史上最疯狂的机器：航天飞机是怎么造出来还能活着回来的？（完整文稿）

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引言

一九九二年春夜，首飞的奋进号矗立在卡纳维拉尔角发射台上。机组已就位，准备执行大胆任务。轨道交会，一次救援任务。布鲁斯·梅尔尼克当天在船上。

航天飞机发射流程

难点在于，这颗卫星入轨后，设计上就不该再有人碰它。它本该在两万两千英里高的同步轨道。但它搭乘的无人火箭二级没点火，卫星卡在八百英里高的无用轨道上。梅尔尼克和队友要经历毕生最刺激的营救：徒手抓卫星，装新二级。但在此之前，他们脚下将上演一连串复杂事件。三台液体发动机即将咆哮点火，巨力会把整个结构推离轴线。只靠八颗爆炸螺栓拉住，涡轮泵把燃料从外挂贮箱抽上来。两台巨型固体助推器仍在沉睡。

它们是史上最大的固体火箭。一旦收到主机就绪的信号——内部就会被点燃，整根固体燃料柱猛烈燃烧。把这架革命性的可复用空天飞机送上轨道。这就是航天飞机的疯狂工程学。

距发射只剩几分钟。氦气和氮气已吹扫主机，气动舵面和主机摆动都测试完毕。航天飞机已加满燃料，靠自身供电，与发射台分离。还剩十秒。

主发动机点火

发动机下方点起烟花式点火器，烧掉泄漏氢气，同时准备打开主燃料阀。液氢被贮箱压力推进管路，涌向发动机，在喷管里膨胀成气体。氢气驱动低压涡轮泵，让管路里的氢流量更大。这一切发生在眨眼之间。不到一秒后，主氧化剂阀开启，燃料威力彻底释放。燃料和氧气在两台高压涡轮泵汇合，流量再创新高。喷管里出现第一缕火焰。氧气还不足，燃烧不稳，发动机在抖动。但它已准备好进入下一阶段。发动机进入开环控制，不再按预设程序启动。它实时监测压力，随时调整阀门。

发动机开始推力爬升，氧气阀不断开大。火焰从低压的橙色，变成诡异的炽热蓝色。航天飞机很特别，发动机不在贮箱下方。昂贵的发动机装在可复用轨道器上，不在一次性贮箱上。主机与助推器错位安装，助推器还把飞机按在台上。七秒主机点火时——整个塔体会被压弯，来回晃动一下。NASA管这叫twang，算是句行话。此刻防止整机翻倒的，只有助推器上的固定柱。它们按兵不动，等待点火信号。喷管扩散段里的压力，仍低于大气压。于是能看到气流分离层，随着管内压力升高，慢慢爬向喷管边缘。

距发射还剩三秒。确认发动机达到额定推力百分之九十。助推器该点火了。助推器长四十五米，里面装满固体火箭燃料。它像橡胶，把燃料和氧化剂合在一种固体里。氧化剂高氯酸铵约占百分之七十，铝燃料占百分之十六。

固体火箭助推器动力

得想办法快速点燃整根燃料柱。点火器本身就是台迷你固体发动机，而它又由更小的迷你发动机点燃。为了保证极速燃烧，主点火器开口是四十角星形。说到固体发动机——可燃烧面积越大，烧得就越快，很快产生足够的热和压力，点燃整根固体推进剂。一旦点火就无法回头，所以准备程序里有好几道保险，防止误触发。准备程序第一步，是技术人员打开助推器顶部裙段的保险装置，取出一根销子。这根销子锁住保险装置，防止它意外转到待发位置。T减五分钟，接到指令转到待发位置后。

它通过导管，把NASA标准雷管接到点火系统。雷管一炸，一连串动作迅速启动，把航天飞机推到最大推力。但整个火箭还钉在发射台上，每台固体助推器都有固定桩压住。这些固定桩通过尾裙段，把固体助推器锚在地上，用的是巨型螺栓，长七百一十一毫米，粗八十八毫米。

螺栓下端用普通螺母拧紧，上端螺母很特别，是会炸开的易碎螺母。有两次，两个易碎螺母没炸断，NASA管这叫螺柱卡滞。这问题拦不住航天飞机起飞。两台固体助推器加三台主发动机，一两个螺母没炸开，根本挡不住它起飞。固定桩主要是防止，三台主发动机加到全推力时，航天飞机倾倒。哪怕一阵大风也不怕。但要是有四个以上螺柱卡滞，任务就可能出大问题。所以STS126任务做了改进，加装了一套交叉联动装置。新系统把每个螺母里的两组火工品连起来，保证相差不到五十微秒起爆。

旧设计最多能差二百五十微秒，查明了，这就是螺柱卡滞的主因。航天飞机自由了，人类载人航天史上最大最强的固体火箭，推着它上升。每台助推器推力一万三千千牛，差不多是猎鹰九号一级的两倍。但最初提出用固体助推器载人，遭到了极大质疑。

助推器工程设计

固体助推器从没上过人。它们几乎只用于军事，比如民兵洲际导弹。固体燃料能随时待命，说发就发。可一旦点燃，几乎没法叫停。整根推进剂一齐燃烧，没有泵也没有阀，能减少燃料和氧化剂。一点就烧到底，直到推进剂烧光。这当然带来很大的控制难题，得想办法绕开。首先，随着燃料消耗要减小推力。燃料烧掉后，火箭越来越轻。更糟的是，推力不降的话，火箭可能超过最大动压，直接解体。燃料柱设计不当，问题会更严重。

因为简单的圆形内腔，燃烧中推力反而会越来越大。换个形状就有不同推力曲线。尖星形内腔，一开始推力更高，因为面积大。星角烧平后面积变小，推力又会快速下降。星角越多效果越明显，所以点火器有四十个角。网上的图几乎都把助推器画成一根通直的圆柱。燃料通道要真这样设计，会出问题。圆形内腔烧着烧着面积会变大，因为直径和周长都在增加。助推器实际不是这样。上半段内腔是十一个角的星形。

浇注燃料前，先把这根芯模放进上半段做出星形。然后逐渐过渡成圆形。但直径不是固定的，越靠近喷嘴越粗。这种设计让点火时推力更大，正好在最需要的时候。之后推力逐渐减小，来降低航天飞机受到的最大动压。飞行五十秒时推力下降百分之三十三。给助推器浇注燃料时，是成对进行的。对应另一枚助推器上的那一段。这样两段就能用同一批燃料浇注。这样就算燃料混合有差异，至少航天飞机左右两边是一致的。确保两边推力不同也不会偏离航线。不过。

上升时五个喷管都能偏转推力，控制航天飞机。百分之八十的转向力来自固体助推器。因为它们推力大，又离中心轴更远。上升阶段，航天飞机的气动舵面不参与控制。但它们会动作，减少上升时的气动压力和阻力。起飞七秒后，航天飞机时速约一百四十公里。这时通过助推器喷管不对称偏转，启动滚转程序。尾裙里装有作动器，每个喷管有两个液压作动器，能做俯仰和偏航。航天飞机翻转一百八十度，偏离垂直方向十二度。

穿越大气层上升

让航天飞机朝目标轨道飞行，也降低机翼受到的动压。航天员还能从舷窗看到地平线。其实要是发射台上的航天飞机转个方向，就不用空中翻转了。但发射台是为土星五号设计的。服务塔和配套设施的位置，把航天飞机固定在了这个朝向。与其新建发射台，不如直接程序滚转。飞行四十五秒时，有趣的事发生了。航天飞机超过了音速，火箭的声音传不到航天员那里了。身后发动机的轰鸣小了很多。但你会听到空气冲刷机身的声音。因为大气最稠密，气流擦过粗糙的隔热毯和瓦片，像火车在隧道里呼啸。随着航天飞机越飞越高，空气越来越稀薄，连这声音也开始消失。

一级最后十五到二十秒，很安静但很颠簸，因为还在固体助推器上。飞行两分钟时助推器燃料烧完，就更安静了。燃烧室压力下降，触发传感器开始分离。要是传感器失灵，还有按时计时的备用系统。触发后，喷管被命令回到中立位置，轨道器保持姿态四秒钟。助推器和外挂储箱有四个连接点，下部三个支架，上部还有一处连接。都是易断接头，收到命令就断开。

助推器分离

同时八个分离发动机点火，助推器上下各四个。它们也是固体发动机，推力九万六千牛，保证助推器安全脱离，让航天飞机继续飞向轨道。首次飞行时，助推器分离最让布鲁斯措手不及。想象一下，你就坐在爆炸螺栓上面，它们把助推器和储箱连着。螺栓一爆开——会传来一声巨响。然后分离发动机点火，把助推器推离航天飞机，免得再撞上。喷出的尾焰正对挡风玻璃。一般火箭分级就是轻轻一响，然后你就进入二级了。但这里是巨响加火球，分离发动机的尾焰糊满挡风玻璃，我心想这下完了，我们炸了。好在很快就过去了，眼前出现了漂亮的深紫色太空。这就是我首飞上升阶段唯一的意外。此时助推器还在爬升，只是比航天飞机慢。

大约一分钟后到达最高点，就开始往回落。从头部放出一系列降落伞减速，落进海里回收再利用。与此同时，轨道器继续二级飞行。二级很平稳。多数航天员管它叫电驱动。这时过载开始增大，你被越来越紧地压进座椅。到三个G时我们就减小油门，因为它有机翼，气动影响很大。

第二级飞行阶段

为了结构安全，我们把过载控制在三个G，再快机翼可能就掉了。那就糟了。在三台主发动机的推动下，靠外储箱供的液氢液氧，航天飞机继续飞向轨道。这个外储箱有点特别。最初设想航天飞机完全可重复使用，燃料和氧化剂箱都装在轨道器里。其实航天飞机有很多种设想，最后资金不够，方案只好简化，为了凑钱找来了空军，设计也离最初的构想更远了，主要是加大货舱容量和滑翔距离。但外储箱才是最大的妥协。

载人外储箱滑翔返航的想法没了。长远省钱，可研发太贵，做不起。只能放弃，改用一次性外储箱，这大块头再入时会解体。外储箱很重，不只是两个带压的箱子。它是整体结构，要传巨大的载荷。它是航天飞机系统的核心，结构主心骨，连着固体助推器和轨道器。所以外储箱必须结实。它长四十七米，空重三十三点五吨。

外部贮箱系统

铝制外壳用加强环和桁条加固。它其实像个大保温瓶，双层皮隔热，护住里面的低温燃料。最后整个外壳包上橙色保温泡沫，光泡沫就重两点二吨。头两次任务的外储箱是白色，涂了阻燃乳胶，后来去掉省了四分之一吨。液氧箱在外储箱顶部。它比液氢箱小得多，因为氧的密度大得多，这也是液氧箱放顶部的原因之一，它把重心推得更高，这对飞行稳定很重要。火箭直着往上飞时，阻力和升力都作用在压心上。压心位置取决于气动面和发动机，但火箭是绕着重心转的。

重心由质量分布决定。所以把重物放高处，让重心高于压心，才合理。想象火箭头对准飞行方向。一阵风把它吹歪，就产生了迎角，升力经压心起作用，火箭绕重心转，就摆回原位。要是重心低于压心，情况就反过来，火箭会不稳。所以密度大的液氧放到了外储箱顶上。还有个好处：氢箱更大，箱间段就能放得更高。箱间段是两箱之间的承力结构。箱间段里还藏着一根大梁，顶住固体助推器向内压的巨大压力。

下面撑助推器的支座，扛住助推器上推的全部剪应力，上面的支座主要受压。与轨道器的前连接点也在箱间段下部。这些液氧燃料得送到轨道器上的主发动机。液氧从这里出箱。这管子粗达四十六厘米，人能爬过去。液氧开始流动时很像水，这个流速会形成大漩涡。这么多液体在箱里打转晃动，会严重影响稳定，甚至露出出口，让气泡进发动机。所以在箱底出口处装了防漩涡、防晃动挡板。

液氧顺这管子下到级间段，出来后沿液氢箱外侧一路走，直到轨道器主接点。这个接点把外储箱和轨道器连牢，也是液氧液氢的主通道。桁架接点左右有两块脐带板，和轨道器底部的板直接对接。

燃料输送与增压

左边那块接液氢，右边那块接液氧。每块板还有气体管路，把发动机的氢气氧气送回贮箱，这能维持气枕压力。气枕就是液面上方的气体空间，比如液氧液氢箱里那部分。液面下降时得保持这个压力，压力低了，贮箱结构就可能受损。用来增压氢箱的氢气，取自氢燃料管路，就在喷管再生冷却回路之后，低压燃料泵涡轮排气集合器的出口这里。液氧不经过这套再生冷却系统，得先汽化才能给贮箱增压。它取自主氧涡轮泵出口，先经过泵涡轮周围的热交换器。每块板还有电接口，由小电线组成，给外贮箱和固体助推器供电。

还传输轨道器各电脑的重要遥测数据。另外还有液氢再循环接口，它只在发射前液氢发动机预冷时用，让低温液体流过输送管，还有阀门和涡轮泵，把它们降到低温。不预冷会起气泡。主发动机关机的时刻快到了。关机由预定速度触发，大约每小时两万八千公里。也可能由燃料和氧化剂传感器触发，一共有八个耗尽传感器。

发动机关机与贮箱抛离

四个燃料耗尽传感器装在液氢箱底部。液氧传感器装在轨道器内输送管的下游。按六比一的氧化剂燃料比，还多装了五百公斤液氢。这样就保证即使推进剂耗尽导致关机，也是在富燃状态下关机。富氧关机会严重烧蚀可重复使用发动机。主发动机关机、外贮箱分离的时刻到了。爆炸螺栓再次起爆，分开两个结构。外贮箱飘走了，航天飞机底下的脐带板露了出来，下一步就是遮住它。得赶紧关上那两扇门，这是头一件要办的事。不关门就没法再入，再入时会烧起来的。

这事我们讨论过，也学习过，但没人真正想过，也没人想出简单的办法。要是得出舱去关门，那可怎么弄？得太空行走绕到机尾后面，还得抓着点什么。没有简便办法能钻到下面去关它。我们讨论过，也想过些办法，但从没用上。从没用上，也没定过操作程序。幸好每次航天飞机任务，舱门都顺利关上了。外贮箱踏上返回大气层的路，氧箱上的排气口打开，让它翻滚着远离轨道器。主发动机推力一消失，宇航员瞬间失重了。宁静一刻让布鲁斯乐坏了，忘了新手的第一项任务。

进入轨道

主发动机关机后，我们总会给外贮箱拍张特写，因为你还记得，外贮箱是唯一不重复使用的部件。助推器会溅落海面，拖回来翻新。航天飞机飞回来，可外贮箱呢，一分离它就翻着跟头回地球，再入时烧碎，只剩碎片落海。所以分离后要拍张大特写，看看有没有异常，好在下次飞行前修好。我作为新人的头一项任务，就是在关机瞬间失重时，解开安全带飘出座椅，飘到旁边储物柜，拿好相机，飘向头顶舷窗，迪克·理查兹我首飞的指令长，正把发现号翻个底朝天，好拍下坠向地球的贮箱。

我飘到舷窗往外看，迪克说，布鲁斯，该看到了吧。我说，看到了，迪克。太美了！他说，怎么不拍照？拍什么？哦，贮箱！第一次从航天飞机上看地球，我太震撼，把头一项任务搞砸了。本该拍张贮箱的大照片，等我拍时它已经飘远了，不过真的很美。第一次从太空看到地球，大概是我最难忘的经历。

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