远去的太空之梦:苏联“暴风雪号”航天飞机

扶摇寰宇杂谈 2025-02-15 10:52:09

在人类探索太空的漫漫征程中,苏联的 “暴风雪号” 航天飞机曾闪耀光芒,却又在历史的洪流中悄然落幕。它承载着苏联航天人的热血与期望,踏上了独一无二的太空之旅。“暴风雪号” 从设计建造到首次飞行,再到最终的命运归宿,这其中的每一段经历都充满了故事。它不仅是苏联航天技术的结晶,更见证了那个时代大国之间在太空领域的激烈角逐。

在航天探索的历史长河里,苏联的 “暴风雪号” 航天飞机有着独特的地位。“暴风雪号”是苏联 / 俄罗斯 “暴风雪” 计划的产物,也是世界上第一架航天飞机。它在 1988 年完成了一次无人太空飞行,却在 2002 年因存放机库坍塌而损毁,实在令人惋惜。“暴风雪号” 航天飞机使用的是一次性的 “能源号” 火箭,这可是一种超重型运载火箭。“暴风雪号” 这个名字,不仅代表着第一架投入使用的苏联 / 俄罗斯航天飞机轨道器,还是整个苏联 / 俄罗斯航天飞机项目及其飞行设备的统称,这些轨道器被叫做 “暴风雪级轨道器” 。

1980 年,“暴风雪号” 航天飞机的建造工作正式启动。那时,全苏联超过 1000 家企业参与到这个庞大的项目中,大家齐心协力,都盼着能打造出先进的航天飞机。到了 1984 年,第一架全尺寸的轨道器终于亮相,这可是无数人辛勤努力的成果。“暴风雪号” 航天飞机是为搭载苏联的超重型运载火箭 “能源号” 而设计的 。可惜的是,“暴风雪” 计划在 1993 年就结束了。

从 1980 年开始,“暴风雪号” 的建造工作按部就班地推进着。这一年,组件装配工作正式启动。时间来到 1983 年 8 月,机身被运送到了能源科研生产联合体(NPO Energia) 。1984 年 3 月,全面电气测试开始,这一步非常关键,关乎航天飞机各个系统能否正常运行。同年 12 月,航天飞机被送到了拜科努尔航天发射场。1986 年 4 月,最终组装工作开启。经过大家的努力,1987 年 11 月 15 日,最终组装完成。之后,从 1987 年 11 月 15 日到 1988 年 2 月 15 日,“暴风雪号” 在航天综合试验楼(MIK OK)进行测试 。1988 年 5 月 19 日 - 6 月 10 日,进行了测试性推出。终于,1988 年 11 月 15 日,“暴风雪号” 迎来了它的首次轨道飞行(1K1 任务) 。

“暴风雪号” 航天飞机的机身是它的主要结构部件,其他所有部件都安装在它上面,可以说机身就是航天飞机的 “骨架”。飞行所需的部件重量占轨道器总重量的 20% 左右,而有效载荷系统和可移除部件又占了 11% 的重量 。航天飞机的机翼上有升降舵,能够在 + 35° 到−20° 的范围内偏转 。

“暴风雪号” 轨道器的下表面覆盖着 38600 块碳 - 碳隔热瓦,这些隔热瓦可厉害啦,设计使用寿命是能承受 100 次再入大气层的高温考验。它们和美国航天飞机上的隔热瓦非常相似,表面有抗氧化的二硅化钼涂层。

隔热瓦上的黑色涂层有助于散热,而且和美国航天飞机的隔热瓦一样,“暴风雪号” 的隔热瓦也是粘贴在轨道器上的。隔热瓦朝向轨道器的一面没有涂层,这样能使材料压力与周围环境保持平衡,防止产生额外的机械负载。

隔热瓦之间故意留出了缝隙,用来适应热胀冷缩,这些缝隙里填充着石英纤维、绳索、碱性元素、插件和刷式密封件,而且隔热瓦还做了防水处理 。

“暴风雪号” 和美国航天飞机在飞行过程中面临的温度环境差不多,隔热水平也相近。不过相比美国航天飞机,“暴风雪号” 轨道器下侧的隔热瓦布局有所不同,它所有隔热瓦之间的缝隙要么与轨道器下表面气流方向平行,要么垂直。这样的布局是为了减少瓦片之间以及瓦片与大气边界层之间的热量,同时有助于保持轨道器周围的层流气流 。

“暴风雪号” 的乘员舱是一个全金属焊接的加压舱,里面布置着乘员的工作区、控制系统和生命支持系统。它一共有三层甲板。上层的驾驶舱,也叫指挥舱(KO),是机组人员工作的地方,里面配备了指挥官、飞行员、工程师和任务专家的座椅,还有轨道器机械臂系统的操作位 。

中间一层是生活舱(BO),这里是机组人员生活和休息的地方,有储物柜、厨房、睡袋和卫生间,另外还有三个装有无线电设备和热控系统的仪器舱 。在发射和再入大气层阶段,生活舱最多能容纳六名机组人员 。下层是设备舱(AO),里面安装着生命支持系统、供电系统和部分热控系统 。

“暴风雪号” 的驾驶舱布局和美国航天飞机很相似,里面有三个阴极射线管(CRT)显示屏 。

“暴风雪号” 的对接舱(Стыковочный Модуль)原本计划安装在有效载荷舱的前部。它是一个直径 2.67 米的球形舱,通过一个圆柱形通道连接到异体同构周边对接装置(APAS - 89) 。

和美国航天飞机不同,“暴风雪号” 的对接舱有一个可伸展的通道,这样能增加轨道器和空间站之间的间隙。对接舱还有一个朝向有效载荷舱的舱门,是为了方便进行舱外活动设计的 。不过在 1K1 的唯一一次太空飞行中,对接舱并没有安装。而和平号空间站的晶体舱配备了 APAS - 89 对接端口,就是为了未来 “暴风雪号” 可能的访问做准备,这个对接端口后来在 “航天飞机 - 和平号” 计划中也派上了用场 。

和美国航天飞机的遥控机械臂系统(RMS)类似,“暴风雪号” 的轨道器机械臂系统(Система Бортовых Манипуляторов)是由中央机器人与技术控制论科学研究所研发的,主要用于辅助有效载荷的操作。它既可以手动操作,也能自动运行 。根据任务需求,轨道器可以携带一到两个机械臂 。不过在 1K1 的轨道飞行任务中,轨道器机械臂系统并没有安装 。

为了拓展 “暴风雪号” 的功能,苏联设计了类似于欧洲航天局 “太空实验室” 的加压模块,这些模块是在 37K 设计的基础上改进的。它们既可以作为实验舱进行科学实验,又能用来存放物资。这些模块可以安装在有效载荷舱内,通过通道与乘员舱相连,也可以临时对接在和平号空间站晶体舱的径向对接端口上 。

在 “暴风雪号” 的首次飞行中,辅助设备单元37KB No.37070 被安装在轨道器的有效载荷舱内。由于当时常规的燃料电池供电系统还没准备好,这个设备单元携带了记录设备和蓄电池,为航天飞机上的系统供电 。第二个单元 37KB No.37071 在 1987 年建造完成。原本还计划建造第三个单元 37KB No.37072,但因为项目取消,最终没有实现 。

“暴风雪号” 的轨道机动是由联合推进系统来完成的 。最初的设计方案里,轨道器的尾翼两侧专门设置了吊舱,里面安装两台土星 AL - 31 喷气发动机,在再入大气层的最后阶段,这些发动机可以用来调整飞行路径 。在测试模型 OK - ML1、OK - MT 和空气动力模拟机 OK - GLI 上都安装了模拟吊舱,其中 OK - GLI 还使用了四台 AL - 31 发动机进行了动力大气飞行测试 。不过在 1987 年底到 1988 年初,相关人员决定不在飞行型号上使用这些发动机。所以在 “暴风雪号” 的首次轨道飞行中,并没有安装这两台发动机 。

“暴风雪号” 的自动着陆系统很厉害,它能从 100 千米高空 “允许起始条件区域” 内的任何一点开始,全自动地完成下降、进场和着陆操作,在下降过程中精准控制轨道器的飞行 。下降过程中,轨道器要在大气层中飞行 8000 千米,速度也会从 28000 千米每小时逐渐降到零 。

在 “暴风雪号” 的首次飞行中,自动着陆系统做出了一个不太常见的操作。在 20 千米高度的关键节点,按照预估只有 3% 的可能性会出现这种情况。当时由于该区域存在强阵风,地面风速达到 15 米每秒,阵风甚至达到 20 米每秒,导致轨道器的能量消耗不够,为了延长滑翔距离并消耗多余能量,自动着陆系统选择了进行额外的转向操作 。

正常的进场方式是从南面进入,需要进行两次左转才能进入最终的进场航线。但这次 “暴风雪号” 却进行了多个方向的额外转向,还飞越了着陆场到达北侧,然后再右转回到最终航线 。最终,“暴风雪号” 成功着陆。

“暴风雪级” 轨道器的干重约 62 吨,最大有效载荷为 30 吨,最大发射质量是 105 吨 。

1988 年 11 月 15 日协调世界时 03:00:02,“暴风雪级” 轨道器 1K1(1К1 代表第一架轨道器、第一次飞行 )在拜科努尔航天发射场 110/37 号发射台发射升空 。这次执行的是无人飞行任务,“暴风雪号” 由专门设计的 “能源号” 火箭送入太空 。

自动发射程序一切顺利,“能源号” 火箭先将 “暴风雪号” 送入一个临时轨道,之后轨道器按计划与火箭分离 。“暴风雪号” 自行提升到更高的轨道,绕地球飞行两圈后,联合推进系统(ODU)的发动机自动点火,开始进入大气层下降阶段,返回发射场,并在跑道上水平着陆 。

在自动导航飞向 251 号着陆点后,“暴风雪号” 于协调世界时 06:24:42 成功着陆,并在 06:25:24 停稳,此时距离发射过去了 206 分钟 。在风速达 61.2 千米每小时的侧风环境下,“暴风雪号” 的着陆点在横向偏离目标标记 3 米,纵向偏离 10 米 。“暴风雪号” 成为了第一架完成无人飞行,并且实现全自动着陆的航天飞机 。不过后来发现,在这次飞行过程中,“暴风雪号” 的 38000 块热防护瓦中有 8 块脱落了 。

1989 年的时候,按照计划 “暴风雪号” 会在 1993 年前进行第二次无人飞行,预计飞行时长为 15 - 20 天 。但谁也没想到,苏联解体了,这使得 “暴风雪号” 项目的资金来源彻底断了。1993 年,“暴风雪” 计划正式宣告取消 。

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