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太空運輸系統

來自 新浪網 的圖片

中文名 ：太空運輸系統 美國 ：中國 長度 ：27.237 m（軌道器）

太空運輸系統（Space Transportation System,STS）是美國研發的一型航天飛機系統。該系統綜合了運載火箭、載人飛船和飛機的特點，是全世界第一種大規模復用的航天器，可以將大質量、大體積的物體送進軌道或帶回地面。一共執行135次任務，成功133次，失敗2次，造成14名航天員死亡。

有些時候，人們將STS稱為航天飛機。然而，這種說法是錯誤的。可以說STS的軌道器是一種航天飛機，而不能拿航天飛機指代軌道器，甚至全系統。STS也有一個英文別名叫Space Shuttle，可以翻譯為「太空梭」「太空擺渡車」或者「太空穿梭機」。

總體設計

太空運輸系統一共由3個主要部分組成，分別是軌道器（Orbital Vehicle，OV）、外掛貯箱（External Tank，ET）和固體助推器（Solid Rocket，SRB）。

軌道器和固體助推器（除了頭錐和噴管尾裙）都是回收的，外掛貯箱因為再入時要經歷高溫，在當時不好做成可回收的，就設計成一次性的，在再入時會被高溫破壞，能落回地面的碎片不多。

軌道器

軌道器是一架大型航天飛機，起飛全重110噸，長27.237米，高17.86米，翼展23.79米。初期建造了一架初樣機（企業號），本來要改裝，使技術狀態與正樣相同，並可以進行軌道飛行，但沒有實現。後來一共建造了5架正樣機，分別是哥倫比亞號、挑戰者號、發現號、亞特蘭蒂斯號、奮進號；都進行過軌道飛行，哥倫比亞號和挑戰者號因為事故損毀。軌道器作為全系統唯一進入軌道的部分，近地軌道運力24.31噸，與長征五號B相當；下行運力與近地軌道運力相差不大。如果進行高軌發射，需要使用額外的固體上面級（例如PAM、IUS）。太空運輸系統本來有使用半人馬-G上面級的方案（詳見泰坦4），但是後來取消。固體上面級制約了太空運輸系統的高軌運力。

氣動外形

軌道器是無尾三角翼構型的滑翔機。為了兼顧不同速度區間下的性能，機翼是雙三角翼構型。機翼前緣內側後掠角81度，外側後掠角45度，每側機翼後緣裝有4片襟副翼。垂直尾翼前緣後掠角45度，裝有左右兩片大型方向舵。方向舵在着陸時可以打開，充當減速板。機體尾部下方還有一片襟翼，除了控制俯仰通道外，也在再入時保護軌道器的主發動機。

推進分系統

推進分系統分為姿態控制系統（RCS）、軌道機動系統（OMS）和主發動機（SSME）。分系統使用一系列推進器，都使用一甲基肼和四氧化二氮的推進劑組合、擠壓循環工作方式，分為前後兩組安裝在軌道器上。

前方的推進器機組，安裝在機鼻附近，一共有14個固定推進器和2個遊動推進器，都屬於RCS推進器。後方的推進器機組則裝在機體後端，兩側上方的可拆卸艙室中。每個艙室各有12個固定推進器和2個遊動推進器，以及一台OMS的AJ-10發動機。這個艙室可以整體拆下維修。

主發動機是三台RS-25氫氧發動機。三台發動機按照等邊三角形布置在軌道器後端，以一定角度傾斜，以使得推力和矢量通過整個系統的質心。每個發動機都是通過液壓伺服，雙向擺動的，能夠上下擺動10.5度，左右擺動8.5度，是發射段姿態和彈道控制的主力。為了實現發動機的擺動，每台發動機都裝備了一套輔助動力系統。這套系統催化肼分解產生氣體，以此推動液壓泵。除了發動機擺動使用液壓外，艙門開關、翼面活動都要用到液壓系統。

液壓系統、RCS和OMS的推進劑是軌道器自帶的，而SSME的氫氧推進劑，由外掛貯箱提供。

加壓座艙

軌道器的加壓座艙一共可以分成三層。最上一層是駕駛艙，有兩個飛行員座椅和兩個任務專家座椅（最初設計有三個，後來改成兩個）。操作界面採用玻璃駕駛艙的設計理念，能顯示大量的數據，並且給予飛行員很大的操作權限。

中層則是人員的主要活動空間，作用類似於天和核心艙。中層座艙包含了廚房、衛生間、睡眠艙、氣閘艙等部分。其中氣閘艙允許三名航天員同時進行出艙活動。發射前航天員進入軌道器的艙門，也位於中層座艙。

下層座艙主要是環控生保系統的安裝位置，一般航天員不進入。

電力分系統

全系統（不只是軌道器）一共使用兩套供電體制，分別是28伏直流電和115伏，400赫茲三相電。從起飛前3分30秒開始，全系統供電由軌道器的三塊氫氧燃料電池負責。燃料電池消耗貨艙底部貯箱內的液氧和液氫，持續輸出28伏直流電，持續功率21千瓦，峰值功率36千瓦，能持續15分鐘，通過逆變器產生三相電。氫氧燃料貯箱可以根據任務周期調整，最多裝五個。電池產生的水在經過處理後，可以給航天員飲用。軌道器有三條直流電力總線，分別由三塊電池供電。

數管分系統

軌道器使用五台熱備份的IBM IP-101計算機，使用太空運輸系統專用的HAL/S編程語言。

結構分系統

軌道器承力結構大多使用鋁合金製成，發動機附近則使用耐高溫的鈦合金。發現號、亞特蘭蒂斯號和奮進號為了減重，部分鋁合金結構換成了環氧樹脂。窗戶使用碳化硅玻璃和熔融石英玻璃，從內到外一共有三層，分別是承壓玻璃、光學玻璃和防熱玻璃。窗戶上有一層塗層，使用的材料和美元的變色油墨相同。

防熱結構使用多種材料：

碳-碳複合材料，用於機鼻、起落架艙門和附近區域、機翼前緣，溫度大於1260℃的位置。

高溫防熱材料（HRSI），用LI-900硅陶瓷製成，用於機腹和機翼下表面，溫度小於1260℃的位置。

纖維輻射防熱材料（FRSI），用於替代部分HRSI。

彈性防熱材料（FIB），用於溫度小於649℃的位置。

低溫防熱材料（LRSI），用於機身和機翼上表面，後期大多被FIB替換。

加強一體式纖維防熱材料（TUFI），性能介於HRSI和LRSI，在1996年投入使用。

復用隔熱毛氈（FRSI），是一種白色的Nomex毛氈，用於貨艙艙門、中後部機身側面、部分的機翼上表面和推進器艙室外表面。

起落架分系統

軌道器有三個起落架，分別是一個前起落架和兩個主起落架。因為軌道器是滑翔機，第一次着陸必須成功，所以為了提高起落架釋放的可靠性，起落架使用三套冗餘的液壓系統，和一套應急的彈簧系統。又為了減重，起落架沒有收起的機構。起落架必須靠手動釋放，防止計算機意外釋放起落架。

在着陸時，前輪可以用方向舵踏板控制。在製造奮進號時，NASA研製了一套新的前輪控制系統。這套系統後來被安裝上其他的軌道器。

外部燈光系統

軌道器沒有任何外部燈光系統，這一點遭到了一些人的批評。然而，軌道器只能在特定的軍用機場着陸，機場附近也要在返回前清空空域，所以軌道器不會和其他飛機相撞，不需要防撞燈。機場也會在軌道器着陸時，用大量探照燈照亮跑道，軌道器就不需要着陸燈。

外掛貯箱

外掛貯箱高46.9米，直徑8.4米，起飛質量760噸，由洛克希德·馬丁公司製造，內部裝有液氧和液氫，供軌道器主發動機使用。外掛貯箱從上到下分為液氧貯箱、箱間段（兼做儀器艙）和液氫貯箱，橫向與固體助推器和軌道器對接，在箱間段有一個軌道器捆綁點和兩個助推器捆綁點，在液氫貯箱下部有兩個軌道器捆綁點和兩個助推器捆綁點。在下捆綁點附近有管路向軌道器輸送推進劑，並有電路從軌道器通過外掛貯箱，連接固體助推器。整個貯箱主要由鋁合金製造，主要使用的是2195和2090鋁鋰合金。

貯箱分為三種型號，分別是標準（SWT，乾重35噸，STS-1~5，STS-7）、輕型（LWT，乾重30噸，STS-6，STS-8~107）和超輕型（SLWT，乾重26.5噸，STS-108~135）。在STS-1和STS-2任務中使用的貯箱有刷白漆，以防止紫外線對保溫泡沫的損壞。但後來發現不需要防護，白漆也沒有防護作用，於是後來的貯箱都不刷白漆，變成保溫泡沫的橙色，質量也因此少了272千克。以下的介紹按照SLWT的數據。