航天飞机为什么从历史中消失了?

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自从1957年10月4日第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号(Sputnik 1)进入环绕地球轨道，人类正式打开了航天时代的大门。当时正处东方阵营和西方阵营激烈对抗的冷战时代，新兴的航天技术被双方同时赋予极高期望。一方面，航天处在工业时代技术金字塔的最顶端，它的进步和应用能带动一系列高新产业和技术的发展；另一方面，航天领域的诸多进步，都是整个人类历史上从0到1的重大突破，自然是全球最吸引眼球的新闻，也无疑是意识形态斗争下自身优越性的最佳证明。

一、后阿波罗登月时代的转型

一个说明航天被重视的最直观数据就是，双方对航天的财政投入达到了前所未有的巅峰，例如60年代末美国政府联邦预算中给予国家航空航天局（NASA）的比例竟然占到了4.5%，这几乎是如今全美公共教育和交通开支所占的比例，也是如今NASA预算的10倍。当时，苏联和美国竞争的焦点是第一枚火箭，第一颗卫星，第一位宇航员，谁抢到了第一谁就是长期的国际新闻头版。

NASA经费占全美联邦预算总比例

自然不出意外，第一位登上月球的人类，成为焦点中的核心。当然，从历史见证者的角度往回看，我们已经知道在巨量资金和无数人力工业资源的投入下，NASA在登月竞赛中取得了绝对胜利。NASA在十年内共计进行了17次阿波罗任务，在1969年至1972年期间实现了6次载人登月，12位宇航员成为“地月生存人类俱乐部”的成员。

这个代价也是惊人的，保守估计直接换算成今天的美元也超过了2000亿美元，足够把美国海军现有各航母再重新制造一遍。苏联并没有明确的公开数据，但可以想象在太空竞赛中付出的代价也会同样巨大。这对于最高时也仅仅达到美国60% GDP总量的苏联经济而言，太空竞赛无疑是一个沉重的负担。更严重的是，苏联的载人登月从未成功，甚至最重要的登月火箭N1都经历了四次可怕的发射失败，它们在爆炸时释放的巨大能量足以进入人类非核爆破坏力排行榜。最后，信心没了，偃旗息鼓。

在太空竞赛前期各种领先的苏联当然不甘心失败，必须扳回一局以挽回航天大国颜面。苏联很快掀起了新一波的竞争：空间站建设。长期以来的载人航天实验、尤其是阿波罗登月的成功，验证了人类可长时间生存在太空中的可能性。在苏联早期设想中，通过建立长期驻人的空间站，可以实现覆盖全球的军事侦察甚至潜在的作战目的。



人类的第一个空间站：礼炮一号(Salyut 1 ©Wikipedia)

苏联在这方便再次打响了第一枪，早在美国还在进行阿波罗登月的1971年，便把极度军事秘密的礼炮一号(Salyut)送入太空，并在后续项目中尝试装载武器，给美国人造成了不小的震撼，被迫加快了空间站研究的进程。从政治方面，美国尼克松总统在1969年成为联邦第37届总统，也想从空间探索方面改变此前肯尼迪和约翰逊两位总统的登月计划，为自己树立声望。此外，美国六次登月基本确认月球是个无开发价值的贫瘠之地，无更多开发价值，航天开支却颇为惊人。因而，美国也很快停止阿波罗登月，而转向空间站载人航天技术的发展，双方开始新一轮竞争。

然而，彼时建立空间站有个很大的问题，火箭的成本太高，尤其是美国迅速上马的的天空实验室(Skylab)。由于时间紧张，它的研发时间很短，主要思路是基于现有的航天技术组装而来。一个典型特点是它基本脱胎换骨于巨大的登月火箭土星五号，自身结构就基本是火箭一级改装而来，发射也需要依赖于土星五号，而该火箭的单次发射费用达到了惊人的12亿美元(等价至今)。每次载人发射，不仅需要消耗掉一个小量级但同样昂贵的土星1B火箭，还需要消耗掉一个阿波罗登月飞船，即便是财大气粗的美国也无力以该系列火箭维持空间站的运行。因此，“走了弯路”美国天空实验室空间站计划从1973年5月14日发射，到1974年2月8日第三批宇航员返回地球，辉煌只持续了约半年时间。

在上述背景下，美国势必转型到更加可持续的载人航天发展道路上。事实上早在1969年，美国便正式立项了“可回收近地轨道飞行器”项目，其中的飞行器部分便成为了后来大名鼎鼎的航天飞机。

二、航天飞机的超前设计理念

在早期计划中，NASA提出了一种能空天一体、回收利用的轨道器：它的绝大部分部件可以回收，每年可以重复使用10次、共计10-15年使用寿命，运力覆盖绝大部分航天发射需求，可搭载6-7名宇航员进入太空生存两周左右。关键是，预计平均下来每次发射成本仅为6000万美元(等价至今)，不仅是土星五号火箭的二十分之一，还大大低于当时任何一个类型的主要火箭，例如宇宙神(Atlas)、德尔塔(Delta)和泰坦(Titan)等主力运载火箭。为了庞大的航天飞机计划，彼时NASA的五大中心同时参与，后来世界几大航天制造商也因此获得了巨大成长(洛克希德·马丁公司负责外储箱，波音公司负责轨道器，轨道科学公司负责固体助推器)，美国也有超过1000家公司和100所高校参与了研发。最终，航天飞机定型于如下结构。



飞行中的航天飞机亚特兰蒂斯号(©NASA)

其中，两个总重1142吨的固体助推器提供了航天飞机起步时的巨大推力，单个助推器达到了惊人的1250吨推力，至今依旧保持单个发动机最大推力的世界记录。巨大的外储箱为轨道器的三个液氧液氢发动机供应推进剂。由于液氢密度很低，对推进剂箱体积要求极大，这个外储箱直径8.4米，长达46.9米，相当于一栋15层的高楼，共计能装载756吨推进剂。而对应的轨道器液氧液氢发动机推力也达到了土星五号火箭同级别发动机的1.7倍。在轨道器上，还有两个轨道转移发动机系统，在轨道器离开大气层后使用，这意味着航天飞机能在太空中频繁机动进入不同轨道。配合巨大的机械臂系统，也能够进行复杂的太空维修等出舱作业活动。

通过大推力固体助推和高比冲液氧液氢主发动机的组合，航天飞机可谓将人类化学推进剂火箭利用到了极致。它们的组合也达到了3000吨的推力级别，可以推动着轨道器(约68吨)和有效载荷(约25吨)进入近地轨道。由于航天飞机轨道器的体积很大，它相比其他火箭可以实现超大尺寸卫星的发射。比如著名的哈勃望远镜13.2米长、最大4.2米直径，由航天飞机发恰到好处。



航天飞机助推器回收过程(©NASA)

在实际使用情况中，整个航天飞机系统只有外储箱无法回收，因其是在航天飞机飞出大气层后才被抛弃，几乎不存在回收可能性。而剩余两个重要部分，固体助推器和轨道器都可以回收。轨道器设计为100-150次重复使用，固体助推器为部分组件回收利用。事实上，直到2011年航天飞机最后一次任务(第135次)执行时，其使用的助推器上依然有第一次任务时(1981年)回收的零部件。不同于商业航天公司SpaceX的第一级火箭垂直回收技术，航天飞机的两个固体助推器会在发射127秒后与轨道器脱离，飞行一定时间后打开降落伞，然后落到大西洋(航天飞机都在佛罗里达的卡纳尔维拉尔角发射)。由于火箭发动机在底部较重且助推器中空密封，火箭便会漂浮在海面，等待救援船直接拖回基地修理回收。



航天飞机与载具波音747飞机(©NASA)

而轨道器则可以像飞机一样正常在机场降落，然后由一架改装过的波音747飞机“背”到维修基地。但在返回地球的过程中，由于与空气的超高速度摩擦(返回时速度超过7000m/s)，类似飞机的气动外形将会在飞机表面产生超过1500℃的高温。因此，轨道器的隔热保护成了最核心的内容之一。NASA为之设计了十几种超级隔热材料，本着效率最高/质量最低的原则，航天飞机的不同部分覆盖了不同颜色和性能的隔热材料。其中头部用了最重最好的灰黑色隔热瓦，能够耐受最高达1650℃的高温；顶部、机翼前部和腹部使用了黑色的可耐受至1260℃的隔热瓦；头部和翼中使用了灰色隔热毯(耐受至650℃)；而其他部分则使用了普通的白色隔热毯，只能耐受370℃但已经足够了。这也解释了为什么航天飞机轨道器看起来黑白相间的外貌，事实上都是隔热材料的颜色。



发现号航天飞机：不同部位飞机颜色/隔热材料不同(©NASA)

三、航天飞机的辉煌时代

提起航天飞机，就不得不提到大名鼎鼎的哈勃太空望远镜，这一个例子足以说明航天飞机的巨大价值。它是一个主镜片直径达到2.4米，拥有广域和行星照相机、高解析度摄谱仪、高速光度计、暗天体照相机和暗天体摄谱仪等核心仪器的庞然大物。它长13.2米、直径4.2米、总重11.1吨，运转在倾角为28.5度近地轨道，甚至比曾经中国天宫一号/二号实验室（8吨级）都要大上一圈。这个庞然大物，必须依赖航天飞机才能发射。事后也证明，在太空中出了问题的它，也只有航天飞机能够拯救。



发现号航天飞机利用机械臂成功释放哈勃太空望远镜（图源：NASA）

1990年4月24日，发现号航天飞机携带哈勃太空望远镜顺利升空。然而，科学家们很快发现，需要观测深空天体的哈勃竟然“近视”了，这将导致它的观测质量大大低于预期。问题出在了珀金帕尔默生产的巨大主镜片上，镜片被磨得太平，以至于镜片边缘差出了2.2微米。虽然这仅是镜片直径的百万分之一级别，但对于需要观测动辄数亿光年外天体的哈勃而言，完全无法接受。但此时怨天尤人为时已晚，望远镜已经在太空中顺利运行，无论如何都无法通过地面后处理去校正光学系统导致的根本错误。

重新发射一个昂贵的望远镜不太可能，运会地球重新维修也不现实（太阳能帆板等已经打开并固定），那么解决方案就在于如何利用航天飞机进行维修。事实上，这完美展现了航天飞机的一个重大优势。它体型巨大、配备有强大的机械臂和维修系统、变轨能力极强，甚至宇航员也携带有可自由移动的推进单元。航天飞机是唯一有能力进行大规模太空维修的航天器，甚至对于无法在太空中解决的问题，它可以将其捕获并抓取到自身机舱内，带回地球维修并择期再次发射。



1984年11月6日，宇航员加德纳从发现号航天飞机出发，利用推进单元飞向了巨大的通信卫星，随后在太空中“拍卖”（图源：NASA）

经过长期培训，1993年12月2日，7名“哈勃维修专家”乘坐奋进号航天飞机顺利出发。随后，航天飞机成功靠近并抓住了哈勃望远镜。在太空中交会对接从来不是件容易的事情，每个航天器运动速度都在7500米/秒以上，相当于高速公路上一辆小汽车运动速度（120千米/时）的200多倍，要实现“失之毫厘谬以千里”的准确对接难度可想而知。这次航天飞机维修任务从发射到返回共计持续了12天时间，期间进行了共计10人次太空行走作业，每个人行走时间也在6-8小时不等，这在此前的航天飞机任务中前所未有。

最后，这7位宇航员成功完成了既定目标，对哈勃太空望远镜进行了一次大改造更新，让它实现“重生”。为克服空气阻力导致的轨道下降，航天飞机返回前又利用自己强大的推进能力把望远镜轨道推高了一些。第一次维修的巨大成功极大鼓舞了NASA和天文学家们。科学应用的需求是永无止境的，既然有了在轨维修和提升的可能性，科学家们也在寻找着更多机会对哈勃太空望远镜进行下一次升级。与此同时，NASA也看到了哈勃太空望远镜产生的巨大科研产出和远超预期的公众影响力，尽一切可能帮助科学家们维护哈勃。在随后数年内，又有四次航天飞机任务抵达哈勃太空望远镜，其中的大部分仪器都彻底更新替换，航天飞机已经把哈勃转变成“亲妈都不认识”的地步了。



为哈勃太空望远镜，NASA总共进行了六次航天飞机任务。可以明显看出在第四次维修（总第五次）任务更换太阳能帆板后，轨道下降速度减慢很多

哈勃太空望远镜的例子只是缩影。在135次任务中，航天飞机展现了它多功能的一面。既能释放大型航天器，又能进行在轨维修，还能装回舱内带回地球；既能释放人造地球卫星，又能释放巨大的木星探测器；既能进行绝密的军用任务，又能进行吸睛的科普教育。在国际空间站建设阶段，航天飞机也是必不可少的工具，因为只有它能运输并在太空组装巨大且没有机动能力的桁架结构。在航天飞机退役后，人类已经没有办法建设国际空间站这种大型桁架模块化的空间站了。最后，航天飞机在轨时，自身也是能搭载6-7位宇航员的空间站，对于各种科学研究、尤其是针对人类的太空医学研究，具有巨大的价值。

不包括实验用样机，实际应用的航天飞机总共造出了五架：哥伦比亚号(Columbia，1981-2003)，挑战者号(Challenger，1983-1986)，发现号(Discovery，1984-2011)，亚特兰蒂斯号(Atlantis，1985-2011)和奋进号(Endeavour，1992-2011)。它们完成了135次载人航天任务，从和平号空间站时代跨越到国际空间站时代，人类航天史上了不起的成就。

四、航天飞机的遗憾谢幕

然而，前后四十年历史的航天飞机还是遗憾谢幕了，最核心的原因还是自身，因为它的重复使用价格远远高于预期。例如，它的轨道器（形似飞机的主体部分）由超过250万个零件、370公里长电缆和27000多块隔热瓦构成，是世界上最复杂的单个运载器。尤其是隔热瓦必须由纯人工替换，两个轨道转移发动机的维修难度超出计划，主发动机也需要大修。这使得航天飞机单次发射成本达到了至少4.5亿美元之巨，全项目平均下来每次发射价格达到了惊人的15亿美元，与昂贵的土星五号火箭竟然同一级别，远远超过预期的6000万美元。



实际的航天飞机维修远比预计的(左图)复杂(©NASA)

两次恐怖的灾难更是直接葬送了航天飞机。1986年1月28日，挑战者号因为发射时固体助推器O型环失效爆炸；2003年2月1日，哥伦比亚号在发射时被外储箱绝热材料击破的机翼没能幸存过返回大气的过程，最终解体。这两次事故也并列为人类历史上最多牺牲的航天事故(各有7名宇航员牺牲)，影响极为恶劣。且每次事故造成了航天飞机发射计划的数年中止，造成的整个项目成本开支飙升。



因挑战者号(左)和哥伦比亚号(右)解体灾难而牺牲的宇航员们(©NASA)

而于此同时，美国一向奉行不能一家独大的原则，在航天飞机项目火热进行的同时另外几个系列火箭也在同步进行，NASA也保证了它们的发射频率。航天飞机有效载荷为25吨，其他火箭也能达到这个级别运力，构成了航天飞机发射任务的分流，使得航天飞机使用频率大大降低，单次成本便大大上升。苏联解体后，美国对军用载荷和大尺寸航天器的需求也大幅降低，这个航天飞机应用的主场地在快速流失。尤其是随着人类太空探索进入商业航天时代，SpaceX等一系列优秀公司崛起，他们以更高的效率和更好的性价比提出了各种近地空间开发运载解决方案，都在迅速推动着航天飞机退出历史舞台。

2011年7月21日，随着亚特兰蒂斯号执行完航天飞机的第135次任务顺利降落，持续达40年之久的航天飞机项目正式宣告落幕。

然而，比起美国的航天飞机计划，更为遗憾的是苏联的航天飞机计划。登月竞赛的落败让苏联心有不甘，而后来美国更是在可重复利用运载器(航天飞机)研究方便取得领先优势，导致苏联决策当局在经济已经困难的情况下也立即上马了本国的航天飞机计划，大名鼎鼎的暴风雪号(Buran)也成为了这个项目最终的遗腹子。



美国航天飞机(左)与苏联航天飞机(右)对比(©NASA)

二者外观类似，但实际原理却有很大不同。美国的航天飞机主要动力由轨道器的三个液氧液氢发动机提供，两个可回收的助推器提供前期突破稠密大气的巨大推力。而苏联的航天飞机则完全依托于为此项目新设计的能源火箭，相当于火箭把航天飞机送入太空(火箭无法回收)，而航天飞机本身只有较小的推力，只能用作轨道机动。在返回地球后，采取类似美国航天飞机的方式，由大型运输机将轨道器运送到指定维修地点。在这种设计理念的影响下，由于主发动机不在轨道器上，苏联航天飞机的复杂程度较低、可靠性增加、运力更强、能够实现无人自动驾驶，在应用潜力上丝毫不亚于美国航天飞机。为了在这次竞争中取得优势，苏联可谓下了血本。



安-225飞机专用苏联航天飞机(左)和巨大的能源火箭(右)(©Wikipedia)

苏联著名的安东诺夫飞机设计局为之设计了迄今为止世界上载重量最大的运输机，安-225，起飞重量达到了惊人的600吨。而搭载航天飞机的能源号(Energia)也是苏联有史以来最大的火箭，总重达到了2400吨，仅次于美国的土星五号，甚至在推力上超过了土星五号，目前依旧保持世界最高火箭推力的记录。

非常遗憾，在1988年11月15日经过了唯一一次测试后，苏联的政治、经济、国际形势环境发生巨变，一个巨人轰然坍塌。彼时前途满满的航天飞机项目也被迫即刻下马，安-225飞机仅仅造出了一架，能源号火箭也仅仅飞行过两次，真正测试过的航天飞机也仅有暴风雪号一架(有数架原型机)，它们全部被雪藏起来。后人习惯了用苏联唯一一架航天飞机暴风雪号来命名整个航天计划，是个不大不小的遗憾。

而更可惜的是，苏联解体后的2002年，存放暴风雪号的机库被大雪压垮，暴风雪号被砸毁，暴风雪号被暴风雪摧毁了。仅存的安225运输机，也在2022年初的俄罗斯与乌克兰冲突中，中了火炮彻底被毁了。人类的航天飞机时代，就这样结束了。

五、后航天飞机时代

航天飞机消失了，但它背后的各种核心技术却依然存在。由于后发技术的进步，航天飞机相关的技术发展正以脱胎换骨的面貌重新出现在人类航天历史中。

一个典型的例子是新一代太空发射系统（SLS），它的目标是复现土星五号的能力，已实现NASA重返月球的目标。它预计采取模块化方式设计多个适配型号，既能用于载人航天、又有纯货运版本，近地轨道运力从95吨到130吨不等，最大能力可发射超过45吨载荷进入地月转移轨道，和曾经的土星五号登月火箭是同一级别。不过乍一看，SLS几乎就是航天飞机的“火箭版本”。



SLS和航天飞机有着明显的代际传承（图源：NASA）

它的主要技术承包方还是原来的航天飞机队伍。从最核心的组成部分来看，主要推力来自两个固体助推器，它们就是原来航天飞机助推器的升级版。单台推力达1600吨，自重仅725吨，126秒就全部工作完毕。也就是说这一个助推器就可以把我国最重的长征五号火箭（起飞重量最大约870吨）推起来，真正的暴力怪兽。它的芯一级也主要是结合了航天飞机的核心发动机RS-25D和一样就能看出传承历史的“大橙罐”液氧液氢推进剂贮箱。配合不同版本的上面级和逃逸塔等，火箭也因而形成了不同的版本，适用于不同发射任务类型。预计2022年8月底，SLS将迎来首次发射。

航天飞机本身的设计理念也在小型化和更加实用化。例如，航天飞机的主承包方之一波音从1999年起一直在为美国军方研发空天往返多用途复用飞行器X-37B，它的轨道测试飞行器OTV（Orbital Test Vehicle）也经常被叫做“无人空天战机”，单次太空飞行可长达两年之久。它个头虽小，却拥有复杂的变轨能力，配合多功能机械臂能进行多种在轨服务作业，最终能独立返回地球。

从表面来看，X37-B基本是缩小版本的航天飞机（图源：NASA）

航天飞机的技术遗存也在往商业航天领域扩散。SpaceX赖以成名的一级火箭回收设计理念，很大程度就源于航天飞机时代对回收复用能力的极致追求。在最新的产品设计中，SpaceX的星舰需要实现独立返回大气过程，它也因而需要在航天飞机隔热瓦基础上进一步研发隔热材料。而更直接的例子则是商业航天公司内华达山脉集团的追梦人（Dream Chaser），它已经获得了NASA的空间站货运合同且进行了多次飞行测试。如果一眼看去，甚至会直接认为这就是一架微缩版航天飞机。实际上，它的设计理念，也的确大量参考了航天飞机曾经的技术。这种技术传承案例，在很多如今的NASA相关供应商中，都能找到缩影。

追梦人小型航天飞机（图源：Ken Ulbrich）

从软实力方面，航天飞机的影响力甚至远未消失。航天飞机项目先后持续近40年，NASA里五大中心（约翰逊、马歇尔、戈达德、肯尼迪和斯坦尼斯）全程主要负责，带来了大量经费和科研产出，也奠定了这五个中心的强大实力基础。航天飞机的制造商，洛克希德·马丁，波音，轨道科学（现已并入诺斯罗普·格鲁曼公司）也奠定了世界前三大防务/航空/航天公司的业界地位，它们曾经在航天飞机项目上赚的盆满钵满，期间大量并购整合其他防务公司成为巨无霸。

航天飞机项目期间正是半导体、集成电路、计算机、微电子等关键行业的起步阶段。由于航天飞机的设计理念和减重增效要求，航天飞机大量采用了这些崭新的技术，尤其是为了特殊应用要求这些行业公司定制所需的产品，为这些行业提供了巨大的订单，也直接促进了后来它们在业内的全球领先地位。而航天飞机的直接研发过程和与它在轨实验带来的科学研究内容，也为美国的科研院所提供了大量课题，在此过程培养的人才和积累的技术，对于任何一个国家而言，都是足以改变国运的宝贵财富。

总而言之，航天飞机的出现，拥有特定的时代背景。它的研发过程，实现了航天史上很多经典的创新理念。在任务周期内，航天飞机也的确符合预期，执行过一系列复杂且独一无二的任务，造就了很多航天史上的辉煌。然而，它的设计也许太过超前于时代，导致成本过高，最终没有竞争过同时代的火箭，两次惨痛的事故更是让它直接陷入绝境。随着人类航天进入新阶段，航天飞机和它相关的技术，正在逐步“解体”并融入新的技术中。这些新的技术，有的不仅在改变航天史，也在逐渐改变人类的生活方式，历久弥新。