人类迄今为止发明的所有航天器中,从来没有一种能够像航天飞机那样引人注目。垂直起飞,水平降落,过载只有1.5到3G,老人小孩都可以坐。而且体型巨大,可以和组合式空间站媲美,至于某些单体式空间站和载人飞船,它甚至可以将其装在货舱里带走,对于一些超大尺寸,超常规的货物,也只有航天飞机能够运输。可是如此“神器”,为何现在却不香了呢?

美国航天飞机对接和平号空间站

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航天飞机和美国天空实验室

航天飞机和联盟载人飞船

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航天飞机退役的直接原因,是两次爆炸,1986年1月28日的“挑战者”号和2003年1月16日的“哥伦比亚”号。一架在起飞的时候爆炸,一架在返回的时候失事,NASA总共装备了6架航天飞机,损失超过三分之一,这样的损失,搁谁身上都受不了。

挑战者号爆炸瞬间

哥伦比亚号失事瞬间

但爆炸不是唯一原因,“挑战者”号在1986年就炸了,航天飞机后续还不是飞了25年,要提前退役,一定是因为没有达到其初始的设计目标。我们看着航天飞机虽然高大上,但实际上,它源自1969年的可回收航天器方案,设计初衷是借助重复使用能力,降低航天发射的成本,就和今天SpaceX的“猎鹰”系列火箭和“龙”飞船一样。

航天飞机源于1969年的可回收航天器方案

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然而,航天飞机在降低成本方面吹的牛,一个都没有实现,比如1972年的时候,NASA估算每磅有效载荷的发射成本为1109美元,但实际上,这个数字直到今天的“猎鹰”9才实现。而即便不考虑航天飞机本身研究和发展开支,实际每磅有效载荷的成本也高达37207美元,翻了大约33.5倍。

具体来说,1982年,NASA公布航天飞机每次飞行大约需要2.6亿美元,但估算标准是每年飞行24次并持续十年。实际上,美国6架航天飞机在30年间,总共才进行了135次轨道级飞行,因此实际发射费用要高得多。1995至2002年间,NASA给出的数据是平均每次发射需要8.06亿美元,但实际上,从整个航天飞机计划预算来看,平均每次发射真实的成本高达16.42亿美元。而整个任务期间,NASA共为航天飞机计划投入了大约2210亿美元,以今天的眼光来看,虽然不多,但你要知道,这可是几十年前的美元。

那么以重复使用、降低成本为名美国航天飞机,为何发射费用会这么贵呢?原因有很多,但首先要说的,那就是它的死重太大了,比如整个轨道器部分,重68吨多,载荷25吨多,起飞重量109吨。对于火箭来说,68吨多的轨道器部分,就是死重,死重越多,成本越高。

其次,航天飞机的系统过于复杂,比如下面的航天飞机构造解剖图,就很直观地展示了它有多么庸肿繁杂,这也是航天飞机维护起来特别贵的原因,同时系统安全性也大大下降,两次爆炸也源于此。反观“猎鹰”9复用火箭,二级储罐上的电子元器件只占整个面的三分之一。可以说除了发动机、着陆腿、栅格翼及电子元器件之外,就只有个壳了,回收次数少且在无任何损伤情况下,只作简单维护即可重复使用,连漆都不用刷。

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猎鹰9火箭

第三,就是航天飞机能重复使用的部分太少。它虽然打着“可回收航天器”的名号,但实际上,巨大的外储燃料箱箱是一次性的,固体助推器虽然可以回收,但掉在海上再捞回来,高温的发动机泡海水,并没有多少再利用的价值,这些成本不能如愿降下来,所以后来的“猎鹰”系列火箭芯级和助推器,都是垂直降落在船上或者陆地上,避免泡海水。

航天飞机固体助推器

其实在美国航天飞机研制之初,NASA曾提出三个方案,即第一类是把可重复使用的轨道器装上一次使用助推器;第二类采用多个一次使用运载火箭的发动机与单个推进剂储存箱;第三类的轨道器和助推器都能重复使用。当时专家们都支持第三个方案,然而美国空军出于提高有效载荷能力的需求,最终锁定了三角翼轨道飞行器和消耗型燃料箱方案。

相比之下,苏联“暴风雪”号航天飞机的设计其实更为优秀,不但有自动驾驶系统,可以实现从发射到返航全程无人操作,而且火箭和轨道器还是互相独立的,所以不存在高昂的保养费,而且任务安排更加灵活,“能源”号火箭还能发射其他载荷,总体来说,“暴风雪”号更加完美,发射成本更低,可靠性更高,但即便是这样,苏联也承受不了,在解体之前就将项目停止了。

苏联航天飞机

最后要说的是,今天的“龙”飞船,以最多7人的运载能力,在一定程度上重现了航天飞机的梦想,同时又实现了较低的发射成本,但它终究不是航天飞机。当然,航天飞机并没有离我们太远,现在的空天飞机、可重复使用轨道飞行器,甚至是“星舰”,其实都是航天飞机的再生。

这不就是航天飞机吗?