[科普中国]-航天飞机轨道器

轨道器结构

航天飞机系统的核心分系统是轨道器，它的大致尺寸为：长度27.21米，翼展23.79米，机高17.39米，空重65吨。为了实现“普通人也能坐航天飞机”的设想，航天飞机在起飞过程中的最大过载限制在3g以下，在返回时的过载限制在1.5g以内。

轨道器在轨运行的时间最长达30天。轨道器大致可分为前段、中段和尾段。前段是上下两层的宽敞机舱，上层为驾驶舱，下层为生活间，有效容积为72立方米。中段是有效载荷舱，长18.3米，直径4.6米。舱门分内外两层，由中间对开。舱门内层是辐射冷却器，外侧是防热层。尾段除装有3台主发动机外，还包括控制动力系统和推进剂贮箱。

航天飞机轨道器是航天员进入地球轨道和返回时乘坐的舱段，要装备可供7名航天员正常生活和工作的生命保障系统，可装载必要的科学仪器与各类显示仪表。轨道器的分系统异常复杂，这包括23只各种天线、5台计算机，各种控制、通信、导航和操纵系统。在机头的上部和侧部、机尾处，共安装了46台大小推力的变轨与姿态控制发动机。研制轨道器需要解决的问题很多，最棘手的是主发动机和机身表面防热系统。主发动机的技术和性能要求很高，与“土星V”运载火箭上的J-2发动机相比，它上了一个很高的台阶，其单台最大推力达到210吨，比J-2的100吨增加了一倍多，但这还不是关键所在。这种发动机还要求推力在65～109%之间连续调节以适应航天飞机从发射到入轨整个过程不同阶段的不同要求，而且还要能重复使用100次。它的工作时间长达7.5小时，比J-2发动机提高5倍。主发动机在起飞过程中消耗推进剂数量很大，高性能的涡轮泵每秒向燃烧室内输送207升液氢和75升液氧。这些高性能要求对结构设计、材料选择、推进剂输送、发动机控制以及加工和制造都是极为困难的。

运转程序由于发射场和着陆场不在一地，航天飞机轨道器在着陆场着陆后，需要转运至发射场。在着陆场的主要工作集中在如何完成转运上．而不是再次发射准备上，再次发射准备工作仍然是转运后在发射场进行，所以在着陆场的工作只考虑与转运有关的项目，其他内容一般不涉及(特殊情况除外)。2

转运有空运或陆运两种途径可供采用，采用不同的转运途径，其转运的要求中对航天飞机轨道器状态要求也有所区别。空运对气动特性有要求，陆运则没有这方面要求，但需要将机身与机翼分解。转运工作主要包括检查、准备和转运三方面内容。2

制造过程以发现者号航天飞机为例，通过一组照片，展示航天飞机轨道器的制造过程。

发现者号是美国航天飞机机队中的第三架轨道器，代号为OV-103。发现者 号从1979年8月27日开始制造，最终于1983年10月推出总装车间，共历时四 年完成，并于1984年8月30日完成首飞。2

在图6-19中：

(a)所示为1982年2月26日.发现者号的前机身壳体完成分段制造后，罗 克韦尔公司的工程师在检査上下部分壳休的接口匹配性；

(b）所示为1982年3月9 日,发现者号三台主发动机在加利福尼亚州的罗 克韦尔公司车间安装前，后机身后端框的状态；

(c) 所示为1982年3月24日 .发现者号的中机身壳体停放在罗克韦尔公司 (此时波音已控制了罗克韦尔）的车间内，可以看出机身内有一个长约18 m的有 效载荷舱，而整体结构仅采用拱形隔框和壁板构成；

(d) 所示为1982年4月6日，发现者号航天飞机的后机身结构部段完成装 配的状态，该部段将用于安装轨道控制发动机舱并安装主发动机；

(e) 所示为1982年5月5日，工程师们将发现者号的左翼安装到中机身上 的画面·可以看出机冀采用整体对接方式安装·机翼主梁安装在（c)图中靠近 镜头的加强框上；

(f) 所示为1982年8月4 日，发现者号的轨道飞行器已初步成形，前机身 下部、中机身整段和主翼已完成对接组装，工程师正在机身内部作业；2

(g) 所示为1982年9月10日，发现者号完成后机身与中机身的对接，正在安装前机身的整体式乘员舱； .

(h) 所示为工程师正在为发现者号安装迎风面的耐高温隔热瓦，为避免再入 时被大气烧蚀，航天飞机外表面完全覆盖了一层热防护系统；

(i) 所示为1983年4月19日，工程师在位于加利福尼亚州的波音车间为发 现者号进行最后的系统安装；

(j) 所示为1984年8月30日 ,发现者号执行代号为D-41 (亦称STS-41 D)的首飞任务，机组成员6人，主要将3颗卫星送入太空，并进行了太阳能电 池帆板新技术测试.发现者号于 1984年9月5日在爱德华兹空军基地安全着陆；

(k) 和（1)所示为1995年9月至1996年6月间，对发现者号进行检修和设 备升级，发现者号服役期间进行了多次升级。2

维护方案航天飞机轨道器返回后在机场跑道上着陆，由于着陆场与发射场不在一地，具有相当的距离，着陆后需要经过转运返回发射场，才能进行再次发射。因此，航天飞机轨道器着陆后在着陆场需要进行相关检查，主要包括：安全维护检查和外观检查。

安全维护检查安全工作的目的是为了保证工作人员和航天飞机轨道器的安全，主要包括两方面内容：安全检查和危险源处理。

安全检查

安全检查的主要内容是：航天飞机轨道器内部各舱段是否存在有毒气体和易燃易爆气体(主要由推进剂泄漏造成)；外表及周围是否存在有毒和易燃易爆蒸汽(返回气动加热环境或推进剂泄漏造成)。

上述检查，应在航天飞机轨道器在跑道上着陆停稳后尽快进行。各舱段内部有毒气体或易燃易爆成分的检查，一般由遥测设备以人员不接触的遥测方式进行，遥测出现问题，则由安全人员使用探测器具进行检查。航天飞机外表及周围环境的检查由身着防护装备的安全人员进行。2

航天飞机轨道器在专用跑道着陆。安全人员身着防护服，立刻对轨道器进行有无危险气体泄漏检查，见图13-1。如果没有出现不安全情况，则进行下一个程序。一旦出现安全问题，必须先排除安全隐患才能实施后面程序。

如果航天飞机轨道器舱段出现有毒或易燃易爆气体，则应关闭飞行器上电源，工作人员撤离到安全区域，专用净化车辆接近飞行器．净化车辆上的净化管路与航天飞机轨道器相应管路接通，采用惰性气体置换的办法将有毒或易燃易爆气体排除。如果航天飞机轨道器外表及周围存在有毒和易燃易爆蒸汽，工作人员应首先撤离到安全区域；如果是防热材料因温度过高而释放的气体，则应待飞行器自然冷却蒸发停止后再进行工作；如果是推进剂泄漏造成的，则即刻使用专用推进剂泄出设备泄出推进剂。

航天飞机轨道器专用安全与净化设备、推进剂泄出设备接近轨道器尾端，净化空气通入轨道器进行冷却，将潮湿空气通入有效载荷舱和其他空腔，用以置换可能存在的残留的易爆或有毒烟气，如图13-2所示。操作还包括地面牵引准备，安装保护装置和取出随航天飞机轨道器试验的数据存储器。2

危险源处理

航天飞机轨道器的危险源主要包括已经结束工作的高压气体、推进剂、辐射源。高压气体主要是用于为主发动机系统的推进剂贮箱增压，为姿态控制发动机系统的挤压式推进剂贮箱增压。着陆后高压气体的工作结束，在防热表面温度比较高的情况下，成为一个安全隐患，需要解除。推进剂是供发动机工作的，发动机系统由主发动机系统和姿态控制发动机系统两部分构成。着陆后推进剂的工作完全结束，推进剂为低温、易燃或有毒物质，成为安全隐患，需要排除，采用专用设备泄出。如果安装了辐射源这种装置，着陆后辐射源的测量任务已经结束，为避免接近的人员受到辐射伤害，需要将其拆除。2

推进剂贮箱内剩余推进剂和高压气瓶内气体的泄出的操作都是使用专用设备，通过设置在机翼上方机身两侧和前机身两侧的释放阀门进行的，气体直接排放至大气中，推进剂则由专用装置泄入贮存装置内．推进剂贮箱内以惰性气体(氮气，氦气)置换。因此，着陆场需要设置排除舱段危险气体的净化设备车辆、泄出推进剂的推进剂泄出设备车辆，危险源处理如图13-3所示。这些危险源排除后，才能开始一系列检查与转运准备工作，以确保安全。

外观检查航天飞机经历上升段飞行、在轨飞行、再人大气层返回飞行、进场着陆飞行后状态可能会有所变化，特别是经历严酷的返回段恶劣热环境飞行，热防护系统受到考验，所以着陆后，排除了危险源，首先要进行的就是外观检查。

在着陆场及早进行外观检查的主要目的，是及时获取返回后的实际完整的外观情况信息，对刚刚返回后的实际外观进行详细记录(包括摄像与拍照)，避免转运后在发射场检查时混合了转运准备和转运过程中的变化，不能获得真正飞行后的实际信息．外观检查如图13-4所示。在着陆场完成外观检查工作后，要写出详尽报告，这个报告对设计部门了解飞行后状态非常重要，也是改进设计的依据。

在着陆跑道上的检查与处理工作完成后，航天飞机沿着牵引道向处理厂房移动，如图13-5所示。