中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

2021年4月29日中午11时23分,“天和号”核心舱在海南文昌航天发射中心升空,490秒后成功进入约400千米的正圆形轨道,从现在开始到2022年11月,将执行密集的10次发射,未来的目标就是建成一个常驻宇航员的天宫空间站。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

为什么中国人不制造航天飞机?

从我国载人航天计划开始,就有一条非常清晰的路线是冲着飞船和空间站目标去的,美苏都曾投入大量资金的航天飞机并没有被实施,单纯从航天飞机的性能来说确实飞船优秀,但各位有所不知的是,曾经我国也有过庞大的航天飞机计划!

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

美苏为何放弃航天飞机?

航天飞机的设计思想其实非常优秀,从阿波罗计划登月时代起,美国人就一直想设计一种天地往返系统,大部分设备都能重复利用的航天器,因为当时用来登月的火箭实在是太浪费了,一枚土星五号火箭的单价是1.8亿美元(1969年的价格,相当于现在大约12亿美元),只是用一次就全丢太平洋了,连鱼都不吃……

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

全家福。从左至右分别是:“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号”、“亚特兰提斯号”和“奋进号”

所以航天飞机的设计一开始就奔着重复利用去的,它由固体助推器和燃料箱以及轨道器组成,其中轨道器和助推器是可以完全回收的,真正丢弃的只有航天飞机发射时那个巨大的燃料箱,其中装载的液氢和液氧耗尽后即被丢弃。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

从理论上来看这个成本相当低,因为只有燃料箱这个空壳子被抛掉,当然还有发射时燃烧的燃料,当航天飞机第一次发射时直接把大家给惊艳到了!与以往发射完全不一样的结构,就像一只蓄势待发的白天鹅,而且航天飞机的货舱直径4.6米,长度18米,比我国“天和号”核心舱的直径都还要大一些。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

奋进号航天飞机的货舱

1981年4月12日,“哥伦比亚”航天飞机发射成功,在轨两天后的4月14日成功返回爱德华兹空军基地,后来又成功实施了3次飞行,均获得成功后宣布正式服役。此后大量的任务均由航天飞机执行:

  • 跟踪与数据中继卫星
  • 太空实验室
  • 哈勃空间望远镜
  • 伽利略号探测器
  • 麦哲伦号金星探测器
  • 尤利西斯号
  • 康普顿伽玛射线天文台
  • 和平号对接舱
  • 钱德拉X射线天文台
  • 国际空间站部件

以上这些都是航天飞机的著名载荷,尽管在1986年挑战者航天飞机凌空爆炸,但事实上却不是航天飞机的锅,而是助推器的O型密封圈的问题,发射58秒后高温高压气体泄漏,直接导致低温燃料箱被撕裂,最后在超音速的的气流中解体,7名宇航员全部遇难。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

航天飞机退役,不只是成本问题

航天飞机服役后,问题才开始显露出来,当然并不是安全问题,其实航天飞机安全记录还是不错的,到STS-135次的亚特兰蒂斯航天飞机任务,总共飞行135次,2次失败,成功率98.51%,这显然比很多载人计划的火箭要高得多,但有一点不得不承认,在航天飞机任务中,总共有14名宇航员遇难,而占宇航史上18名宇航员的77.8%,确实有点高。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

当然安全还是后话,因为早先暴露出来的问题是重复使用的航天飞机比一次性的火箭成本还要高:航天飞机的绝热瓦,这个不同位置要求绝热性能不一样,比如鼻锥与轨道器的腹部,还有机翼前缘等部位要求最高,而侧面与背部则要求相对较低,但绝热瓦大部分都要更换。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

航天飞机再入时的表面温度分布

另一个则是航天飞机上几十台姿态控制发动机需要更换,因为使用的是偏二甲肼和四氧化二氮这类有毒燃料,所以每次必须全部更换,当然主发动机检修一旦发生问题也必须更换,例如STS-99任务中的发动机3号发动机就曾更换过。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

当然比较要命的是航天飞机整机超过200多万个零件,每个都要检修一遍,发射一次相当于重新装配一架,这工作量实在让人疯。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

有人认为压垮骆驼的最后一根稻草是2003年2月1日返回地球的哥伦比亚航天飞机凌空爆炸事件,这次是脱落的保温材料撞击了绝热瓦,留下了隐患,导致在返回大气层时高温气流窜入机翼,改变了气动布局,导致航天飞机翻滚解体,7名宇航员遇难,不过大家不知道的是航天飞机并没有在当年退役,而是在2011年7月的STS135次任务执行后才退役,所以坠毁并不是主要问题!

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

航天飞机究竟哪里不好?

首先是性价比实在不高,因为2000多亿美元投入,只飞行了135次,单次费用超过15亿美元,这可能比任何一次载人航天发射都要高,而且航天飞机自重达到了68吨,但最高运载能力为36吨,每次都有2/3以上的死重被花大价钱送上太空。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

另外则是新型低成本运载火箭的崛起,比如早期的德尔塔、宇宙神、泰坦系列,后来还有SpaceX、轨道科学ATK等,这让航天飞机的地位有些尴尬。有人称X-37B能替代航天飞机,其实两者完全不在同一个级别。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

不过航天飞机也并非彻底死亡,而它的遗产仍然在发挥作用,比如美国下一代重型火箭太空发射系统SLS(Space Launch System)就有很多航天飞机的遗产,比如固体助推器就是航天飞机助推器的翻版!

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

另外最核心的火箭发动机也是航天飞机的RS-25液氢液氧的低温发动机,而低温的燃料储箱也是航天飞机的经典结构,甚至连生产厂家都一样,所以说航天飞机没有死,它以另一种方式重生了!

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

但有一点很明显,美国人不再愿意用航天飞机,还是一次性使用的火箭或者类似SpaceX的回收方式更经济。

中国人的航天计划

美国人摸着石头过河,中国人摸着美国人过河,后来者的优势就是看到了前浪是怎么死在沙滩上的,怎么也得换个死法不是吗?

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

其实中国在八十年代时中国也曾规划航天飞机,当时的名称是“大型运载火箭及天地往返运输系统”,其实欧盟和前苏联都有自己的航天飞机计划,中国也不能免俗,计划了天骄一号小型航天飞机、长城一号航天飞机、V2火箭型航天飞机、H2空天飞机等计划,不过最终还是屈服于技术储备太薄弱,选择了比较稳妥的多用途载人飞船,这就是后来我们熟悉的神舟系列飞船。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

所以中国人当年没选航天计划并不是美国人遭遇的那些问题,首先是没钱,航天飞机的投入那才叫花钱如流水,而且技术储备远远不够,比如我国曾经规划的最激进计划是H2空天飞机,是属于水平起飞,水平降落的那种,即使到现在仍然没有任何一个国家搞定,而且可能在未来十年内仍然不会有突破性的进展。

中国能造出空间站,为什么造不出航天飞机?前车之鉴才是真正原因

神舟系列飞船的后续就是载人空间站计划,中国的航天计划逐步明朗,而且目的非常明确,走的也是最低成本的路线,未来的载人登月和载人火星也会在这两个上延伸出来,技术有很大的传承性,尽管航天飞机也给美国带来了SLS的遗产,但必须要说一句的是,美国人还是走弯路了!