航天飞机学号: 021110419姓名：李鑫一航天飞机的基本概念、飞行原理和构造航天飞机（Space Shuttle,又称为太空梭或太空穿梭机）是可重复使用的、往返于太空 和地面之间的航天器，结合了飞机与航天器的性质。它既能代表运载火箭把人造卫星等航天 器送入太空,也能像载人飞船那样在轨道上运行,还能像飞机那样在大气层中滑翔着陆。航 天飞机为人类自由进出太空提供了很好的工具,它大大降低航天活动的费用,是航天史上的 一个重要里程碑。飞行原理：航天飞机是一种为穿越大气层和太空的界线（高度100 公里的关门线）而设 计的火箭动力飞机。它是一种有翼、可重复使用的航天器,由辅助的运载火箭发射脱离大气 层,作为往返于地球与外层空间的交通工具,航天飞机结合了飞机与航天器的性质,像有翅宇航员舱膀的太空船,外形像飞机。航天飞 机的翼在回到地球时提供空气刹车 作用,以及在降跑道时提供升力。 航天飞机升入太空时跟其他单次使 用的载具一样,是用火箭动力垂直 升入。因为机翼的关系,航天飞机 的有效载荷比例较低。设计者希望 以重复使用性来弥补这个缺点。航天飞机除可在天地间运载人 员和货物之外,凭着它本身的容积大、可多人乘载和有效载荷量大的特点,还能在太空进行大量的科学实验和空间研究工作。它可以把人造卫星从地面带到太空去释放,或把在太空失效的或毁坏的无人航天器,如低轨 道卫星等人造天体修好,再投入使用,甚至可以把欧空局研制的“空间实验室”装进舱内,进 行各项科研工作。航天飞机的飞行过程大致有上升、轨道飞行、返回三个阶段。起飞命令下达后,航天飞机在助推火箭的推动下垂直上升,直至进入预定轨道,完成上升。进入轨道后,航天飞机的 主发动机熄火,由两台小型火箭发动机控制飞行。到达预定地点后,航天飞机开始工作。航 天飞机完成任务后,便开始重新启动发动机,向着地球飞行。进入大气层后,航天飞机速度 开始放慢,并像普通滑翔机一样滑翔着陆。构造：航天飞机由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成。 外部燃料箱：外表为铁锈颜色,主要由前部液氧箱、后部液氢箱以及连接前后两箱的箱 间段组成。外部燃料箱负责为航天飞机的3 台主发动机提供燃料。外部燃料箱是航天飞机三 大模块中唯一不能重复使用的部分,发射后约8.5 分钟,燃料耗尽,外部燃料箱便被坠入到 大洋中。火箭助推器：这对火箭助推器中装有助推燃料，平行安装在外部燃料箱的两侧，为航天 飞机垂直起飞和飞出大气层进入轨道，提供额外推力。在发射后的头两分钟内，与航天飞机 的主发动机一同工作，到达一定高度后，与航天飞机分离，前锥段里降落伞系统启动，使其 降落在大西洋上，可回收重复使用。轨道器：即航天飞机本身，它是整个系统的核心部分。轨道器是整个系统中惟一可以载 人的、真正在地球轨道上飞行的部件，它很像一架大型的三角翼飞机。轨道器由前、中、尾 三段机身组成。前段结构可分为头锥和乘员舱两部分，头锥处于航天飞机的最前端，具有良 好的气动外形和防热系统，前段的核心部分是处于正常气 压下的乘员舱。这个乘员舱又可 分为三层：最上层是驾驶台，有4 个座位，中层是生活舱，下层是仪器设备舱。乘员舱为航 天员提供宽敞的空间，航天员在舱内可穿普通地面服装工作和生活。一般情况下舱内可容纳 47 人，紧急情况下也可容纳10 人。航天飞机的中段主要是有效载荷舱。舱内可以装载各种卫星、空间实验室、大型天文望 远镜和各种深空探测器等。为了在轨道上施放所携带的有效载荷或回收轨道上运行的有效载 荷，舱内设有一或二个自动操作的遥控机械手和电视装置。机械手是一根很细的长杆，在地 面上它几乎不能承受自身的重量，但是在失重条件下的宇宙空间，却可以迅速而灵活地载卸 10t 多的有效载荷。航天飞机中段机身除了提供货舱结构之外，也是前、后段机身的承载结 构。二目前最新发展一旦技术允许，美国航空航天局将进行对轨道航天飞机的开发。由诺斯普罗曼公司和轨 道科学公司研发的航天飞行器在外观上和目前的航天飞机差不多，但体积却只有它的1/4。 还有一种更小的轨道航天飞机将由类似波音公司Delta 4型火箭的推进器发射。由于采用混 合动力系统，这种航天飞机将更加可靠和安全。日本东京宇宙和宇航科学研究所从80年代初开始研究一种叫“HIMES”的宇宙运输飞 船。此飞船最大有效载荷约半吨，最高飞行高度为300公里，它能够垂直起飞和水平降落， 所以其实质是一种航天飞机。HIMES全长13.7米，用1.5吨的液氢、一吨的液氧作推进剂， 装有两个可重新点火的发动机。该航天飞机有一个三角形支撑面，支撑面末端旁边还有两个 用液氢作动力燃料的发动机，以备不测。三目前难题和缺陷由于体积庞大、结构复杂，发射航天飞机轨道器只能与外贮燃料箱并联在一起，所以航 天飞机并不安全，轨道器很容易受到从外贮箱掉下来的保温材料的撞击。由于每架航天飞机 发射完以后维修量很大，所以发射时间间隔也很长，一般情况下航天飞机每年仅能进行56 架次的发射。实际上，航天飞机的使用寿命十分有限由于航天飞机升空时需要对航天员 的舱位加压，返航时再减压，就像把气球吹起来再放气一样，这对航天飞机的损耗很大。航天飞机的另一个大问题是，航天器在发射时最好呈360 度对称，但航天飞机并不对称。 此外，由于背着一个巨大的燃料箱，两边还各有一个助推火箭，航天飞机在发射架上很不稳 当。发射时，航天飞机本身先点火，之后它会往一边倒，再被反弹回来，这时助推火箭再点 火，但这个过程肉眼并不能看出来。这“一倒一回”的过程，极易造成助推火箭漏气，引发严 重后果。为了极大提高运输能力，航天飞机被设计得很复杂。它里面有3500 个重要的分系 统和 250 万个零部件，所以只要其中的1 个重要分系统或关键零部件失灵，就有可能导致重 大事故。另外，为了可重复使用，其轨道器既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速 飞行和水平着陆的复杂气动外形，又要有能承受再进入大气层时高温气动加热的防热系统， 并在世界上首次装备了可重复使用50 次的主发动机。这些也都大大增加了航天飞机研制的 技术难度和风险。四未来的发展方向1986 年，就在“挑战者”号航天飞机爆炸事故发生数周之后，美国总统里根宣布了开发 新型航天器的计划。这种被称为“新东方快车”(Nnew Orient Express)的飞行器将在大气层边 缘处飞行，它从美国华盛顿飞到日本东京将只需要2个小时，它的飞行速度将是声速的25 倍，能够十分轻易地进入或离开飞行轨道。它不需要以前航天飞机所携带的庞大的外部燃料 箱和助推器。但是，它也同样遇到了非常巨大的技术障碍。 2002年9 月，布什政府宣布了 一项计划，其一是在10年之内开发出一种“轨道太空飞机”(Orbital Space Plane)，与里根的“东 方快车”计划不同的是，它将使用常规的运载技术。其二是一项对先进概念式设计的开放式 研究，它没有对何时研制出一套新系统设定严格的期限。在可以预见的未来，还不会出现任何形式类似“新东方快车”这样的飞行器。从理想角度 讲，太空飞行器将更像是常规的飞机。它们使用单级助推器实现从起飞、入轨一直到着陆的 全过程，只需在两次飞行之间补充燃料即可。燃料将全部装在内部燃料箱中，这样飞行器在 大气层内外都能够很灵活地进行操纵，并且在重新进人大气层时能够耐受所产生的高温。但 事实证明，到目前为止要想同时满足所有这些要求，还是超出当今世界顶尖级航空专家能力 范围的。五学习完课程的想法通过对航天控制入门的课程的学习，我了解了许多关于航天方面的知识，例如飞船的变 轨和怎样对飞行器进行姿态的控制，除此之外，对于宇宙的环境也有了进一步的了解，感受 到了宇宙的浩瀚，航天科技的奇妙，受益匪浅。对于这门课程，我建议在授课时老师可以更 多地结合一些视屏动画来帮助学生理解所学的一些知识，这样效果可能会更好。另外，老师 可以布置一些课外的专题活动，让学生更多地参与进课程的学习中来。