美国航天飞机第119次飞行

美国航天飞机第119次飞行 口口奋进号航天飞机于美国东部时间 2007年8月8日18:36(北京时间8月9 日06:36)升空,执行STS一118任务, 并于8月21日12:32安全返回.这是奋 进号的第20次太空飞行,美国航天飞机 第22次飞往"国际空间站". 奋进号此次升空创造了多个第1次: 第1次成功把教师航天员送入太空;第1 次使用"空间站一航天飞机电力转移系统" (SSPTS);第1次全面使用航天飞机主发 动机监控系统——"高级热操控系统" (AHMS);第1次使用无线扫描检测仪; 第1次在返回降落时使用GPS导航;第1 次由航天飞机航天员和"国际空间站"航 天员联合进行太空行走. 1约200项改进 奋进号航天飞机是在时隔近5年后再 上太空的.在这段时间里,技术人员对它 进行了约200项的更新和改造,更换了全 部防热瓦,检查过的线路总长有241km, 新增了一系列平面彩色多功能电子显示 器.最引人注目的改进是奋进号安装了 "空间站一航天飞机电力转移系统",这是 首次将这一系统安装在航天飞机上.该系 统能将空间站的120V电压转换成适合航 天飞机使用的28V电压,这样航天飞机 不仅可依靠自身燃料电池产生电能,还能 从空间站上获取电力,从而在空间站上停 留更长的时间.在该系统激活后,奋进号 原定11天的任务时间可以再追加3天, 安排第4次太空行走.当"国际空间站" 安装完全部的太阳电池翼后,航天飞机的 在轨时间还能,增加6天. 奋进号携带了一套首次全面激活的 "高级热操控系统"和一套GPS接收系 统."高级热操控系统"用来监视发射期 间航天飞机主发动机的高压燃料涡轮泵 和氧化剂涡轮泵的运转情况,监控涡轮 泵的轻微振动.这2种涡轮泵的转速分 别为3.4×104r/min和2.3×10r/min, 能为3台主发动机提供从地面发射到太 空的8.5min所需的推进剂.如果涡轮泵 振动过于强烈,"高级热操控系统"就能 将其关闭,以避免灾难发生.GPS接收 系统用于着陆期间的精确导航,它曾在 2006年的航天飞机飞行中进行了部分检 测,用于替代奋进号上使用的20世纪 50年代研制的"塔康"(Tacan)系统, 使航天飞机更安全,准确地往返于地球 与太空之间. 奋进号还首次使用了新研制的无线扫 描检测仪来替代手工方式检测防热瓦.每 台无线扫描检测仪的质量约为1.3kg,形 似小茶壶.技术人员利用它检查了奋进号 的24000片防热瓦中的一部分,查找裂纹 及其他缺陷.过去,肯尼迪航天中心的工 人们用肉眼检查防热瓦,并用小型手持工 《国际太空》2007年11一月号l7 具测量裂皱由于无线扫描检测仪仅需航天局.他曾在STS--106任务中担任过 3s时间就能把测得的裂纹的深度,大小任务专家,在太空中飞行283h.这次他 及位置等信息以无线方式传输到计算机数的主要任务是出舱为空间站安装新部件. 据库中,因此更快捷一0一任务专家灌芭啦摩根(Barbara 0?Morgan)粒怕鹤宰一胄}_9"目被美国航 2人员与任务空航天局选中,成为"教师在太空"计划 2.1机组人员的候选人.1985年9月一1986年1月, 执行此次飞行任务的航天员有7名,摩根和克丽斯塔?麦考利夫及挑战者号机 5男,2女.组航天员在约翰逊航天中心接受训练.自 指令长斯科特?凯利(ScottKelly)1986年1月28目的挑战者号灾难之后, 在1996年4月被选入美国航空航天局,摩根接替了麦考利夫的工作,主要负责 1999年在STS一103任务中担任驾驶员,"教师在太空''计划的各项工作.1986年 在太空中飞行191h.此后,他被任命为3—7月,摩根在美国航空航天局工作, 驻俄罗斯星城基地美国航空航天局操作主向全国各地的教育组织宣传航天知识,在 管.此次是他执行的第2次太空飞行任全国教育机构进行演说.1986年年底, 务,负责驾驶奋进号与空间站对接.对接她返回爱达荷州继续从事教师工作.1998 前,航天飞机要进行"后空翻"动作,目年1月她又以任务专家的身份重返美国航 的是让空间站上的航天员拍摄航天飞机的空航天局.此次上天是她第1次进入太 防热瓦.另外,凯利还负责监视所有机组空,在机舱内的座位也与当年麦考利夫的 成员和检查航天飞机的运行情况,并驾驶相同.她主要负责检查工作,在同伴进行 航天飞机返回地球.太空行走时操纵机械臂,与同伴一起搬运 驾驶员查尔斯?霍鲍(CharlieHohaugh)食品和试验设备.另外,摩根还要和地球 在1996年4月被选入美国航空航天局.上的学生进行2,3次视频互动的教学. 他曾参加STS一104任务并担任驾驶员,摩根带去了数百万粒的罗勒种子和1个植 驾驶航天飞机飞行306h3mino霍鲍在此物生长器皿,希望以此鼓励学生思考未来 次任务中负责驾驶奋进号脱离"国际空间航天员怎样才能在月球和火星上种植植 站",并操作空间站上的机械臂.物. 任务专家特蕾西?考德威尔(Tracy任务专家阿尔韦?德鲁(Alvin E.Caldwel1)在1998年6月被选入美国Drew)在2000年7月被选入美国航空航 航空航天局.这是她第1次参加太空飞天局.此次是他第1次进入太空,其任务 行,负责拍摄奋进号升空时机体外贮箱的是协助运输货物和其他援助工作,其中包 情况.在奋进号入轨后,考德威尔操作机括利用照片和录像记录操作过程. 械臂检查防热瓦,并在太空行走期间担任任务专家大卫?威廉斯(DaveWil- 奋进号舱内指挥官.liams)在1992年6月从533O位航天员 任务专家里克?马斯特拉基奥(Rick申请者中被选中,成为加拿大航天局4位 Mastracchio)在1990年被选入美国航空候选航天员之一,并开始接受航天员训 18《国际太空》2007年11月号 练.他于1995年加入美国航空航天局. 1998年4月,威廉斯参加了STS一90任 务,在美国哥伦比亚号上担任第3任务专 家,完成了各项太空任务及26项独立的 生命科学实验.在此次飞行中,他担任机 组医疗专家,完成几次太空行走,在航天 飞机发射阶段担任飞行工程师. 2.2飞行任务 这次太空之旅主要完成以下几项任 务:运送右舷5(S5)新桁架,单货舱型 空间居室(SPACEHAB)和外部存储平 台一3(ESP一3)至空间站并安装;为空 间站运送2270kg补给物资;为空间站美 国舱段更换1台控制力矩陀螺仪;实现摩 根22年的太空教学夙愿;进行肺炎链球 菌基因实验,以探测太空环境对普通微生 物的影响;携带24只小老鼠研究治疗肌 肉萎缩症药物的有效性;加拿大航天局开 展手眼协调的研究,以及针对航天飞机航 天员睡眠周期和免疫性的研究;研究失重 状态对伤口恢复的影响;航天员进行4次 太空行走. 奋进号此次携带的右舷5桁架名为 "斯塔比"(Stubby),造价1100万美元, 质量为1818kg,长约3.3m,宽约4.5m, 被安装在"国际空间站"右舷最边缘的位 置.质量为3175kg的外部存储平台一3 安装在"国际空间站"的左侧桁架上.质 量为4994kg的单货舱型空间居室内装载 了新设备和补给物资,它通过一个加压通 道与航天飞机连在一起.此次任务可能是 单货舱型空间居室的最后一次飞行. 3对接与"体检" 8月9日,奋进号航天员在太空中度 过了忙碌的第1天,主要任务是检查航天 飞机防热瓦是否受损.9日早些时候,奋 进号上的警报突然响起,显示氧气箱出现 了问题,航天员用手上下旋转罐上的加热 器控制压力. 奋进号于美国东部时间8月10日 "国际空间站"顺利对接.在 14:02与 对接前大约1h,空间站航天员对航天飞 机腹部和机翼等位置进行拍摄,以确定它 是否在起飞时受损.对接后,奋进号航天 员进行了漏气及压力检查等一系列操作. 大约1.5h之后,航天飞机和空间站之间 的对接舱门打开,2组航天员见面. 航天飞机与空间站对接后不久,"空 间站一航天飞机电力转移系统"就被激活 了.8月12日美国航空航天局宣布,该 系统测试成功,奋进号在太空停留的时间 延长3天.这样,航天飞机与空间站的对 接时间也将达到创纪录的10天,航天员 能进行第4次太空行走. 不过,据空间站航天员拍摄的航天飞 机图像显示,奋进号下腹部有一个大约 19cm的破损凿槽,它距右舷主起落架舱 门不远,使航天飞机腹部的黑色外壳上露 出一点白色.经专家初步估计,凿槽属于 较轻微破损.录像明,奋进号在发射 lmin后受损,当时一块碎片从外贮箱的 支架上脱落,它先是碰到外贮箱下方的压 杆上,接着弹起撞到航天飞机腹部.支架 是用于支撑外贮箱上的输油管的,在以往 的航天飞机发射中,它上面也经常会掉泡 沫材料,但问题都不大. 8月12日,航天员摩根和考德威尔 又花了3h操纵机械臂一吊杆对航天飞机腹 部防热瓦的"受伤"部位进行了重点检 查.当天,美国航空航天局工程师就对奋 进号防热瓦上的破损情况进行了分析,即 《国际太空》2007年11月号19 分析奋进号防热瓦损伤的三维图像和测量 数据以确定是否需要在轨修复.结果发 现,腹部防热瓦的受损范围长约9cm,宽 约5cm,贯穿2块并排的防热瓦,并伤及 第3块防热瓦的一角.约2.5cm厚的防 热瓦被穿透,夹在防热瓦与航天飞机铝制 结构之间的填充材料暴露出来,导致这个 部位的铝制结构上只剩下一层薄薄的纤维 毡.纤维毡是航天飞机铝制外壳抵御炽热 高温的最后一道屏障,也能在航天飞机返 回地球大气层时提供额外的防热保护. 后来,工程师用防热瓦复制了一个受 损分析模型,以模拟航天飞机返回地球时 遭遇的极端温度和摩擦,从而了解航天飞 机因此可能受到的影响.在奋进号与空间 站脱离之前,工程师们能获得确定是否对 受损防热瓦进行修复的足够数据.如果需 要修复,那么有3套备选,即涂上黑 色涂料,安装保护板及喷涂粘性材料,其 中在防热瓦上涂黑色涂料有助于散热,在 以前的太空飞行任务中已经验证了其可靠 性,另外2套方案在地球上的真空室里进 行了试验,但是还没在太空中尝试过.而 且,美国航空航天局从没尝试过对在轨飞 行的航天飞机进行此类修复工作,航天员 需要站在奋进号机械臂一吊杆的顶端对航 天飞机的下面进行维修.即使防热瓦暴露 区域和凿槽本身都很小,美国航空航天局 也不希望凿槽下面的铝制材料经受350.C 以上的高温考验.截至8月14日,电脑 模拟试验表明,受损区域铝制材料最多只 会暴露在325.C的高温冲,即便遇到最糟 糕的情况,炽热气体也不会通过凿槽进入 奋进号的机体. 美国航空航天局负责人表示,在航天 ,几乎每次太空飞 飞机投入使用26年后 行都要发生机腹防热瓦小面积破损的情 况.除了哥伦比t亚号外,其他的"受伤" 航天飞机都平安返航.其中有_次,返航 的航天飞机上曾出现过300多处类似的 "小伤",但并没有对飞行安全构成严重威 胁.不过这次的"伤口"很深,因此美国 航空航天局迟迟难以决定是否要通过太空 行走对其进行在轨修复.这将涉及多项从 未使用过的技术,使航天飞机遭受进一步 损坏的风险增大.即便修复工作本身相对 简单,航天员也需要穿上136kg的航天 服,携带68kg的工具,工作起来极不方 便,如果出现疏忽,工具碰到航天飞机机 身,就会造成更大的损坏.另外,将粘性 材料粘在受损处可能会增加安全返航的不 确定性,需要花时间对其危险性进行分 析.美国航空航天局计划在未来航天飞机 飞行中测试这种粘性材料,以便航天员多 一 种选择. 8月16日白l天,奋进号机组人员演 练了多种从未尝试过的修复方案,以便在 必须出舱修复航天飞机腹部时使用.经过 测试和分析,美国航空航天局终于在8月 16日晚下发了"裁决书",决定不进行在 轨修复.美国航空航天局并非担心奋进号 航天飞机会重演哥伦比亚号的悲剧,而是 担心奋进号进入地球大气层时遭受数千度 高温考验之后,过多'的炽热气体可能从凿 槽进入,致使航天飞机底层铝制结构遭到 损坏,返回地面后需要数周才能修复,这 无疑会推迟未来航天飞机的发射任务,打 乱"国际空间站"的建造进程. 4太空行走与讲课,蠢j 4.1第1次太空行走 8月11旧12:3O,马斯特拉基奥和 20《国际太空》2007年11月号 威廉斯出舱进行首次太空行走,为空间站 安装了质量为2t,长达3.3m的铝制桁 架.霍鲍负责用机械臂将桁架吊起,然后 缓慢下放至预定位置,随后舱外航天员将 桁架和空间站主体结构连接,固定在空间 站太阳电池翼的支撑梁柱上.首位教师航 天员摩根也在站内参与了机械臂操作.之 后,马斯特拉基奥和威廉斯又回收了一个 散热器.整个太空行走共持续6hl7min. 在此期间,与奋进号对接的空间站主控电 脑神秘关机,不过备用电脑系统及时开机 工作,因此没有对航天员的工作造成任何 不良影响. 4.2第2次太空行走 8月13日15:31,马斯特拉基奥和 威廉斯出舱进行第2次太空行走.他们先 卸下了从2006年1O月开始不再运转的1 台力矩陀螺仪(质量约280kg),暂放在 空间站外的临时贮存平台上,并安装了新 陀螺仪;然后,威廉斯在站内航天员操纵 机械臂的帮助下,到奋进号货舱中将新陀 螺仪取出并安装到位;最后,2人把换下 来的陀螺仪搬运到指定位置,留待下一次 航天飞机上天时运回地球.此次太空行走 进行了6h28min.在此期间,摩根负责在 航天飞机和空间站结合处的内部协助监控 这次太空行走. 4.3第3次太空行走 8月15日,奋进号航天员马斯特拉 基奥和空间站航天员安德森进行了第3次 太空行走.期间,马斯特拉基奥的航天服 头盔摄像头在扫描检查中发现,他的2只 手套均有破损,其中左手大拇指处的手套 外层有一处明显破口.地面任务控制中心 强调,马斯特拉基奥没有任何危险,破口 只在手套外层,其他地方完好无损.但为 保险起见,地面控制人员命令马斯特拉基 奥紧急返回空间站内,安德森则继续进行 P6桁架发射/应答机的回收工作,完成任 务后也提前返回空间站内.最终,原定约 6.5h的太空行走只持续了5h28min. 不过,这2名航天员已经完成了此次 太空行走的主要任务.他们首先将空间站 左侧P6桁架组件的一根天线挪动位置, 重新部署到P1桁架上,然后将站外的2 辆移动运输推车挪开,为今后挪动P6桁 架组件及太阳电池翼做准备.另外,马斯 特拉基奥和安德森还为空间站通信系统进 行了升级,安装了1台新的发射/应答机 和S频段升级通信系统的信号处理器.但 这次太空行走没有完成回_收2组材料空间 站实验装置,该装置是在2006年8月部 署在空间站上的,现要送回地球进行分 析. 4.4第4次太空行走 在第4次太空行走中,安德森和威廉 斯要继续为重新部署P6桁架做准备,以 及借助2个航天装备轨道车部署P6桁架 太阳电池翼.这些工作将为STS一120任 务做准备,最终P6桁架将从空间站顶部 移至P5桁架的末端. 由于加勒比海上空飓风"迪安"的逐 渐加强,而且飓风前进路线可能威胁到奋进 号返航,因此安德森和威廉斯的第4次太空 行走提前了44min,于8月18日09:17开 始.他们先后在空间站外部的右舷桁架顶 端安装了将来用于安装检测机械手一吊杆 的储物平台,回收了准备带回地面的2组材料空间站实验装置,拧紧了天线底座上 松弛的螺钉以确保天线向外展开,最后还 安装了1副无线传感系统天线.鉴于第3 次太空行走时航天员因手套破损而被迫提 国际太空》2007年11月号21 前收工;安德森和威廉斯在作业时格外小 心.在返回空间站前,他们还仔细地清理 了"施工现场".为了让航天飞机提前返 航,此次太空行走取消了部分任务,缩短 了lh28min,只进行了5h2min.在太空 行走完成之后,加拿大航天员安德森的太 空行走总时间已经达到了18hllmin,他 也成为了加拿大第1位完成3次太空行走 的航天员. 由于飓风"迪安"可能导致负责飞行 控制的约翰逊航天中心紧急关闭,而用于 接替控制任务的佛罗里达州肯尼迪航天中 心主要是为发射而不是为着陆设计的,因 此在8月18日完成第4次太空行走后, 美国航空航天局决定把奋进号的返航时间 提前1天,并宣布进入航天控制任务紧急 状态.另外,该局还在卡纳维拉尔角筹建 了飞行控制小组,以应对21日奋进号不 能正常着陆和约翰逊航天中心遭受飓风的 多种可能情况.在26年的航天飞机飞行 中,美国航空航天局还未曾宣布过进入航 天控制任务紧急状态. 4.5太空上课 8月14日,摩根在太空中完成了第1 堂教学课.课堂设在爱达荷州,首府博伊西 的学生活动馆"发现中心",18名从全州 范围内挑选的4,8学生踊跃提问. 当被问及作为老师与航天员有何不同时, 摩根回答说:"老师和航天员其实是在从 事同样的工作.我们探索,发现并与他人 分享这一切.老师的伟大之处在于,你是 与学生共同完成这一切;而航天员的伟大 之处在于,你是在太空从事这些工作.'' 8月16日上午,摩根及德鲁在空间 站上了第2堂课,给美国弗吉尼亚州的 "挑战者太空科学教育中心"的学生讲述 奇妙的太空生活这个_中心是由1986年 失事的挑战者号机组人员的家属建立的. 本次授课选择该中心的学生听课寄托了人 们对当年遇难航天员的怀念,连线的主持 人则由挑战者号指令长的遗孀琼?斯科 比?罗杰斯担任.当天,摩根还通过业余 无线电信号与她曾经工作过的爱达荷州麦 考尔小学的学生进行了通话. 摩根携带了一些罗勒种子进入太空, 然后把这些种子一分为二,其中一部分由 留在空间站上的安德森在温室中种植,另 一 部分返航后分发给不同年龄段的孩子在 地面种植,激发他们探索太空的兴趣. ; 5返回与评价 8月I9日07:56,奋进号与空间站 脱离,开始返航之旅.为了确保返航安 全,航天员在8月19目奋进号离开空间 站之前最后1次特别检查了机身容易受损 的部位一机翼和前端,确定机身上没有 微小陨石或太空垃圾造成的洞.由于需要 提前返航,奋进号没有接受空间站航天员 的拍照检查,而摩根也取消了计划中的第 3次太空授课. 8月20日,奋进号航天员对航天 飞机的着陆装置和发动机进行了检测. 20日11:46,奋进号航天员对加拿大 萨斯喀彻温省的学生提出的问题进行了 解答.,对奋进号2星期以来在太空的表 现,美国航空航天局在8月20日给予 了积极评价. 奋进号上的7名航天员于8月21日 O4:36被唤醒,并用约4h完成了返回地 球大气层前的最后准备.11:07,地面控 制中心向奋进号发出指令:"18min后点 火脱离轨道."11:25,指令长凯利和驾 22国际太空》2007年11月号 驶员霍鲍点燃奋进号轨道控制系统引擎, 为航天飞机减速.3.5min后,引擎熄火, 航天飞机脱离距地约344km的轨道,开 始1h的返航之旅.12:01,奋进号开始进 入大气层,速度约为25500km/h.12:32, 奋进号在肯尼迪航天中心15号跑道安全 着陆. 在奋进号安全返回地球之前,美国航 空航天局就已经开始研究如果未来的3次 发射任务出现相同的损坏将会导致怎样的 风险.奋进号这次受损与2003年哥伦比 亚号受损惊人的相似,只不过造成奋进号 受损的碎片是从外贮箱的另一个地方脱落 下来的,而其腹部的破损并没将航天员推 入危险的境地. 在8月21日检查了奋进号的受损状 况后美国航空航天局表示,暴露在外的纤 维毡没有明显的烧焦痕迹.美国航空航天 局已开始分析各种临时支架的解决方案. 在这些临时方案中,目前最看好的有两 个,一是将支架上的泡沫刮去一部分,二 是在泡沫上覆盖一层油,减少冰块的大量 凝集.其实,采用钛金属制造的支架可能 是一种永久性解决方案,因为前者比铝质 支架需要更少的保温泡沫材料.在2006 年夏季第1次出现类似问题时,美国航空 航天局就开始安排实施这种解决方案,但 是要到2008年春天才能完成更换支架的 全部任务. 自从哥伦比亚号失事之后,航天飞机 发射时出现支架问题受到了更多的重视. 据工程师推断,这可能是由于提前1h加 注燃料造成的.这样做可以让工作人员有 更多的时间检查结冰情况,但外贮箱内超 冷的燃料在长时间里可能会导致更多的冰 形成,从而导致临近的保温泡沫材料脱 落.据地面分析,此次从奋进号支架上脱 落的碎片飞行了近7.5m后落在外贮箱下 端的支柱上,然后才撞到奋进号的腹部. 碎片面积为10cm.,质量不到lOg,但撞 击外贮箱支柱和轨道器腹部的速度都很 大,分别达到了320km/h和240km/h. 碎片在撞击外贮箱支架时没有破碎,却从 外贮箱又撞到轨道器的腹部.尽管美国航 空航天局在风险评估中分析了支架碎片因 素,但是却没有考虑到这种反弹的可能 性,因此又对这个风险重新进行评估.据 称,该碎片很有可能是冰块附着在飞落的 泡沫上形成的. 事实上,外贮箱上覆盖的泡沫质量 达到了1800kg,每个支架上覆盖的泡 沫有几十克.专家认为,由于采用这种 结构,碎片在发射时脱落不可能完全避 免.因此,碎片形成后采取何种措施, 需要严谨对待.这次奋进号的凿槽虽然 很深,但很小,且出现在航天飞机腹 部,这样灼热的大气不能穿透凿槽,因 而没有引起严重事故.而哥伦比亚号出 现的凿槽相比之下较大,位置在航天飞 机左翼,最容易接触到高温大气,因此 后果格外严重. 航天专家对待哥伦比亚号和奋进号的 态度可谓天壤之别.当哥伦比亚号发现碎 片后,他们没有认真地进行分析,讨论, 甚至没有公之于众.虽然奋进号的损伤比 哥伦比亚号小,但是众多工程师聚集在一 起,分析了大量资料,以确定是在轨修复 还是带伤返回.最后,奋进号带伤安全返 回.或许,采取谨慎小心的态度比技术更 重要.? (李宝明宗河供稿) 收稿曰期:2007—09—03 《国际太空》2007年11月号23