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问:航天飞机为什么不能水平起飞?

人类进入太空以来,至今面临的一个严重问题,仍然是航天费用太高。随着航天活动日益频繁,航天费用将成比例地增加,特别是大型空间站建成以后,为了大规模开发和利用太空资源,向空间站运送器材、物资、航天员和他们需要的生活用品等,将达到一年十几次,甚至数十次。如果仍旧采用传统的一次性使用的运载火箭,每次发射需花费数千万美元,年发射费将达到数十亿美元。

  • 名称:航天飞机
  • 制造商:罗克韦尔公司
  • 发射日期:1981年4月12日
  • 名称:德尔塔2
  • 制造商:麦克唐纳-道格拉斯公司/波音公司
  • 发射日期:1960年5月13日
  • 发射地点:佛罗里达州,卡纳维拉尔角;加利福尼亚州,范登堡

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上世纪70年代,美国研制航天飞机的本意,就是为了大幅度降低航天发射费用,但是事与愿违,自从航天飞机投入使用以来,它的发射费用并不比运载火箭便宜。

结构尺寸

  • 56米×8.7米(183英尺×28.5英尺)

  航天飞机是世界上第一种可重复使用的航天运输工具,现在几乎完全供国际空间站的建造使用。航天飞机的最后一次飞行预计于2010年进行。它既能代表运载火箭把人造卫星等航天器送入太空,也能像载人飞船那样在轨道上运行,还能像飞机那样在大气层中滑翔着陆。航天飞机为人类自由进出太空提供了很好的工具,是航天史上的一个重要里程碑。

参数

  • 长度:39米
  • 中心直径:2.4米

航天飞机不能在跑道上起飞的,它根本没有空气发动机.设计的时候就没计划有这个能力.它自己虽然有火箭发动机,但是那个发动机的能力不够,完全不够把航天飞机送上轨道.

研究这里面的原因,一是航天飞机并不能做到完全重复使用,它的巨大的推进剂贮箱白白扔掉了;二是航天飞机垂直发射,需要大推力火箭发动机、专用发射台和复杂的发射勤务保障;三是航天飞机运载能力有余而货舱容积不足,常常不能满载飞行。

结构特点研制历程

有效载荷

  •  近地轨道有效载荷:700~6100千克(5960~13440磅),地球静止转移轨道(GTO)有效载荷:900~2170千克(1980~4790磅)

德尔塔2美国www.35222.com 2

  德尔塔-2最初由麦道公司设计和制造,在麦道被波音公司合并后,则由波音的综合防务系统分部负责生产。德尔塔-2是NASA手中的一种重要火箭,从1989年开始投入使用。

航天飞机大气层内飞行实验和运输,都是用一架波音747改装后的飞机,背着航天飞机飞行.

为了寻求经济的、有效的往返于天地之间的运输系统,以取代昂贵的运载火箭和航天飞机,英国、美国、德国和日本等国都纷纷提出一种研制航空航天飞机的计划。

结构特点

航天飞机的基组成员为7人,位于机首的位置。它的有效载荷舱能够容纳一颗或两颗卫星、科学实验设备或压力舱(包括太空实验室、Spacehab货舱或多用途后勤舱)。典型的航天飞机任务时间为12~14天。在完成任务后,航天飞机作为没有动力的滑翔机降落在佛罗里达州或加利福尼亚州。

发射时的推力由两部捆绑式助推器提供,这两部助推器是世界上最大的固体燃料火箭发动机。3部液体燃料航天飞机主发动机由一个外挂的燃料箱供应燃料,这个燃料箱随后将脱离。最后将使用轨道机动系统来进入近地轨道。

结构特点研制历程使用情况型号演变

航空航天飞机简称空天飞机。顾名思义就知道,它是一种既能在大气层内航行,又能在大气外航行的飞行器。在大气层内飞行时,它像一架高超音速飞机,能在1小时内从欧洲飞到澳大利亚,在两小时内从华盛顿飞抵东京;在执行航天任务时,它能把数吨重的有效载荷送入近地轨道,然后返回地面。据估计,每次发射费用将降低到目前的运载火箭和航天飞机发射费用的1/5~1/10。

研制历程

美国先后建造了6架航天飞机,其中包括“企业”号测试飞行器。“挑战者”号是美国建造的第2架航天飞机,在1986年1月28日发射升空后71秒坠毁,原因是一部固态火箭推进器高温气体泄漏引起燃料箱爆炸。经过重新设计的航天飞机有效载荷从原来的27850千克(61270磅)减少到了24400千克(53700磅)。最早的“哥伦比亚”号航天飞机于2003年2月1日重入大气层时解体。目前还在使用的航天飞机有“发现”号、“亚特兰蒂斯”号和“奋进”号。

结构特点

德尔塔2可以装配成2级或3级火箭,并可以加装不同数量的捆绑式固体火箭发动机,并且有两种尺寸的有效载荷整流罩。

例如,一枚德尔塔II
7925型火箭装有7000系列的第1级、9个捆绑式助推器、1个第2级和一个Star
48B第3级。德尔塔2重型火箭配有更大的GEM-46固体火箭发动机。

(附带火箭发射升空的震撼过程视屏)

空天飞机的发射费用能大幅度降低,其中的奥妙主要在于它尽量利用大气层中的氧来助燃,减少飞机上自带的氧化剂,这样就能减轻航天飞机的结构重量和起飞重量。例如,拿发射同样重量的有效载荷来说,空天飞机的起飞重量只需要航天飞机的1/5~1/3。

www.35222.com,研制历程

最初的德尔塔火箭源于美国空军的“雷声(Thor)”中程弹道导弹。20世纪60年代和70年代曾对这种火箭进行了改造,使它可以进行2级或3级发射,并可以加装3个、6个或9个固体燃料火箭捆绑式助推器。德尔塔火箭的第一次成功发射是在1960年8月12日,携带的是NASA回声1A(Echo
1A)卫星。此后,德尔塔火箭成为NASA主力运载火箭,直到1980年~1986年航天飞机诞生。

在“挑战者”号航天飞机失事以后,美国空军签约建造拥有更强动力的德尔塔2火箭,新型火箭在1989年首次亮相。

我们都知道航天飞机发射时通常和火箭连接在一起,采用的是垂直发射的方式,专家表示:这都是设计问题。因为航天飞机在设计时就没有考虑内置燃料,也就是说飞机的燃料全部来自于外储箱和助推器,飞机靠着外储箱的燃料一直飞行,直到外储箱燃料耗尽自动脱落。另外除了外储箱以外还有火箭助推器,它位于外储箱燃料的两侧,助推器内部含有助推燃料,航天飞机起飞后助推器就会点火提供额外推力们

为了利用空气中的氧,空天飞机就必须使用航空用的吸气式发动机,吸取空气与燃料燃烧,产生推力。但是到了太空以后,吸气式发动机就无能为力了,这时就只能依靠自带燃料和氧化剂的火箭发动机来推进。

使用情况

德尔塔运载火箭(英文:Delta
Family)是一种一次性火箭列,于1960年代开始进行美国的太空酬载任务,并发射超过三百次,且成功率达95%以上。

由此我们可以得出结论,航天飞机自身没有足够的燃料,所以它无法在没有外储箱燃料的情况下独自飞行,如果航天飞机需要转移或者运输,那么只能靠大飞机来驮运。当然航天飞机虽然无法自己起飞,但是在完成任务之后,航天飞机可以依靠无动力滑翔像飞机一样的着陆,并且还能重复利用。

所以,空天飞机的第一个特点是它既要有吸气式发动机,又要带火箭发动机。最好的方法是研制一种既有吸气发动机,又有火箭发动机这样两种功能的复合发动机。

型号演变

  • 德尔塔3型商业运载火箭
    于1995年开始研制,1998年首次发射。在德尔塔3的3次发射中,有两次失败,第3次装载的是模拟有效载荷。

谢邀,航天飞机的机翼根本无法满足起飞的升力要求

首先水平方式起飞的话,根本没法起飞,因为水平方式起飞的话,对抗重力的是机翼产生的升力,机翼产生的升力超过自身重力才能实现理论上的水平飞行。所以飞机重量越大,机翼也就越大,从而产生更多升力。

而航天飞机起飞重量超过2200吨,机翼面积却只有80平方米左右,折算下来,每平方米机翼要产生27.5吨的升力才行,而航天飞机设计最大翼载荷也只有每平方米不到2吨(4000磅)。而航天飞机为了更好的降落时减速,选择机翼类型并不是利于产生升力的类型,国外有好事者计算过,航天飞机要想满足水平起飞,起飞时候需要达到的速度已经远远超过可以飞出太阳系的第三宇宙速度了,在地面上没满足起飞条件就要解体了。

航天飞机返航时能飞,因为返航时没有助推火箭,也没有巨大的燃料罐,此时航天飞机整个重量只有100吨左右,高速滑翔时产生的升力可以满足飞行要求,从而进行缓慢的持续滑翔减速。

航天飞机发射重量大部分都是给燃料上,航天飞机本身空重只有80吨左右,机内只有很少的不到20吨备用燃料。航天飞机自身发动机燃料储存在巨大的橘黄色燃料罐中,ET-94燃料罐自身重量32.5吨,内装大约700吨的液氢液氧燃料。两根SRB助推器总重量约1200吨,再加上其他设备,发射时总重量可以达到2200吨。航天飞机想要飞,自身100吨左右是可以实现,但是没燃料,算上燃料和助推器就是2200吨。

而且两根SRB助推火箭是航天飞机飞出太空的最大功臣,看下面这张美国航天飞机发射时的照片,你就会看到有意思的现象,两根助推火箭喷出气势磅礴的火焰,而航天飞机自身的三台发动机完全在打酱油。

实际上,航天飞机起飞的前半段,几乎完全是挂载燃料罐的那两根SRB固体助推火箭推上去的。航天飞机发射时总共3447吨推力中,那两根SRB火箭提供2758吨,承担80%的起飞推力。这两根SRB助推火箭工作120秒,将航天飞机推到距离地面45公里的高空时耗尽,与航天飞机分离。而航天飞机主发动机带着燃料罐继续飞行,直到工作500秒,上升到距离地面100多公里,速度达到每秒7.8公里,接近第一宇宙速度时,外挂燃料罐里的燃料耗尽,与航天飞机分离并坠入大气层。

SRB助推火箭可以说是美国NASA在过去数十年里航天动力技术精华的结晶,是人类历史上推力最大的固体火箭发动机,单台发动机推力是阿波罗登月时用的土星火箭的F-1火箭发动机的1.8倍。每根SRB火箭重量达到590吨,装498吨高氯联氨和铝组合而成的燃料。SRB助推火箭被设计成可回收式,发射完与航天飞机分离后会打开顶部降落伞,落在海上回收并重新浇筑燃料使用。

这是个科普题。

在中国高中毕业的孩子都知道答案。

地表飞行器需要速度达到7.9千米每秒,即第一宇宙速度,就能够摆脱引力进入环地球轨道。

目前人类科技水平还达不到研制的各类发动机及有效载荷直接飞入地球轨道,目前至少要使用二级火箭,才能将有效载荷送入地球轨道,其中,在飞行过程中必须抛掉一定质量(即减重),二级火箭点火对有效载荷再加速,使其达到第一宇宙速度,才能进入地球轨道。

知道这个原理后,就会明白航天飞机为什么不能水平起飞,进入地球轨道了。

美国航天飞机发射是其三台主发动机和两台助推火箭同时点火,到达80千米高空后,抛掉两台助推器,减轻质量,三台主发动机继续工作,再抛弃主发动机燃料箱,进一步减轻质量,进入地球轨道。

航天飞机自身无动力,依靠火箭发射升空,返回地球的时候纯粹靠滑翔,和滑翔机是一样的。因自身无动力所以只能降落不能起飞。

不知道

研制什么样的吸气式发动机或吸气、火箭双功能复合发动机,是发展空天飞机面临的最大课题。发动机专家们为此绞尽脑汁,提出许多方案。其中最理想的是英国“霍托尔”空天飞机的发动机方案。它带有一套空气液化装置,利用飞机上携带的液氢燃料的低温,将吸入的空气制冷液化,并分离出液态氧,输入火箭发动机与液氢燃料。飞出大气层后,由自带的氧化剂助燃。这个方案原理简单,令人神往,但是工程上能否实现,还是个谜。

美国研究的“国家航空航天飞机”的发动机方案是组合式超音速冲压发动机,它能从飞行速度为零时开始工作,一直到速度达到25倍音速。但是这种发动机技术难度大,美国从上世纪50年代末就开始研究,至今还没有取得成功。

空天飞机的第二个特点是完全重复使用,除了在航行中必须消耗的推进剂以外,没有其他任何抛弃部分;第三个特点是水平起飞,水平着陆,可以充分利用普通机场,而不必兴建专门的发射场和配置复杂的发射保障设施。这两个特点,都可以使空天飞机的发射费用进一步降低。

目前设想的空天飞机方案有单级的和二级的两种。

英国的“霍托尔”是典型的单级空天飞机。猛一看外形图,会以为它是一架“协和号”超音速喷气客机,它的尺寸、重量都和“协和号”客机差不多。机身长62米,最大直径5.7米,看上去十分细长,机身前后各有一对三角翼,后翼较宽,宽度为19.7米,起飞重量约为200吨。

“霍托尔”的前部是一个很长的液氢箱,中间是放卫星的货舱,舱长7米,直径4.6米,可载7吨货物,货舱后面是液氧箱,机尾有氢氧火箭发动机。

“霍托尔”是第一架按单级推进,达到第一宇宙速度,进入环地轨道要求设计的飞行器,一旦发射成功,将在航天史上写下新的一页。

美国的国家航空航天飞机“东方快车”也是单级的空天飞机。

由于研制吸气、火箭双功能复合发动机的难度很大,德国提出一种将吸气式发动机和火箭发动机分开使用的“桑格尔”二级空天飞机的方案。“桑格尔”空天飞机的第一级是一架大型超音速飞机,使用吸气式发动机,起飞重量约为300吨;第二级是一架小型航天飞机,使用火箭发动机。第一级驮着第二级从普通机场起飞,至35千米高空,速度达到6倍音速。这时第二级发动机点火,并且与第一级分离,继续加速飞行,直到进入环绕地球运行的轨道。空天飞机的第一级和第二级在它们完成各自的使命以后,都可以返回机场,经过维修以后重复使用。

空天飞机不仅可以作为天地间往返的运输工具,而且具有潜在的军用价值。它有广泛的军事用途;它既有洲际弹道导弹的快速反应能力,又有轰炸机的机动性和可靠性;既可以在大气层内飞行,也可在太空轨道上变轨运行,对方很难瞄准和击落它,因此很适合用来作为战略侦察机、轰炸机和远程截击机。正是因为有这些优点,美国的“东方快车”计划主要由国防部负责和拨给经费。

但是,在空天飞机发展的道路上,存在着两道难关:一是技术难度大;二是研制费用高。

技术难题方面,除了前面说到的发动机以外,还有空天飞机的机翼、机身和发动机一体化空气动力学的设计问题,有防热结构和耐高温材料问题,以及高度自动化和人工智能化的飞行控制系统等问题,这些都是很不容易解决的。

空天飞机每次发射的费用虽然不大,但是研制费用十分可观。据估计,无论是“霍托尔”,还是“桑格尔”,均需数百亿美元。例如,“东方快车”第一阶段,投资30亿美元,仅仅能完成试验机。与一次使用的运载火箭相比,空天飞机在经济上究竟是否合算,应把研制费和飞机使用寿命期限内的全部发射费加在一起来进行比较。如果每年的航天发射次数很少的话,空天飞机并不合算。

由于研制空天飞机难点多、投资高、风险大,各国在发展中都采取慎重的态度,结合本国国情,反复研究论证,注重预先研究,而不轻易上马研制。估计空天飞机最早也要到本世纪二十年代才能投入使用。

然而,从技术上来说,空天飞机代表了新的发展方向,它进一步把航空航天两大技术紧密结合,创造出新一代的天地往返运输系统。21世纪初空天飞机的出现,将标志着人类航天事业的发展又到达一个新的里程碑。
来源:《太空探索》

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