业文明的运输问题，依靠人力或蓄力，要把粮食运到目的地，需要同时准备二倍的粮食作为路途耗费。
以火箭方式，航天永远只能停留在科技领域，而无法商业化。

作者: 猫元帅 时间: 2011-7-23 09:44
太空旅行，飞船也能承担啊。

作者: 河蚌 时间: 2011-7-23 09:58
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飞船起飞重量超500吨，最后回收只有不到3吨，里面只能坐3个人。这个太贵了，无法商业化。航天飞机起飞重2000吨，飞船着陆时重量70吨左右，可以装7人，另外，辅助助推器也可以重用。这个费效比要高的多。如果不是安全问题，已经可以商业化了。

作者: MacArthur 时间: 2011-7-24 14:53
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人类太空旅行的瓶颈，恰恰就是人类本身

人类的身体结构只适合于地球这样的环境。。。要在外太空中保持一个维生系统代价太高昂了。。。那些无人探测器迄今为止实现的成就，如果要靠人类去实现，恐怕下辈子也做不到。。。

只有当人类能够突破“肉身”这个躯壳的限制，才有可能真正实现“太空旅行”

作者: 旅途愉快 时间: 2011-7-25 12:09
猎户座也是个过渡计划吧。。
不是说私人公司搞的商业飞行也在日程上嘛~

作者: 河蚌 时间: 2011-7-25 21:55
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其实航天飞机后，美国就没有明确的太空计划了。猎户座，其实就是把航天飞机前的飞船拾起来，加大一点而已，但不搞，那空间站只能依靠俄罗斯的飞船了。
私人的商业飞行，那个吸引点眼球可以。论实在的，还不如俄罗斯的飞船呢，俄罗斯的飞船可是明码标价，进入实际操作的。

作者: 北京阿新 时间: 2011-7-27 20:37
重复使用的路上美国还是走在前面。
Falcon系列火箭已经实现第一级的重复使用了

作者: ruby 时间: 2011-7-29 09:53
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觉得用机器人来代替人，是不是成本就低一些了。

作者: 砺剑 时间: 2011-12-25 08:32
看过一个科普文章说航天飞机上面电子计算系统过于老化，也是提前退役的一个原因，就是不知道他们美国不对航天飞机计算机升级吗

作者: 河蚌 时间: 2011-12-25 09:46
本帖最后由河蚌于 2011-12-25 09:46 编辑

砺剑发表于 2011-12-25 08:32 $ h, J+ Q p: Z) N6 D# h
看过一个科普文章说航天飞机上面电子计算系统过于老化，也是提前退役的一个原因，就是不知道他们美国不对航 ...

我觉得这个不是主要原因。控制程序，很多都有几十年的历史，不会轻易更新，稳定运行才是系统的根本，而先进性，则是出现技术飞跃时才会考虑的。这也是先进工艺无法买来的原因，你买来的是先进设备，而内置程序，你不知道源码，如果没有积累，连逆向工程都做不出来。
中国的载人航天，外国人都说用的是苏联六十年代的落后技术，但这些技术成熟可靠。而且，你看控制中心里面的大屏幕控制界面，这肯定是最新的科技成果。所以，现代科技就是成熟技术与先进技术的结合。
我觉得科技就是一个不断积累的过程，积累在内部的核心层面的东西，可能是很早之前成型的，而整个系统分模块不断地升级，到了一定阶段，当觉得系统有了更大的需求，也有了相当多稳定的技术后，再对整个系统进行重构。想想2000年时的千年虫问题，就知道，多少程序都用了几十年了。

作者: 茉莉 时间: 2012-1-12 00:25
专业，学习了

作者: 机器猫 时间: 2012-3-6 07:04
不知道现在空天飞机发展怎么样了

作者: 就爱抬杠 时间: 2012-3-6 22:55
有点象实验室工艺和工厂工艺的关系。当然，实践证明，穿越大气层这件事，还是停留在实验室水平，单次且重复成本极高

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