+ 美：Ben Evans

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科學(xué)和技術(shù)任務(wù)：空間運(yùn)輸系統(tǒng)-77航天任務(wù)18年回顧（一）

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圖1 美國奮進(jìn)號航天飛機(jī)（Endeavour）發(fā)射入軌

1996年5月19日拂曉，伴隨著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的隆隆轟鳴聲，美國“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)（Endeavour）進(jìn)入空間預(yù)定軌道如圖1所示，開始了多學(xué)科的空間科學(xué)試驗(yàn)。2014年5月19日美國空間（AmericaSpace）網(wǎng)站發(fā)表了Ben Evans 撰寫的“Mission for Science and Technology: 18 Years Since STS-77”，中文直譯為“科學(xué)和技術(shù)任務(wù)：空間運(yùn)輸系統(tǒng)-77任務(wù)18年回顧”。原文作者系統(tǒng)地回顧了美國奮進(jìn)號航天飛機(jī)執(zhí)行此次空間試驗(yàn)任務(wù)（美國國家航空航天局NASA的任務(wù)代號STS-77）背后鮮為人知的故事，風(fēng)趣地介紹了參加此次飛行任務(wù)6名航天員的成長歷程，簡要地說明了此次飛行任務(wù)所開展的具有劃時(shí)代意義的空間試驗(yàn)項(xiàng)目。對于如何認(rèn)識我們國家正在開展載人航天與空間實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)建設(shè)具有較高的參考價(jià)值，本文在原文材料的基礎(chǔ)上，引入相關(guān)背景知識，期望能對國內(nèi)讀者以啟迪。

“STS”是“Space Transportation System”的縮寫，中文譯為“空間運(yùn)輸系統(tǒng)”，“STS”是“Space Shuttle”的官方名稱，“Space Shuttle”中文譯為“航天飛機(jī)”。航天飛機(jī)是本體可再次使用的載人航天飛行運(yùn)載器，能夠到達(dá)LEO低地球軌道（low Earth orbit）。美國國家航空航天局NASA負(fù)責(zé)航天飛機(jī)的管理和運(yùn)行控制工作，航天飛機(jī)均在美國Florida州的Kennedy空間中心發(fā)射KSC（Kennedy Space Center）入軌，1981年～2011年間，航天飛機(jī)共計(jì)執(zhí)行135次飛行任務(wù)，在軌合計(jì)工作時(shí)間為1322天19 小時(shí) 21 分 23 秒，將大量衛(wèi)星送入軌道，其中包括著名的Hubble空間望遠(yuǎn)鏡、同時(shí)開展了行星際探測、在軌空間試驗(yàn)，航天飛機(jī)還參加了國際空間站ISS（International Space Station）的建設(shè)和服務(wù)工作。

航天飛機(jī)由軌道飛行運(yùn)載器OV（Orbiter Vehicle）、一對可重新使用固體火箭助推器SRBs（solid rocket boosters）以及一次性使用的外掛儲箱ET（external tank）四部分組成，其中外掛儲箱中裝載液氫和液氧推進(jìn)劑，一對固體火箭助推器與軌道飛行運(yùn)載器的三個(gè)主發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)安裝。航天飛機(jī)的發(fā)射方式與傳統(tǒng)運(yùn)載火箭類似，采用垂直與發(fā)射平臺的方式發(fā)射，如圖2所示。軌道飛行運(yùn)載器OV飛行到預(yù)定的軌道高度后，一對固體火箭助推器與航天飛機(jī)分離并被拋棄，軌道飛行運(yùn)載器進(jìn)入預(yù)定時(shí)，外掛儲箱與航天飛機(jī)分離并被拋棄，如圖3所示

圖2 航天飛機(jī)組成部分及垂直發(fā)射方式

圖3 Discovery號航天飛機(jī)固體火箭助推器分離并被拋棄后的圖像

當(dāng)航天飛機(jī)完成空間試驗(yàn)任務(wù)后，軌道飛行運(yùn)載器OV啟動(dòng)兩個(gè)軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)OMS（Orbital Maneuvering System）發(fā)動(dòng)機(jī)，離開運(yùn)行空間軌道并再入大氣層。軌道飛行運(yùn)載器OV在California州的Edwards空軍基地的飛機(jī)跑道著陸或者Florida州Kennedy空間中心的飛機(jī)跑道著陸，當(dāng)軌道飛行運(yùn)載器在Edwards空軍基地著陸時(shí)，軌道飛行運(yùn)載器著陸需要再由專門改裝的波音747客機(jī)運(yùn)到Kennedy空間中心，如圖4所示。

第一架航天飛機(jī)為企業(yè)號（Enterprise），僅僅用于局部演示驗(yàn)證和再入大氣層著陸試驗(yàn)，不具備進(jìn)入軌道空間能力。最初研制的四架功能完備的航天飛機(jī)分別為“哥倫比亞”號（Columbia）、“挑戰(zhàn)者”號（Challenger）、“發(fā)現(xiàn)號”（Discovery）和"亞特蘭蒂斯"號（Atlantis），如圖5所示。"挑戰(zhàn)者"號航天飛機(jī)和"哥倫比亞"號航天飛機(jī)分別于1986年和2003年在執(zhí)行空間試驗(yàn)任務(wù)時(shí)遭遇飛行事故而損毀，共犧牲14位宇航員。1991年，美國國家航空航天局NASA研制了第5架功能完備的奮進(jìn)號（Endeavour）航天飛機(jī)，以代替失事的挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)。由于多方面的原因，航天飛機(jī)現(xiàn)已不再執(zhí)行航天飛行任務(wù)，2011年7月21日亞特蘭蒂斯號航天飛機(jī)完成美國航天飛機(jī)歷史上的最后一次空間試驗(yàn)任務(wù)。

在美國東部時(shí)間1996年5月20日上午07點(diǎn)29分，美國“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)宇航員Mario Runco Jr操作機(jī)械手臂將一個(gè)小型自由飛行器SPARTAN-207從“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)載荷艙中取出并釋放到軌道空間，就此拉開為期10天的STS-77航天飛行空間試驗(yàn)任務(wù)。航天飛機(jī)的遙控操作系統(tǒng)RMS（Remote Manipulator System）機(jī)械手臂由加拿大研制，如圖6所示。SPARTAN是英文“Shuttle Pointed Autonomous Research Tool for Astronomy”的縮寫，中文直譯為“面向航天飛機(jī)的天文學(xué)自主研究工具”，SPARTAN能夠在航天飛機(jī)外自由飛行，已在軌道空間開展了天文和太陽物理實(shí)驗(yàn)，以及相關(guān)空間技術(shù)研究試驗(yàn)，但是在STS-77航天任務(wù)中，SPARTAN完成了迄今最具挑戰(zhàn)性的試驗(yàn)。SPARTAN-207被釋放后，STS-77航天任務(wù)的指揮官John Casper操作“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)飛行到距離SPARTAN-207飛行器250米遠(yuǎn)的位置處，并在此位置處保持了約1個(gè)小時(shí)，然后開展航天器局部繞飛試驗(yàn)，使SPARTAN-207飛行器在“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)的正下方，并在此相對位置下保持80分鐘，隨后開展了具有潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值的空間科學(xué)試驗(yàn)，包括雷達(dá)試驗(yàn)、空間移動(dòng)通信試驗(yàn)、空間天文學(xué)試驗(yàn)、空間對地球觀測試驗(yàn)、地球環(huán)境研究以及地球土壤濕度和海洋鹽度分析實(shí)驗(yàn)。十八年前，STS-77把航天飛機(jī)的許多功能整合為一體開展科學(xué)試驗(yàn)，為未來的國際空間站（ISS ）的研究工作指明了方向。

圖4 Endeavour號航天飛機(jī)由改裝的波音747客機(jī)運(yùn)到Kennedy空間中心

圖5 航天飛機(jī)發(fā)射起飛瞬間圖像（從左到右分別為哥倫比亞號、挑戰(zhàn)者號、發(fā)現(xiàn)號、亞特蘭蒂斯以及奮進(jìn)號）

圖6 加拿大研制的航天飛機(jī)的遙控操作系統(tǒng)（RMS）機(jī)械手臂

Runco釋放飛行器SPARTAN-207的2個(gè)小時(shí)后，“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)宇航員遙控SPARTAN-207飛行器完成了空間充氣展開天線試驗(yàn)IAE（Inflatable Antenna Experiment），該充氣展開天線由總部位于美國加利福尼亞州洛杉磯地區(qū)Tustin市的L’Garde公司和美國國家航空航天局NASA下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL（Jet Propulsion Laboratory）于1988年聯(lián)合研制。該充氣展開天線的是一種拋物面式反射天線，拋物面由一種聚酯薄膜材料制成，天線展開的寬度為14米，拋物面天線的反射面位于三個(gè)可充氣展開框架支撐桿的頂端。試驗(yàn)的目的是在空間微重力環(huán)境下，驗(yàn)證大型空間充氣展開結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性以及功能特性。自1971年，L’Garde公司就開始嘗試空間薄膜、多任務(wù)氣球的研發(fā)，相關(guān)產(chǎn)品包括為美國國防部研制導(dǎo)彈誘餌薄膜氣球。工程技術(shù)人員很早就認(rèn)識到，體積相當(dāng)?shù)某錃庹归_結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)，前者的重量要比后者小得多，由此可以大幅度節(jié)省航天任務(wù)的發(fā)射成本。L’Garde公司的創(chuàng)立者兼公司副總裁Alan Hirasuna后來接受媒體采訪時(shí)曾說，充氣展開天線的成本為1400萬美元，而同等規(guī)模的實(shí)體結(jié)構(gòu)天線成本則為2億美元，顯然充氣展開天線的成本僅僅是常規(guī)結(jié)構(gòu)天線成本的零頭。而充氣展開天線的結(jié)構(gòu)緊湊，重量只有60公斤，因此，可以利用小型運(yùn)載火箭將充氣展開天線運(yùn)送到近地軌道空間。

圖7 SPARTAN-207飛行器釋放并展開空間充氣展開天線

在美國東部時(shí)間1996年5月20日上午9點(diǎn)38分，美國“奮進(jìn)號”航天飛機(jī)的6名宇航員注視著能夠監(jiān)測到艙外空間天線充氣展開的視頻，SPARTAN-207飛行器首先遙控充氣展開天線的三個(gè)框架支撐桿，每個(gè)支桿由芳綸復(fù)合材料制成，支桿表面涂有氯丁橡膠涂層，三個(gè)框架支撐桿完全充氣展開后的長度為28米。支撐桿安裝有加壓氮?dú)夤?，利用高壓氮?dú)鈮毫ψ饔茫恍枰?分鐘就可以展開寬度為14米的拋物面式反射天線，天線的頂面和底面是銀色反射面，由此在隨后的90分鐘里，宇航員能夠清晰地觀測并記錄到空間天線充氣展開的全部過程，空間充氣展開天線展開過程如圖7所示。宇航員利用記錄照射天線拋物面的反射光來精確測量拋物面的平滑度?？臻g天線充氣展開完成后，SPARTAN-207飛行器將空間充氣展開天線釋放到軌道空間。隨后宇航員Casper啟動(dòng)奮進(jìn)號航天飛機(jī)的小推力發(fā)動(dòng)機(jī)（推力器）“點(diǎn)火”工作，使奮進(jìn)號航天飛機(jī)機(jī)動(dòng)到SPARTAN-207飛行器的“前方”和“上方”位置處。在隨后的兩天時(shí)間里，“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)與SPARTAN-207飛行器之間保持90～110千米之間的距離。

圖8 F-100 super Sabre（超級軍刀）戰(zhàn)斗機(jī)

圖9 F-4 Phantom（鬼怪戰(zhàn)斗機(jī)）

本次STS-77航天任務(wù)對每位航天員來說取得了巨大成功，其中Casper和Runco兩位航天員是第二次合作完成航天飛機(jī)空間試驗(yàn)任務(wù)?？哲娚闲ohn Howard Casper于1943年7月9日出生在美國S.C州的Greenville市，這是他第四次執(zhí)行航天飛機(jī)空間試驗(yàn)任務(wù)。Casper在家鄉(xiāng)高中畢業(yè)后，進(jìn)入美國空軍學(xué)院學(xué)習(xí)工程學(xué)， 1966年畢業(yè)獲得學(xué)士學(xué)位，隨后考入美國Purdue大學(xué)學(xué)習(xí)航天學(xué)，1968年畢業(yè)獲得碩士學(xué)位。隨后Casper加入美國空軍，并在美國Texas州Reese空軍基地接受飛行訓(xùn)練，學(xué)習(xí)駕駛F-100 super Sabre（超級軍刀）戰(zhàn)斗機(jī)，如圖8所示。隨后參加越戰(zhàn)，期間執(zhí)行了200多次戰(zhàn)斗任務(wù)。越南戰(zhàn)爭結(jié)束后，Casper回到美國繼續(xù)在空軍服役，駕駛F-100超級軍刀戰(zhàn)斗機(jī)以及F-4 Phantom（鬼怪）戰(zhàn)斗機(jī)，如圖9所示。Casper曾作為英國空軍的交換飛行員，在英國皇家空軍Lakenheath基地?fù)?dān)任戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)聯(lián)隊(duì)飛行員。后來Casper在美國Edwards空軍基地試飛員學(xué)校學(xué)習(xí)，1974年畢業(yè)后擔(dān)任F-4戰(zhàn)斗機(jī)測試大隊(duì)主任，負(fù)責(zé)武器投放和航空電子設(shè)備的測試工作。隨后Casper擔(dān)任美國國防部擔(dān)任特殊項(xiàng)目辦公室副主任，負(fù)責(zé)根據(jù)冷戰(zhàn)時(shí)期的形勢要求，推演戰(zhàn)略空軍的任務(wù)、作用、結(jié)構(gòu)以及運(yùn)作概念。1990年2月，Casper擔(dān)任STS-36航天任務(wù)的飛行員，STS-54和STS-62航天任務(wù)的指令長。

航天員Mario Runco Jr是美籍意大利人，他非凡的航天職業(yè)生涯起步于州警察局值班騎警，隨后是海軍海洋學(xué)家和氣象學(xué)家。1952年1月26日，Runco生于美國紐約Bronx區(qū)，因?yàn)镽unco長得非常像電視劇《星級航行》中的主角Mr. Spock，由此在美國國家航空航天局NASA工作期間引發(fā)許多與此有關(guān)的軼事。Runco先在紐約城市學(xué)院學(xué)習(xí)天文學(xué)，1974年大學(xué)畢業(yè)后考入美國Rutgers大學(xué)，攻讀大氣物理學(xué)碩士學(xué)位，期間他用了兩年時(shí)間研究水文學(xué)，并為美國地質(zhì)調(diào)查局勘定長島的地下水資源。1977年，Runco加入美國New Jersey州警察局，在一年多的時(shí)間里擔(dān)任州警察局值班騎警，1978年6月，Runco加入美國海軍。Runco多學(xué)科的教育背景和寬廣的知識面，使得他的職業(yè)生涯也由此豐富多彩，先在美國海軍海洋和大氣研究實(shí)驗(yàn)室研究氣象學(xué)，1981～1983，在美國海軍Nassau號航母擔(dān)任氣象官員，如圖10所示。后被任命為美國海軍水面艦艇作戰(zhàn)官，隨后在美國海軍研究生院實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任講師，期間隨美國海軍Chauvenet號測量船在Java海和Indian洋開展水文地理學(xué)和海洋學(xué)調(diào)查研究工作，如圖11所示。1987年6月，Runco被美國國家航空航天局NASA挑選為宇航員，Runco在州警察局值班騎警的職業(yè)背景給他在NASA有了“騎兵”的綽號，Runco有兩次航天飛機(jī)飛行試驗(yàn)經(jīng)歷，第一次是作為乘務(wù)員執(zhí)行STS-44空間試驗(yàn)任務(wù)，第一次是和Casper 合作執(zhí)行STS-54空間試驗(yàn)任務(wù)。

圖10 美國海軍Nassau號航母擔(dān)

圖11 美國海軍Chauvenet號測量船