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为什么美国可以发射航天飞机,却发射不了同样重量的航天器?

在土星5号火箭之后,在任何时候,美国都有发射重型航天器的技术和能力,唯一能卡住NASA脖子的是预算。

美国的航天飞机就是因为太贵了,所以才下马的。

       

     

美国航天飞机分成三大部分:

  1. 带翅膀的我们通常称为航天飞机,正式称呼是轨道飞行器。

  2. 航天飞机肚子上捆的燃料箱。

  3. 燃料箱两边是两个固体火箭助推器。

这三大部分的起飞质量超过2000吨,轨道飞行器的入轨质量是100吨左右。

美国第1艘航天飞机是哥伦比亚号,1981年首飞。在当时那个年代,还没有现在的 SpaceX在成本上步步紧逼,那时发射运载火箭的成本也很高,每公斤荷载入轨成本超过2万美元。

       

     

航天飞机相比于运载火箭系统,任务更加灵活。进入轨道和返回地球加速度比较低,对乘员要求比较低,没有经过特别训练的普通人,也可以乘坐航天飞机上天。

航天飞机机组的成员是5~7人,其中机长、驾驶员和载荷专家由资深的宇航员担任,剩下的4个名额可以从普通人中选,科学家甚至教师都可以进入太空。

这一方面极大的扩展了太空任务的范围,另一方面扩大了航天飞机在普通民众中的影响力,提升了民族的自豪感。对于美国形象的塑造,以及美国梦的凝聚力,非常具有号召力。

       

     

而且,轨道飞行器货仓巨大,长18.3米宽4.6米,哈勃太空望远镜就是由航天飞机带上太空的。它不仅能把货物背上去,还能把货物背下来。

实际上,美国开发航天飞机的初始目的,是为了打造一个重复使用的天地运送系统,从而降低单次成本。

》但是航天飞机太复杂了。

具体的讲就是轨道飞行器太复杂了。

在起飞阶段,轨道飞行器要打开3台主发动机,虽然只提供了20%的总推力,这个时候它是火箭。

       

     

在返回地球的时候,它又必须像飞机那样降落。因此它又是飞机,要有可以收进机腹的起落架以及轮胎。

轨道飞行器返回时要以一定的上仰倾角进入大气层,利用大气和机腹的摩擦减速,这个过程会产生高温,所以在航天飞机的机腹要贴着耐火砖。

2003年,哥伦比亚号航天飞机返回时,因为耐火砖脱落,2000度高温气体进入起落架舱室,导致航天飞机解体,7人遇难。

       

     

当初建造航天飞机的本意是为了省钱,但是由于技术太复杂,导致了事故成本极高。

所以2011年以后,航天飞机就停止使用。

航天飞机停飞以后,美国天地运载系统确实处于青黄不接的阶段。

》美国其实也是有一个替代航天飞机的后续计划。

在航天飞机还没有停飞时,这个计划就已经开始了。

这个计划叫做单级入轨系统,也可以看成是 SpaceX公司的猎鹰火箭和星舰的前身。

其中由麦道公司(现属于波音)主持的项目叫做三角快帆。

●三角快帆DC-Y单级入轨火箭,高38.7米,起飞质量462.9吨。

       

     

当时火箭发动机的技术没有现在这么好。

星舰使用的猛禽发动机是全流量分级燃烧发动机。以前的火箭发动机有一些是开循环的,要排放废气损失推力,还有一些是半流量分级循环的,燃烧没有全流量分级那么充分。

所以,当时的条件,单级入轨很难实现。

马斯克的SpaceX从单级入轨计划里面捡了很多现成技术,把一些工业管理的流程整合到宇航项目中,才能形成现在的成本和质量的双重控制优势。

       

     

美国已经完成了登月,已经完成了天空实验室,完成了航天飞机,同时又联合多国完成了现在的国际空间站。

美国砸钱、砸人、砸技术,除了探索火星以外,把该玩的全部都玩过一遍,暂时没有发射重型荷载的迫切需求。

所以美国的宇航员上国际空间站,在航天飞机停飞以后,都是乘坐俄罗斯的联盟号宇宙飞船上去的。

但是,不要以为美国的野心就会就此停止。

》美国的宇航计划有一个非常、非常长远的目标。

从本质上来说,NASA是一个科研机构。这个科研机构在过去花钱如流水的探索中,已经完成了化学火箭的全部技术线路整合,以及所有可能的飞行器的原理设计。

美国猎户座的计划使用的是原子弹作为驱动力,用原子弹的爆炸把飞船炸上天,这个计划已经完成了原理性实验。

       

     

之所以不实施,并不是美国没胆子、没钱,主要是核弹在头顶上爆炸,污染实在是太严重。

一句话,美国什么都敢干,什么都能干,什么都干得成,就看什么时候需要。

我们回顾美国的整个宇航项目,它是按照以下步骤稳步推进的。

第1阶段砸钱搞技术探索,第2阶段砸钱搞应用,第3阶段线路收缩与项目整合,第4阶段大规模商业化。

美国航天的青黄不接是出现在第3个阶段。只有在第3阶段,才会出现美国无法发射大型航天器的情况,但是现在这个阶段已经结束了。

》目前,是美国航天第4阶段开始。

这个时候的指挥官和总司令就是马斯克。

 SpaceX公司的返回式火箭和航天飞机比有几个优势。

返回式火箭不需要在大气层中做空气动力学意义上的有翼飞行,所以省了飞机的一大部分控制系统,所以起落架可以露在外面,也没有橡胶轮胎。

       

     

返回式火箭可以在大气层中做动力飞行,减速不完全依靠空气和舰体摩擦,防火耐热设计和对于起降场地的要求都远低于航天飞机。

星舰用不锈钢做箭体,既耐操又耐高温,又便宜,不要只看到人家表面坑坑洼洼。

全流量分级燃烧火箭发动机有一个最大的好处,就是它的推力是可以调节的。猛禽火箭发动机最大推力是170吨,调下来可以调到40%推力,也就是说70吨推力。

因为是可以重复发射的,所以不用再去重新制造70吨推力的火箭发动机。这样又省了一大截。

美国的航天产业,在航天飞机谢幕之后,确实是寂寞了一段时间,不过马上就要重振雄风了。

       

     

美国以前已经玩过高价高质的东西了,现在人家在玩的是廉价高质的东西,这就是所谓的商业航天。

而且这次重振雄风绝对是碾压性质的,灵活、廉价、高质量、大载荷。

过不了多久, SpaceX公司就会发射超过土星五重量的火箭。

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