八十年代的航天活动面临的三种趋势是:1. 下降;2. 稳定;3. 高涨。不管你认为今后的发展趋势是哪一种,在你的分析中,航天工业总离不开一个好字。有意思的是,紧紧围绕着“航天”的“天”的分析和围绕着“航”的多数技术要求方面的分析得出了更为乐观的预测。

一位乐观者,宇航工业协会主席Karl G. Harr预料,新的空间活动的发展前景类似卫星通讯,当前的卫星通讯正在迅速发展,它为许多商业系统服务,差不多使轨道都饱和了。他列举一些即将起步的航天活动的例证是,高级通讯和环境系统,地球资源勘察,微重力制造和空间飞行器的商业经营。

哥伦比亚号的成功飞行,肯定是在这一方向上迈出了巨大的步伐。航天飞机以及可以使太空瞭望站、载人指挥中心、材料加工卫星和太空结构计划得以实现的后继工程,将会导致乐观者所盼望的航天活动的迅猛发展。

出人意料的平稳

宇航员John W. Young和海军上校Robert L. Grippen的飞行后评论指出:美国宇航局航天飞机的首次飞行不仅在物理性能上,而且在技术性能上都比预期的情况还要稳定些。尽管航天计划由于广泛的技术原因而推迟了。

显然,推迟有利于计划的顺利实现。几乎所有出现的与宇航局的详细飞行规定和设计的偏差都是有利的:上升高度略微超过;轨道机动飞行和返回大气层期间燃料消耗略少;机上设备的耗电略少;着陆照明前增加的空气速度稍大;以及着陆比预料的情况和缓一些。

可能飞行中与计划最大的出入要算上升期间某些防热瓦的损坏。但是,防热瓦没有出现险情,对热平衡或热控制性能影响不大。

防热瓦的意义特别重要,因为航天飞机价值取决于防热系统,不允许在两次旅行之间做重大维修。该系统必须使航天飞机的铝结构和石墨—环氧树脂结构在当返回大气层时表面暴露于2750°F(1508°C)高温的情况下,维持350°F(176.5°C)以下的温度值。由于经济关系,防热瓦必须在维修最少的前提下经受至少100个来回飞行。

航天飞机表面采用了四类隔热措施:

1. 在鼻帽和机翼前沿涂以碳-碳增强复合材料。

2. 在温度达到1300°F(703°C)的表面处安装高温防热瓦。

3. 在温度达到1200°F(648?c)的表面处安装低温防热瓦。

4。在温度不超过700°C(370°C)的表面上覆盖以Nomex纤维毡。

- 碳复合材料由多层石墨布用热解法填充碳而形成。为了防止在高温下氧化,其外层用化学方法转变为碳化硅。

20,000片高温防热瓦大多数装在航天飞机的底部表面上,每片面积6×6平方英寸,厚度为0.5 ~ 3.5英寸,用疏松的高纯度二氧化硅纤维制成。每片瓦与用Nomex纤维毡制成的应力隔离体粘接在一起,然后再粘接到航天飞机上。

7,000片低温防热瓦多半安装在机翼的上表面和机身两侧,附着在飞机机体的方式与高温防热瓦相同。低温防热瓦每片面积约为8×8平方英寸,厚度为0.2~1英寸。两种瓦除了表面涂覆层的颜料为了取得吸收和辐射特性上的差别而有所不同外,材料完全相同。

太空科学活动

阿波罗计划除外,积极从事空间活动的科学家,尤其是天文学家已经形成了一支最强大的队伍。对太阳、内行星以及目前对外行星的探测飞行极大地增长了人类对于太阳系以及它的起源的认识。

前不久,旅行者1号和旅行者2号分别于3月5日和7月9日成功地完成了与木星系统的相会。旅行者1号继后于1980年11月与土星相遇,旅行者2号也将要在1981年8月飞越土星。此后,它将继续飞行并于1986年与天王星相遇。两艘飞船最后都将飞离太阳系。

旅行家宇宙飞船对于木星的历史性访问,提供了许多令人震惊的新科学信息。甚至更为根本性的(和更重要的)发现可望由美国宇航局的航天飞机发射的太空望远镜取得。天文学家希望利用这种多功能的光学天文仪器揭开宇宙之谜:它怎样形成,怎样膨胀、演变以及这些演变将对地球发生什么样的影响?

太空望远镜是前所未有的高倍望远镜,它具有成像轮廓清晰、辅助设备承载量大和消除大气失真的奇特功能。它可以使天文学家观察宇宙的距离增大七倍,有可能达到可见宇宙的缘。

太空望远镜可以使相当模糊的天体获得清晰的成像。科学家们盼望着观察类星体、星体、气星云和仙王座变星,这些目标比在地球上用最高倍数的望远镜所能看到的东西要清晰50倍。

太空望远镜的工作将由遥控系统来操纵,使用灵敏度远高于照相胶卷的电视录像系统。这种系统保存图像的时间比照相感光乳剂长且允许在更长的时期内进行观测记录。

在太空中作业

太空的实际开发终究需要建立具有重力的某种类型的轨道航空站。开始,可以利用航天飞机作为工作基地。但是,随着工作量和复杂程度的增加,必须建立专用设施方能经济有效。

按照美国宇航局的合同,波音航天公司的工程师们正在研究这种航空站的可行性。初步设计的四人工作站估计在八十年代后期送入轨道,为了建站需要,航天飞机仅需要飞两三个来回。

这种我们通常称为太空指挥中心的航空站设置在距地球200~250英里上空。大型轨道系统的建造和检查需在太空指挥中心进行。它还将对自由飞行的卫星实行交通管理,为太空飞行器服务,负责它们的发射和记录。太空中心可以永久载人,不甚依赖于地球的控制和再供给。

太空中心舱包括四个大小相同的生活区、设备区和货舱。两个生活仓可供一组八人居住,面积大约等于住房拖车的大小。太空建筑设施和飞行后勤设施也是需要建立的。站上的用电由两套桁架结构的太阳阵列供给。

波音公司的方案则与过去大多数太空站的设计不相同。它的目标主要是研制适用于军事目的的结构,其次才是科学研究。

太空开发展望

除了通讯卫星外,初期开发太空的目的集中在结构和材料的加工上。宇航局已经制定了载人和不载人两种类型的太空站,有的面积达6×10平方公里。

—期建设工作需由航天飞机空运简单的舱结构。例太空望远镜和太空指挥中心就用这个方法实现。下一步也许要发展到将来才能实现的完全在太空组合结构的阶段。

不过,太空结构设备的样件已经在进行设计了。宇航局目前正在试验的是格鲁门公司研制的制樑机,这种机器可以压制铝樑。格鲁门公司还在研究第二种类型的机器,用它可以制造出石墨—环氧树脂樑。预计于1984年将进行预制石墨—环氧树脂桁悬樑的实验性部署。实验将确定航天飞机和100米樑相互间的动力学关系。

宇航局的发言人强调说,在太空加工材料尚处于很不成熟的阶段,现在还不能确切地预言可以加工何种产品以及如何加工它们。但是,看起来可能性极大的这类产品有下面几种,它们是:不能混合金属的合金,激光和光纤用高纯净玻璃,优质微电子材料以及生物学和药物学产品等。

在紧接着到来的几年中,希望有商业价值而又需要在太空生产的产品都是体积小而价值高的东西。为了鼓励更大的发展、宇航局正在同工业界合作的项目有技术交换,“工业宾客调查者”,和“联合努力”等项计划,通过这些计划提供初级技术准备进行专门的试验或冒险项目。宇航局已经研制的一项技术交换协议是,它们与一家公司关于一项正在实施的以地面为主的研究中互换技术情报并合作研究。开始已有两个这样的协议可望很快正式签订一项与一家大金属厂另一项是与一家设备制造厂。

工业宾客调查者是一位工业界科学家用公司的费用与宇航局的宇宙飞行原理审查人合作进行的研究。公司深刻理解实验结果的意义,于是宇航局增加了来自工业界的专家,同时深刻了解研究技术可能的应用。

联合努力使初期太空工程的费用和冒险由宇航局和工业界共同承担。第一个联合努力协议是1980年一月与麦克唐纳· 道格拉斯宇航公司共同签订的。该公司将利用航天飞机研究并证明连续流动在低重力环境条件下的电泳技术,从而决定如何把这项技术提供给药物学研究。

为了信守与麦克唐纳公司的合同,得到这一项对于美国公众有益的研究结果,宇航局同意限制参与类似的其他项目,也就是那些直接关系到竞争的商业器件和方法的研制的国际性合作协议。然而航局对任何希望进行类似实验的组织愿意提供租用航天飞机业务。

在准备进行这类材料加工研究方面,TRW公司按他们同宇航局的合同设计和研究出两种材料加工净载的航天飞机。打算用流体实验系统对流体对流、相变、晶体溶解的增长、表面效应、气泡变化和电化学沉积等进行研究。固化实验系统将进行固体电解质运送离子和电子的试验,复合材料一一金属结构的预制合金半导体的发展、半导体——石英元件的发展、晶体借助于化学蒸汽传送的发展以及不能混合金属固化过程中结构和性质的确定。

[Machine Design1981年7月第53卷16期]