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航天飞机为什么淘汰了?

2020-03-10 15:29航天世界 人已围观

简介航天飞机航天飞机项目自身非常成功,各种小缺点完全可以接受,淘汰是因为计算机技术的发展。 航天飞机的设想基于70~80年代科技,认为轨道上有大量需要非专业航天员即时发挥聪明才智的创...

  航天飞机项目自身非常成功,各种小缺点完全可以接受,淘汰是因为计算机技术的发展。

  航天飞机的设想基于70~80年代科技,认为轨道上有大量需要非专业航天员即时发挥聪明才智的创造性工作。那年代连航天飞机自己都做不到全自动,不同飞行阶段手动载入程序,降落阶段完全机长手操,可想而知没有人脑稍微复杂一点的事情都是计算机不能胜任的,这是70年代末期的技术水平。

  因此任务里运输人脑远远优先于运货,起飞3G降落1.5G的峰值过载完美实现了普通人稍作训练前往太空工作的目标。其他的飞船,哪个是高中教师准备半年就能上的?哪个敢让77岁老大爷搭?一发2~3亿的D4H看起来有一样的货物载荷,但要是一个卫星需要几名临时专家太空行走在轨调整几天到十几天才能正常运行,多少发D4H才够?

  之后80年代计算机技术发展迅速,航天器功能从硬件实现转向软件实现,直接导致航天器的控制和维护模式有根本变化,人类现场操纵不再是最优解,运人的迫切性大为降低。预想的大量太空科研工作和维护工作消失,是航天飞机不能体现出载人优势因而退役的根本原因。

  比如说1971~1986发射的KH-9 Hexagon,是10吨重的LEO胶卷照相侦察卫星,胶卷用完就GG,寿命不到一年。如果能在轨补胶卷,一趟任务价值多少?接下来带有在轨补加燃料设计的电子成像卫星KH-11 Kennen Block1(1976~1982),十几吨重,十亿美刀的价格,在天上寿命不到三年,比起重造重打航天飞机的发射成本真的很贵吗?后来电子成像元件替代了胶卷,软件更新取代了硬件修改,后期版本的KH-11可以在轨十几年不需要硬件维护,航天飞机就没有如预想吃到这份饭。

  主要原因还是钱,到2011年时,航天飞机发射一次的成本已经高达5-6亿美元。而且大量的钱被消耗在地面维护上,所以这个价格还要保证一定发射量才能实现,不然平均下来发射成本更高。

  虽然可重复使用,但是不可复用部分成本还是挺高的,推力上千吨的SRB(壳体各分段看损坏情况决定是否重复使用),一个氢氧硕大燃料储箱。相比正常运载火箭,真正可以重复使用的就是主发动机而已,但是SSME重复使用维护的成本并不低,造价也是天价了。

  入轨的重量里面存在有大量死重,虽然号称可以达到百吨级LEO,不过有效载荷并不算太多。

  而航天飞机大多数时候的首要任务是送7名宇航员到ISS,而这个任务在未来将由波音公司的cst100飞船,和spacex公司的龙飞船2代进行完成,都可以载7人,前者由报价不足1亿刀的宇宙神5发射,后者由报价5000万刀实现回收还可能更低的猎鹰9进行发射,飞船也可以复用。

  还有一个就是20t+ leo载荷的货舱,基本相当于目前运载火箭里面最高一档阿丽亚娜5,质子,和德尔塔4的运力。但是大多数20t+最主要的任务都是执行gto轨道等高的轨道,而航天飞机的leo载荷能力只能在近地轨道使用,近地轨道上20吨除了空间站舱段和货运飞船并没什么可打,组装好以后就剩下给ISS运点补给了,最多可能带一些美军军用侦查卫星(但是航天飞机这种状态下就不太好去ISS了)。但是就运补给这个事来说,也不如货运飞船廉价,灵活。

  如果波音737MAX的第二次事故不是发生在半年后,而是发生在10年后,还会不会有这么多人喊波音必须死?

  挑战者号的事故是一次非常幸运的事故,甚至可以说是NASA一直在期盼的。因为当时航天飞机的主发动机SSME还是个半成品,有一大堆致命的故障没有解决,完全是因为各方压力才强行运营的。固体火箭出问题造成停飞,厂家利用这段时间疯狂赶工,把最致命的几个问题都解决了。

  仅仅两年后的STS 27号任务中,已经发生过和在哥伦比亚号完全相同的事故,燃料箱掉落的碎片砸掉了一块隔热瓦,露出了机身。幸运的是,露出的恰好是一个不锈钢部件,比铝制机身强度更高,让NASA逃过一劫。

  NASA改了吗?并没有,他们带着这个毛病继续飞了十几年,直到害死人为止。

  对于航天飞机,美国航天业的感受和普通大众非常不一样。我们看到的是航天飞机上百次飞行,只遇到两次事故就被淘汰,而NASA看到的是,已经发生过好几次机毁人亡的事故,只是因为运气爆表,只有两次成为现实。所以NASA老老实实开始走淘汰流程,因为他们觉得自己赚了。

  不过航天飞机的那次事故倒是启发了SAPCEX,用不锈钢造火箭。星舰和航天飞机一样,根本没有逃生系统,如果发生问题就只能靠机身硬扛。

  因为飞机需要考虑气动的形状,会导致应力复杂、结构复杂和承载效率降低,进而导致上面级干质不高,并且养护成本也很高。

  并且在航天上,由于需要携带氧化剂导致飞行器的燃料比冲很低,而且即便是近地轨道运输都得要求很高的速度,所以对干质比较敏感。

  由上所述,现实中会导致航天飞机的回收节省的成本抵不回飞机结构复杂性所带来的干质比过低+养护成本过高带来的成本增加。

  加上空天飞机的技术推进,航天飞机被放弃是必然的,空天飞机到来之前,还是一次性宇宙飞船慢慢顶着吧

  一架航天飞机有接近270万个零件组成。而一架联盟飞船只有大约30万个零件。

  类似联盟飞船因为是一次性使用,用完就扔,所以你无需为零件的耐久度担心。而航天飞机不同,因为要重复使用,每次使用前,你得把270万个零件都检查一遍,一旦出点小问题就会酿成大祸,而且如果其中一个零件坏了,你得有后续能替换的零件,270万啊,天。

  所以,美国人后来发现航天飞机使用代价极大,而且使用次数越多,代价越大,还不如一次性飞船来的简单划算。

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  主讲都是当年直接接触土五和参加航天飞机项目的大佬,第一课和第二课就提到了航天飞机项目各种成功和失败的经验,我个人觉得还是十分客观的。

  航天飞机项目最初的目的是什么?是打造一种可重复使用的航天飞行器,以此压低单次发射成本。但讽刺的是,在项目初期验证阶段,整个项目里没有一个人考虑到了保养成本,这也是为什么造出来后各种经费超支。包括后面发生的挑战者号事故从某种角度来说也是因为经费紧张而砍掉了一些不该砍的保养而导致的。这也不能全怪NASA,毕竟当时政治环境就这样,按照大佬的自述,航天飞机研发阶段NASA就已经经历了经费跳水式的缩减,在研发进入B阶段的时候更是被国会老爷们以50比50的投票差点砍掉,还是副总统最后出来站台保住了项目。

  所以初期研发经费不足加论证出错,后期运营经费紧张,加上完完全全一个新的概念,使得美国航天飞机计划变得十分鸡肋。为什么鸡肋?一来航天飞机保养费上天,NASA每年的经费供不起航天飞机,减少发射次数吧,日常载人飞行任务还得继续,毕竟美国当时就这一种载人航天飞行器,而且发射次数少的话单次发射成本还要高。二来不能提前退役,因为你把航天飞机退了载人任务就无船可用了。新造飞船更是不可能,钱已经全给航天飞机了,实在挤不出余粮了。你看航天飞机退役后NASA都造不起新船,只能租俄罗斯的。那时间到了今天,好不容易有了点钱,可以自己搞载人飞船了,你觉得NASA还会把钱投给航天飞机,重新跳进好不容易爬出来的经费恶性循环里吗?

  正好当时能源号火箭已经在做了,附带捆架飞机的事情,而且军方给钱,何乐而不为呢?虽然大体上是照抄美国佬的设计,但因为事先充分了解了美国航天飞机计划所有潜在的问题,所以苏联的暴风雪号可以说是各方面都更加完美,发射成本更低,可靠性更高,外加自动驾驶系统可以实现从发射到返航全无人操作。这里简单介绍一下两款航天飞机的区别,美式航天飞机的布局是轨道飞行器、巨型外挂油箱和两个固推助推器组成,主发动机为三台RS20氢氧机安装在航天飞机上,这也是保养的一大重点难点。而苏联暴风雪号火箭和轨道器是互相独立的,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啊。

  但即便暴风雪号处处优于美式航天飞机,但苏联人也确确实实只打了一架,饶了地球两圈华丽地落地,然后就当技术储备放起来了。据说原来是安排了第二架上天,结果没能赶上苏联解体前,所以就没了。解体后的俄罗斯么,别说暴风雪号了,连能源号都供不起,就都封存了。

  二,为了达到节省成本的目的,复用件必须有足够大的冗余以提升寿命,降低保养费用,这就又和第一条矛盾,更大的冗余意味着更大的死重,苏联的解决方法是减少复用件,把挑大梁的都设计成一次性的,简化复用部分,提高可靠性。那问题又来了,我同样一套火箭可以打60吨,用航天飞机才打30吨,(比喻,肯定不准确)那相当于我同样干60吨的活航天飞机得至少干两次,因此必须保证单次发射成本节省超过50%这个项目才是有意义的,这还是撇开了那些只能让60吨干的任务。

  三,需求,任何一个工业产品的最终价格都和产量程负相关,需求上去了,发射频次上去了才能降低成本。包括美国NASA的大佬也说,如果航天飞机的发射频次能翻个倍的话成本不会像现在那么难看。在六七十年代,人们大大高估了未来运力的需求,都以为太空时代将至,因此错误估计了未来的运力需求。所以如果人类真的进入大宇航时代,航天飞机不是不可能再现,并展现出其高超的性价比。

  如其他答案所说,直接原因是因为不经济。但这个不经济难道美国人不知道吗?为何一直到2000之后才淘汰呢?

  相比单次使用的宇宙飞船,航天飞机是可以战时摧毁或捕获敌方卫星,随时在轨发射己方卫星,临时代替卫星功能,甚至直接进行太空打击的力量!

  当冷战结束,这些功能不再重要的时候,航天飞机自然就因为不经济而被淘汰了。

  顺便说一下,俄国大伊万核弹可以实现1.5亿吨tnt当量,全重也不过27吨。那是1961年的测试装备而已。

  按照80年代美帝的技术手段,可以大幅度减重(主要是各种外壳材料),缩小当量一千万当量一个,带上个小火箭发动机,用于再入轨道。一个航天飞机能带十个这样级别的玩具。

  7个航天飞机一起上,嗯,这是千万当量吨级的弹头,一发抹掉帝都没啥问题的东西,上去几十颗,可以抹掉几十个帝都大小的地方,先发制人,近乎于隐秘打击放到太空后再定时打击。大家都能监测到弹道导弹,这能做到,但监测突然从太空中高轨道落下来的东西?等发现到落地,根本没有反应的时间,甚至都不知道是什么,然后就Duang……这时候苏联根本不知道是谁打的都。决策层+大量反击力量都消失了。

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