硬核科普:軌道飛行器是如何工作的（航天飛機）

它能像火箭一樣直衝太空,又能像滑翔機一樣自己飛回來。 從1981年到2011年,整整30年,五架航天飛機飛了135次, 把哈勃望遠鏡送上天,把國際空間站一塊塊拼起來, 至今沒有任何國家能複製這種操作。 今天咱們把它從頭拆到尾,看看到底怎麼飛上去的, 裏面啥樣?宇航員怎麼吃飯拉屎?那些事故又是怎麼發生的? 三合一的怪物,你看到的航天飛機照片,其實是三樣東西綁在一起。 中間那架帶翅膀的白色大飛機叫軌道器, 就是宇航員待的地方,跟波音737差不多大, 但空重78噸,裝滿能到110噸。 旁邊那個橙色大罐子是外掛燃料箱, 裝着液氫和液氧給軌道器屁股上的發動機喝。 這個罐子是一次性的,每次用完就讓大氣層燒掉。 兩邊綁的兩根白棍子是固體火箭柱推器, 裏面是固體燃料,類似煙花但威力大了幾萬倍。 發射時它們提供85%的推力, 用完掉進大西洋撈回來翻新再用。 納瑟當初說重複使用能省錢, 結果一發還要燒4.5億美元,比一次性火箭還貴。 這賬算得稀碎,發射,每一步都玩命。 倒計時歸零,軌道器屁股上三臺主發動機先點火。 確認沒問題了,兩根柱推器纔跟着點燃。 柱推器一旦點火就關不掉了, 所以必須保證主發動機工作正常。 頭兩分鐘,兩根白棍子猛推, 把整個大傢伙加速到6000多公里時速, 高度拉到45公里,燃料燒光,爆炸螺栓直接炸開。 把柱推器從兩側踹開, 它們自己張開降落傘掉進大西洋, 等着回收船拖走。 甩掉柱推器後,三臺主發動機接着幹。 燃燒室溫度超過3300度, 比任何金屬熔點都高。 它們持續工作六分半鐘, 把成罐裏的燃料炸幹, 飛到110公里高度, 速度達到每小時28000公里。 這是環繞地球的最低速度。 成罐燃料見底被拋棄, 從高空墜落燒成一道白光。 每次任務最燒前的就是這一下。 主發動機關機後, 三臺發動機就成了死衆, 還得拖着它們飛回地球。 最後靠兩個小型的OMS發動機點火, 把軌道器精準推入工作軌道。 這一腳油門踩個一兩分鐘, 航天飛機正式變成地球的臨時衛星。 在太空裏怎麼活? 入軌後速度28000, 每90分鐘繞地球一圈。 宇航員一天看16次日出日落, 第一個緊急操作, 必須馬上打開貨艙門。 門內側全是散熱板, 電子設備產生的熱量全靠它們輻射出去。 不打開, 幾分鐘內艙內溫度飆到60度, 設備全熱死了。 更離譜的是, 航天飛機大部分時間倒着飛, 屁股朝前, 爲的是保護駕駛艙玻璃不被太空垃圾打穿。 0.1毫米的碎片以7.8公里每秒飛過來, 能量堪比子彈。 倒着飛, 用貨艙和尾部擋槍。 成員艙分三層, 最上層是駕駛艙, 密密麻麻全是開關按鈕, 鋪滿天花板和儀表板。 機長坐左, 飛行員坐右, 頂上和後部有窗戶, 可以直接看貨艙。 中間層是生活區, 廚房就是個微波爐, 吃脫水素食, 助水加熱。 太空馬桶有大腿綁帶, 底下真空吸, 不然排泄物到處飄。 上完廁所固體打包, 液體回收。 睡覺得鑽進固定在牆上的睡袋, 不然睡一半人飄到貨艙去了。 最下層是設備艙, 裝生命維持系統, 水箱, 泵, 負責供氧, 過濾二氧化碳, 調溫調溼。 貨艙長18米寬4.6米, 能塞進大巴車。 哈勃望遠鏡全在裏面被送上天, 空間站那些十幾噸重的艙段 也是它一件件塞進去拼起來的。 貨艙裏最顯眼的是白色機械臂, 外號加拿大臂, 長15米, 6個關節, 能抓29噸重的貨物。 宇航員在駕駛艙用手柄遙控, 精準到幾釐米。 抓衛星, 遞貨物, 把太空行走的同事從貨艙送到工作位置, 全靠它。 電和水從哪來? 不帶太陽能板, 靠三個燃料電池。 氫和氧反應發電, 副產品是純淨水。 水機能冷卻設備, 也給宇航員喝。 連水壺都省了。 回家, 最瘋狂的滑翔。 任務結束, BOOM發動機點火減速, 速度只減了100多米每秒, 但足夠讓軌道器降低軌道, 一頭扎進大氣層。 接下來是再入大氣層, 28000的時速撞進空氣, 機體表面溫度瞬間飆升。 機頭超過1600度, 機翼前緣接近1700度, 整個機腹變成一個大火球, 全靠機腹上27000多塊特製隔熱瓦, 每塊都是二氧化硅纖維, 能隔開上千度高溫, 但這瓦片脆弱得用手指都能按出坑, 少一塊就敢給你表演空中解體。 每次發射前, 技術人員一塊一塊檢查, 一塊都不能少。 穿過最熱斷後, 航天飛機變成一架100多噸重的 無動力滑翔機, 從25倍音速一路滑到着陸速度。 沒有發動機, 全靠飛行員操控, 一次對準跑道, 沒有復飛機會, 對不準就沒了。 接近跑道時速還有400公里, 比客機快一倍。 最後放起落架, 後輪先接地, 前輪再落。 彈出一個紅色減速傘配合剎車, 穩穩停住。 從載入到接地大約25分鐘, 全程無動力, 每一次都是刀尖跳舞。 五架飛機的宿命, 納瑟造了五架。 哥倫比亞號, 第一架, 2003年返航解體, 7人遇難。 挑戰者號, 1986年發射73秒後爆炸, 7人遇難。 發現號, 服役27年, 39次任務, 現在博物館。 亞特蘭第四號, 33次任務, 也進了博物館。 奮進號, 最年輕, 不挑戰者的缺, 25次任務, 兩次事故, 14條人命, 直接判了航天飛機死刑。 它太複雜, 每個環節都在刀尖上。 2011年7月21日, 亞特蘭第四號最後一次着陸, 航天飛機時代落幕, 但你得承認, 它是人類工程史上最狂妄也最浪漫的嘗試, 把一個介於火箭和飛機之間的怪物造出來, 還讓它飛了135次, 它不完美, 但它夠牛。 現在那幾架躺在博物館裏, 每天被萬千人仰望, 它們的故事講完了, 但你每次抬頭看到天上的飛機, 別忘了, 曾經有個更瘋的傢伙, 飛到了更高的地方, 還自己飛了回來。