航天飞机:一段苦涩插曲

本文来源于《财经》杂志 2011年07月31日 22:03 我要评论(0
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作为冷战产物,航天飞机诞生之时未能周全论证,对成本和安全因素估计不足,终成太空过客。后航天时代将仍由飞船主导,但只有更高远的深空探测目标才能成为冒险和花钱的理由

  2011年7月21日,“亚特兰蒂斯”号成功返航,夹杂于鲜花和掌声中的,更多却是公众和研究者惆怅失落的目光。按照美国航天规划,航天飞机至此全部退役。

  高昂的成本和安全隐患,使航天飞机终成人类航天征途上的苦涩插曲。

  “亚特兰蒂斯”号,是美国投入使用的第四架航天飞机,专业名称为OV-104,即“轨道飞行器104”,净重约68.6吨,曾将“伽利略”号木星探测器、“麦哲伦”号金星探测器和“康普顿”伽马射线望远镜送入太空,并多次执行国际空间站建设任务。

  航天飞机曾是美国引以为傲的科技霸主象征,更为直白的称呼是“太空梭”,可重复使用,并往返于太空和地面之间。它结合了运载火箭、载人飞船和航空飞机等多种功能,能够把人造卫星等航天器送入太空,也能在轨道上运行,同时还可以在大气层中滑翔着陆。自1981年4月12日第一架航天飞机“哥伦比亚”号升空后,航天飞机家族安装和维修“哈勃”太空望远镜、建设国际空间站等功绩均被写入人类认识宇宙的历史进程中。

  继阿波罗登月计划之后,航天飞机被看做是空间时代的第二个里程碑,这也激发了美国公众的爱国情绪。但业内对航天飞机争议不断,尤其是1986年“挑战者”号爆炸和2003年“哥伦比亚”号解体事故,使业内更加坚信其安全性和可靠性都远低于相对简单的载人飞船。

  曾参与航天飞机计划的航天员希勒斯在对媒体回顾整个航天飞机计划时表示, 这计划最重要的贡献就是让美国人把在太空中运作和组装变成一门高级艺术,“如果我们要到其他地方去,例如火星,我们将需要在轨道上组装飞船,我们现在知道怎么做了。”

  但是,经费和安全因素却追逼航天飞机退役,中国科学院国家空间科学中心主任、国际宇航科学院院士、美国电气和电子工程师协会(IEEE)高级会员吴季告诉《财经》记者,冷战结束,政治驱动力减弱亦是其退役的重要原因之一。另外,航天飞机对美国在外交、科技以及激励青少年方面作用巨大。但如果总是重复同一个动作,公众关注度就会下降,正如美国在2004年论证新的航天远景时提到的,其在300公里-400公里近地轨道上逗留时间太长了,公众已失去了兴趣。

  美国对于实惠的计较终于超越了政治。但航天飞机的终结并未打击美国欲登陆更遥远莫测的火星再次引领世界航天走向的雄心。

  可重复但不经济

  可重复使用是航天飞机的初衷之一,此举理论上可节约发射费用。但事实上航天飞机发射和维护成本高昂,其助推火箭和外部燃料箱等主要部件的重复使用亦难实现。加之30年中,美国5架航天飞机总共只飞行了135次,而每架航天飞机的设计使用寿命是100次,这就使得航天飞机的价值大打折扣。

  航天飞机设计堪称完美,由轨道飞行器、助推火箭和外部燃料箱三部分组成。1972年3月美国政府批准的航天飞机研制经费为51.5亿美元,但到1981年底已实际耗费100.84亿美元。实际上,自研发时日始,美国共为该项目支出1960亿美元,分摊到每次发射总成本上约15亿美元,仅发射费用一项每次就达5亿美元,其成本远超载人飞船。

  吴季介绍,在研发测算中,航天飞机每次发射的费用仅数千万美元,但这是基于飞行100次的计算,并且没有充分考虑货币贬值和成本的提高。目前看即使通盘考虑人的运输和货运,也不如俄罗斯的“联盟号”和现在欧洲和日本的自动货运飞船来得经济。

  当年美国决定研制航天飞机的主要理由之一是,采用重复使用技术,可以使货运每公斤单价从一次性运载火箭的几千美元,下降到600美元。但上世纪80年代货运单价实际差别之大令人吃惊。航天飞机的低轨道货运单价,包括航天员运费,按1984年值计为每公斤11600美元,与其他一次性使用的低轨道运载器的同年货运单价,比如美国大力神Ⅱ号火箭相比,后者仅为每公斤3326美元。前苏联质子号火箭为每公斤1866美元,中国长征二号为每公斤2860美元。

  这意味着,美国航天飞机的货运费用是大力神Ⅱ号的2.2倍,是中国长征二号的2.6倍,是前苏联“质子”号的4倍。

  不仅如此,实际上,如中国卫星和卫星返回技术专家王希季在其名为《重复使用的并不都是经济的》一文中所指,航天飞机减少了有效载荷。也就是说,为适应重复使用,航天飞机多出很多冗余设计,本来可以有102吨的载荷入轨,因其自重加大,真正运送入轨的重量只有28.5 吨,有效率仅为28%。

  问题还在于,重复使用的航天硬件与一次性硬件相比,采用的技术种类多,要求寿命长和可靠性高,研制费用和生产费用较高;而只有在硬件有效寿命期间达到相当的使用次数,才能获得重复使用的经济性。

  另外,美国宇航局(NASA)对其技术难度以及发射市场的需求量亦缺乏确切估计。由于航天飞机的工程进度远落后于原计划,而且卫星发射市场也比预期的小,因此,NASA对外收费价格从每次飞行收费3800万美元,到1985年就已涨至每次8700万美元。

  中科院国家天文台研究员李竞对《财经》记者分析,世界上大概没有另外一个国家能撑得起航天飞机项目。美国是世界上唯一投入使用航天飞机的国家,前苏联只是制造了样机。

  该计划最早的目的主要是争霸太空,美国为了拖垮前苏联。但有趣的是,美国航天飞机退役后,俄罗斯就成为唯一拥有能往返于地面和国际空间站的载人宇宙飞船的国家,“联盟”号飞船将负责把美国宇航员和物资送往国际空间站。根据美俄签订的合同,其付给“联盟”号的费用是:美国将为每位航天员每次升空向俄支付4340万美元,而到2016年,“联盟”号上的每个座位将高达6300万美元。

  不过这也比航天飞机要经济得多,尽管其中还包括了俄方的利润。

  过于复杂难保安全

  航天飞机结构复杂,技术风险大,每架航天飞机有3500多个分系统、250多万个部件。它不仅应用了固体和液体的燃料, 一次使用的和重复使用的部件,而且还使用了最复杂的主发动机。

  这也意味着系统的复杂度太高,可靠度很难达到要求,连航天飞机的设计师们都认为它是一个难以驯服的工具。

  尤其是“挑战者”号爆炸事故后,暴露出大量复杂的隐患。该事故调查发现有750个事故隐患,甚至包括设计方案问题,如应急救生系统方案、低温环境下的固体火箭助推器密封圈方案等。

  “挑战者”号失事的直接损失共14.2亿美元,其中包括一架航天飞机12亿美元、两颗卫星0.9亿美元、发射费1.3亿美元。

  NASA在2010年的一份内部安全报告中指出,现在航天飞机的安全性比30年前提高了10倍,但发生灾难性事故的风险仍达九十分之一。

  “哥伦比亚”号失事后,NASA组成调查组,对得克萨斯州和路易斯安娜州收集来的8.4万片飞机残骸重新按原位组装,提供实际数据进行分析,通过分析和再现模拟试验来论证事故原因。2003年8月26日,事故调查委员会公布了这起灾难的最终报告:“哥伦比亚”号升空81.7秒后脱落的一块泡沫材料撞击到航天飞机左翼前缘的隔热瓦形成裂缝。因此,当其重返大气层时,超高温气体从裂缝处进入机体,直接导致航天飞机解体。

  此时,美国科技界和政界就发出声音要求重新评价航天飞机。而上世纪80年代中后期,中国航天专家在863计划出台后,就对载人航天技术途径进行反复论证,这其中即有航天飞机与载人飞船之争。

  吴季分析,“哥伦比亚”号失事使NASA更加认识到,飞行了20多年后的航天飞机仍难确保安全,并投入了巨大的人力和财力对安全问题进行复查。但30多年前设计的航天飞机,在电子学系统方面,特别是计算机软硬件方面远远落后于现代,修修补补已经不能确保其安全了。

  “哥伦比亚”号失事调查报告中亦提及,事故原因在一定程度上需追溯到冷战后的政策环境,当美苏航天竞赛不再存在,而又没有其他同等重要的政治目标来接替这一支撑点时,NASA很难得到预算增加,而NASA一味追求航天飞机的发射进度,安全管理日益松懈,加之受资金短缺困扰,故酿成此事故。

  中国空间技术研究院研究员、《国际太空》杂志编审庞之浩认为,这是战略性的失误。航天飞机只在运载能力强、乘坐舒适方面表现突出,而其最初所设计的可重复使用、成本低等都成了短板。美国赋予航天飞机太多的功能,以致不得不面临力不从心的境地。

  “挑战者”号失事让美国人反思,是否值得冒着生命危险去部署和修理卫星。之后NASA将发射商业和军事卫星的任务交给一次性火箭来完成,而不再使用航天飞机。2003年“哥伦比亚”号失事后,事故调查委员会则要求在2010年对航天飞机进行重新认证,或干脆让其退役,这标志着航天飞机时代开始走向终点。

  不少航天专家认为,航天飞机是超越时代的产物。美国依阿华大学的空间科学家詹姆斯·范艾伦说,“航天飞机可能比它应处的时代约领先了20年到50年。”《纽约时报》早在1981年就曾分析认为,只有同时发展空间拖船之类的轨道间运输系统,才能发挥航天飞机的潜在的经济优点。由于受到经费限制,这类先进的轨道间运输系统,还没有列入当时确定的研制计划之中。这也使航天飞机本身可能提供的经济优点受到了很大的限制。

  不过吴季认为,这并不意味着若干年后,航天飞机技术会卷土重来。因为随着计算机和航天技术的发展,已经完全可以解决自动货运飞船问题,货物运输不需要重复使用,货物运输完以后,在大气层烧毁的部分非常便宜,也没必要回收。

  更远大的深空目标

  在美国政府2011财年预算申请报告中,值得注意的是,明确支持私营企业参与低地球轨道载人航天事业,鼓励私营企业开发更便宜的火箭和太空舱。

  由于美国政府面临严重赤字问题,NASA被迫削减预算,2012年预算将降低到2010年的水准,也迫使其加速探索太空商业化的脚步,希望商业化带来的竞争能增加太空探测的效能,并达到降低成本的目的。

  NASA于2006年就拨款5亿美元用以推动太空商业化,并成立“商业航天员和飞行器办公室”,希望以此计划发展低地球轨道运行,为进入火星做准备。

  2006年,NASA选定太空探索技术公司(Space X)和轨道科学公司(Orbital Science)为民营合作伙伴,之后与Space X签订16亿美元合约,用以执行12次飞行;与Orbital Science 签订19亿美元合约,用以执行8次飞行。两家公司所领任务将于2016年12月31日执行完毕。

  2009年,NASA另外以5000万美元成立商业机组人员服务发展计划。今年4月,波音、蓝源(Blue Origin)、内华达山脉(Sierra Nevada)及Space X等四家公司获得了NASA为期一年、总额2.69亿美元的支持,用来研发新一代航天载人运输工具。

  美国政府将载人运载器的研制下放到企业,采用了无人运载火箭的采购方式,即让企业做主承包方,而NASA只负责提供安全标准。

  NASA的公共事务官员Michael Braukus告诉《财经》记者,虽有多家航天公司竞争,但NASA从未担心会产生市场泡沫,因为之前做了充分的市场调研工作。

  如果这几家承包公司无法按时推出航天服务,NASA将被迫使用“猎户座”多用途载人飞船和太空发射系统SLS为国际空间站提供服务。

  由于NASA的推动,在美国兴起了太空科技公司的创业潮。NASA前科学部门领导阿兰·斯特恩(Alan Stern)对《财经》记者表示,商业竞争带来的创新和低价,将使搭载航天员的飞行更普遍,并且在全美各地创造几千个高薪资的工作。吴季认为,引入市场机制后,企业可以通过掌握载人航天运载技术获得利润,比如发展太空旅游等。而NASA走出这一步,真正改善了管理机制,可能会大大地提高效率,降低成本。

  美国西南研究院为一个四年的低轨道科学计划做了130万美元预算,现为该院研发副总裁的阿兰·斯特恩等三人已经预定了航天器座位。如果一切按计划进行,研究人员将于2013年年中升空。期间,一张航天旅行的票价可能降至10万-20万美元。

  不过,目前除了卫星发射用的运载火箭,NASA依然是美国航天的牵头者,企业主导不了任何计划和项目。北京空间科技信息研究所研究员王景泉认为,这也意味着,NASA主体任务要回归到最前沿的科学和核心技术研究中去,向技术难度和不确定性更大的目标探索。

  深空探测包含了国家利益、科学研究和技术创新等诸多成分,而美国人常常愿意承担探测的风险。美国麻省理工学院发表的《载人航天的未来》报告提出,如今只有更高远的探测目标才能成为载人航天冒险和花钱的理由。

  为了保持其在载人航天领域的领先地位,美国认为应把重点放到深空探测上,并且应以创新的方式来取得这种领先。目前,NASA主导的“火星科学实验室”项目已花费25亿美元,预计今年发射,将采集火星土壤样本和岩芯,对现在或过去微生物存在的有机化合物和环境条件进行分析。最新消息称,“火星科学实验室”已经选好登陆地点。

  不过,也有竞争对手,预计今年发射的俄罗斯“福布斯-土壤”项目,其上搭载了中国制造的第一个火星探测器——萤火一号,“火卫-土壤”探测器将在火卫一提取土壤样本后返回地球,而该项目的主体部分和萤火一号将继续观测火星气候状况和附近太空环境,研究火星的电离层、磁场、周围空间环境等。

  新的太空争霸赛苗头显现。美、俄、中、日、印及欧洲宇航局等都相继制订了或正在酝酿制订火星探测计划。


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【作者:《财经》记者 孙滔 蔡婷贻 】 (责任编辑:闫祺)
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