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航天飞机为什么被淘汰?

如果这问题用“航天飞机”表示美国太空运输系统 Space Transportation System(以下称为 STS),那么其退役的主要原因是成本过高、安全性不足、维护困难。

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STS. 拍摄者:Caryn Bohn

“航天飞机”一词表示水平着陆的、可重复使用的航天器,不限于 STS。现存的无人驾驶航天飞机可以完成一些任务,主要是科学和军事任务。今后,人们或许还会制造更多的航天飞机。

历史上,STS 曾自称在以下方面超越运载火箭:

  • 重复使用。STS 计划起初吹嘘每架轨道飞行器可以复用 100 次,理论上比“为每次任务建造新航天器”便宜。在第一次发射前,STS 计划承诺“大大降低太空飞行的成本”。
  • 载荷能力。可以运送 7 名航天员,可以发射·维修大型卫星、空间站结构、空间望远镜等,执行需要大量人员、物资的任务——必要时也包括“攻击敌人的航天器”、“将核弹丢在敌国”,尽管弹道导弹更擅长投送核弹。
  • 特殊设备。STS 的机械臂等设备可帮助航天员执行相对复杂的舱外工作,在修复哈勃空间望远镜时声称“只有 STS 做得到”。

后来,人们发现 STS 有以下问题:

  • 成本高昂。“重复使用”和“载荷能力”建立在昂贵的运行成本、维护成本、发射成本上,1972 年概算每磅有效载荷的成本按通货膨胀合 2012 年 1109 美元,实际上在不考虑研究与开发费用的情况下每磅有效载荷的成本高达 2012 年的 37207 美元,超额 3255%;STS 计划主任罗伯特·汤普森承认,后来设计阶段的主要目标“不包含降低造价”,因为“降低成本会导致其他技术要求无法满足”。1982 年,NASA 估算 STS 每次飞行花费 2.6 亿美元,估算时声称每年要发射 24 次、持续十年。实际上,STS 到退役共发射 135 次,平均每次发射耗资 16.42 亿美元。
  • 过于复杂。STS 的“关键部件”数量众多,增加维护成本、延长维护时间、降低可行的发射频率和复用次数。轨道飞行器每次降落后要花 3 到 7 个月进行拆卸、检查、翻新,需要大量熟悉它的工作人员。STS 使用的多项技术,包括引擎,从未达到起初预想的水平。随着时间流逝,工作人员换代进一步降低 STS 的可维护性。
  • 安全性差。1986 年挑战者号失事、2003 年哥伦比亚号失事造成大量航天员死亡,调查显示两次失事都归因于设计缺陷和安全管理问题,O 形环被腐蚀的事情发生过数次、没有引起足够关注,破坏哥伦比亚号隔热层的泡沫塑料块本就没必要安装、之前就曾脱落并砸到轨道飞行器上。STS 计划起初宣传事故率约 1/100000,失事后调查发现 STS 早期发射时发生“灾难性事故”的概率高达 1/9。后期经过改进,STS 的“灾难性事故”概率下降到约 1/90。美国找不到给 STS 配置有效的紧急逃生系统的方法。
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挑战者号点火后 58.788 秒,右侧固体助推器出现羽流
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挑战者号失事
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哥伦比亚号失事
  • 必要性低。NASA 起初将 STS 的主要任务设为部署卫星,给出的报价低于成本,但一次性运载火箭的快速进步让用 STS 赔本发射卫星的吸引力仍然不足。轨道飞行器的死重对有效载荷的限制无法处理。用 STS 为轨道上的大部分卫星进行维护、加注燃料比用一次性火箭发射一个执行相同任务的新卫星还要贵,何况新卫星能够使用新技术提高效能。在挑战者号失事后,NASA 修改了 STS 的任务安排,缓解了这个问题。

——从诞生到退役,STS 进行了 135 次发射,发生 2 次重大事故,死亡 14 人。轨道飞行器的最大复用次数为 39(发现号)。STS 的主发动机号称可以复用 55 次,实际上平均复用了约 7.8 次。

苏联“暴风雪”号航天飞机只进行过 1 次无人驾驶飞行。苏联大概马上就发现了上述问题,苏联当时的经济状况也太差。

STS 的载荷能力、相当于小型空间站的机载设备在历史上发挥了一些作用。如果历史上美国政府和军队不对 STS 的设计进行太多干预,那么 STS 的性价比也不至于整成这样。不过,最初设计的 STS 能完成的任务也较少。

二十一世纪初,可回收火箭在回收复用上完全超越了 STS。考虑通货膨胀,猎鹰重型的每磅有效载荷成本(2022 年约 689 美元,2025 年约 748 美元)低于 1972 年 STS 的纸面数据(2012 年约 1109 美元,2025 年约 1534 美元)。喜欢的话,读者可以说,这是“我们老旧的天启坦克全面超越了最新的磁能坦克”。



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