航天飛機(jī)的在軌服務(wù)“特技”

文/ 尼莫

▲ 航天飛機(jī)組裝國際空間站

▲ 修復(fù)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

▲ 航天飛機(jī)捕獲國際通信衛(wèi)星

隨著在軌服務(wù)再次成為航天技術(shù)的熱門話題，退役多年的航天飛機(jī)也得到更多的審視。公允地說，航天飛機(jī)雖然沒能實(shí)現(xiàn)革命性降低發(fā)射成本的目標(biāo)，但作為一個大型航天器，其在軌服務(wù)能力是空前的。

軍事航天的倍增器

航天飛機(jī)是美國宇航局（NASA）和美國空軍聯(lián)合研制的可重復(fù)使用航天運(yùn)載器，它巨大的貨艙可以用來運(yùn)輸貨物、發(fā)射衛(wèi)星，配合機(jī)載的大型機(jī)械臂也是有史以來最強(qiáng)大的在軌服務(wù)平臺。美國空軍曾對航天飛機(jī)寄予了很大希望，要用其來執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星維護(hù)、衛(wèi)星回收和反衛(wèi)星等多種任務(wù)，是美國提高太空軍事能力的力量倍增器。

先來說衛(wèi)星發(fā)射。航天飛機(jī)貨艙長度18.3米，直徑4.6米，可以容納大型衛(wèi)星以及上面級火箭，美國空軍計(jì)劃使用航天飛機(jī)發(fā)射各種軍用衛(wèi)星，包括國防通信衛(wèi)星（DSCS）、獵戶座信號情報衛(wèi)星和國防支援衛(wèi)星（DSP）等。航天飛機(jī)貨艙裝有慣性上面級（IUS）和衛(wèi)星，IUS將這些衛(wèi)星從近地軌道送入同步轉(zhuǎn)移軌道，航天飛機(jī)一度成為美軍衛(wèi)星發(fā)射的頂梁柱，不過1986年挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)事故后，航天飛機(jī)軍用發(fā)射任務(wù)基本取消。

值得一提的是，航天飛機(jī)計(jì)劃于1972年正式啟動，這時傳輸型成像偵察衛(wèi)星發(fā)射還遙遙無期，而KH-10載人空間站又已經(jīng)取消，美國空軍研究使用航天飛機(jī)為KH-9“六邊形”偵察衛(wèi)星更換膠卷艙甚至加注燃料，從而延長它的使用壽命。美國從1971年到1986年累計(jì)發(fā)射了19顆“六邊形”偵察衛(wèi)星，但它們的壽命最長也就是幾個月，如果航天飛機(jī)能為它們補(bǔ)充膠卷以及補(bǔ)加燃料，肯定能顯著提高衛(wèi)星的性價比。然而，由于后續(xù)KH-11傳輸型偵察衛(wèi)星大獲成功，新一代偵察衛(wèi)星不再需要補(bǔ)充膠卷的服務(wù)，航天飛機(jī)在軌服務(wù)的早期概念也就煙消云散了。當(dāng)然，民間一直流傳航天飛機(jī)為KH-11系列衛(wèi)星補(bǔ)加燃料的傳說，但這些傳說從未得到確認(rèn)。

關(guān)于航天飛機(jī)的軍用價值還有更玄幻的傳說，比如使用航天飛機(jī)破壞敵方衛(wèi)星，或是捕獲敵方衛(wèi)星帶回地面。雖然航天飛機(jī)從未對蘇聯(lián)衛(wèi)星進(jìn)行過這些操作，但毋庸置疑它具備這樣的軍用潛力，始終是懸在蘇聯(lián)頭上的達(dá)摩克利斯之劍。這也是蘇聯(lián)不惜重金發(fā)展暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)的根本動力。

▲ 航天飛機(jī)在軌組裝自由號空間站示意圖

民用衛(wèi)星的修理工

航天飛機(jī)雖然沒有投入太空戰(zhàn)場，捕獲或摧毀敵方軍用衛(wèi)星，但卻在民用衛(wèi)星上顯示了實(shí)力。美國的太陽峰年衛(wèi)星（SMM）是用來執(zhí)行太陽觀測任務(wù)的，但這顆1980年2月發(fā)射的衛(wèi)星，因電子設(shè)備出現(xiàn)故障，1980年12月就停止工作，讓美國失去了軌道上唯一觀測太陽的“眼睛”。要重新制造和發(fā)射這樣的天文衛(wèi)星不僅需要經(jīng)費(fèi)，而且時間未必來得及。1984年4月10日，挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)成功捕獲了這顆衛(wèi)星，并于次日修復(fù)了姿態(tài)控制系統(tǒng)和電子設(shè)備的故障，讓這顆本來失效的衛(wèi)星重?zé)ㄉ鷻C(jī)。這次任務(wù)測試驗(yàn)證了航天飛機(jī)在軌服務(wù)的實(shí)用性，而太陽峰年衛(wèi)星也由此成為人類歷史上第一個被在軌捕獲和維修的航天器。

1985年4月，發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)釋放了Leasat-3（又稱Syncomm4-3）衛(wèi)星，但上面級未能點(diǎn)火。要是普通用火箭發(fā)射上面級，點(diǎn)火失敗，那就只能放棄衛(wèi)星了，但發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)隨后機(jī)動交會伴飛衛(wèi)星，并派出2名航天員手動啟動，可惜仍未獲得成功。幾個月后，發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)又發(fā)射升空，再戰(zhàn)Leasat-3衛(wèi)星，交會后將其收回貨艙，重新安裝了新的電池和啟動裝置，并再次在軌釋放。PAM-D上面級這次啟動成功，將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，淋漓盡致地展示了航天飛機(jī)空前的在軌服務(wù)能力。

航天飛機(jī)最著名的在軌服務(wù)目標(biāo)，當(dāng)屬目前仍在運(yùn)行的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。哈勃望遠(yuǎn)鏡入軌后才被地面發(fā)現(xiàn)，由于主鏡片存在研磨錯誤，邊緣弧度比設(shè)計(jì)略微平了一點(diǎn)，造成成像模糊。怎么辦？不幸中的萬幸，哈勃望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)上就有計(jì)劃要使用航天飛機(jī)進(jìn)行維護(hù)。

1993年12月，奮進(jìn)號航天飛機(jī)發(fā)射升空，對哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了修理，通過光軸補(bǔ)償矯正組件和新的廣域行星相機(jī)更換，對哈勃望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量進(jìn)行了矯正，相當(dāng)于給哈勃望遠(yuǎn)鏡戴上眼鏡，解決了“近視眼”的問題。這次任務(wù)還更換了望遠(yuǎn)鏡的陀螺儀、動量輪、磁力計(jì)和部分電子元器件，升級了計(jì)算機(jī)，并提升了哈勃望遠(yuǎn)鏡的軌道高度。1993年的奮進(jìn)號航天飛機(jī)任務(wù)是哈勃望遠(yuǎn)鏡的首次在軌維修，此后美國使用航天飛機(jī)又對其進(jìn)行了4次在軌維護(hù)，讓這臺望遠(yuǎn)鏡成為人類仰望星空最敏銳的眼睛。

▲ 航天飛機(jī)建造自由號空間站計(jì)劃示意圖

▲ 航天飛機(jī)派出航天員修衛(wèi)星

空間工程的勤務(wù)員

航天飛機(jī)的在軌服務(wù)能力，不僅表現(xiàn)在發(fā)射和維修衛(wèi)星，它更是建造空間站等大型航天器的中流砥柱。美國宇航局從設(shè)計(jì)之初，就計(jì)劃使用航天飛機(jī)支持空間站等大型航天器的在軌組裝。通過基于航天飛機(jī)的在軌服務(wù)，人類的航天器和航天探索能力都達(dá)到前所未有的水平。

1973年，美國發(fā)射的天空實(shí)驗(yàn)室接納過3艘阿波羅飛船訪問，但它沒有軌道機(jī)動能力，由于發(fā)射時一側(cè)太陽翼脫落，供電能力不足，美國宇航局計(jì)劃使用航天飛機(jī)攜帶一個軌道機(jī)動模塊，提升天空實(shí)驗(yàn)室的軌道，后續(xù)還有為它安裝25千瓦大型太陽翼的方案。然而，太陽活動導(dǎo)致高層大氣密度和阻力增加，而航天飛機(jī)的研制又延期，天空實(shí)驗(yàn)室于1979年再入隕落，讓航天飛機(jī)失去了大顯身手的機(jī)會。

1984年，美國總統(tǒng)里根在國情咨文中正式提出，將在未來10年建立一個名為自由號的永久性空間站。自由號空間站是典型的桁架式空間站，桁架上掛多個艙段及太陽翼和艙外載荷，技術(shù)水平要比蘇聯(lián)的和平號空間站高很多。自由號空間站建設(shè)的絕對主力就是航天飛機(jī)，它的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、桁架和艙段都將由航天飛機(jī)貨艙攜帶發(fā)射升空，在軌組裝建造更是需要航天飛機(jī)的參與，建成后航天飛機(jī)每年飛行數(shù)次，承擔(dān)人員往返，運(yùn)送補(bǔ)給和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的任務(wù)。

然而，自由號空間站任務(wù)一拖再拖，冷戰(zhàn)結(jié)束后國際形勢緩和，最終演化為國際空間站。國際空間站雖然有俄羅斯艙段，但主要部分仍然要由航天飛機(jī)運(yùn)送和組裝。國際空間站的3個節(jié)點(diǎn)艙、3個實(shí)驗(yàn)艙以及多功能貨艙，更不要說桁架以及其上的艙外實(shí)驗(yàn)設(shè)備和太陽翼，都是航天飛機(jī)運(yùn)送和組裝的結(jié)果。早期加拿大機(jī)械臂2尚未升空，空間站艙段的對接組裝更是完全依靠航天飛機(jī)。航天飛機(jī)是國際空間站建成前人員往返和貨物運(yùn)送的主要工具，必要時還可以用來調(diào)節(jié)空間站的軌道，是貨真價實(shí)的在軌服務(wù)多面手。毫不夸張地說，沒有基于航天飛機(jī)的大量、廣泛和持續(xù)的在軌服務(wù)活動，就無法建成今天我們看到的國際空間站。

▲ 航天飛機(jī)機(jī)械臂抓獲Leasat3衛(wèi)星