翱翔苍穹，无奈俯首，泪洒地球

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我们需要可重复使用的发射系统

早在1965年8月24日，也就是第一枚土星五号运载火箭从发射台升空的两年多前，美国空军（USAF，United States Air Force）和美国国家航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）就在国防部-美国宇航局航空航天联合协调委员会（DoD-NASA AACB，DOD-NASA Aeronautics and Astronautics Coordinating Board）之下建立了一个关于可重复使用运载系统（RLV，Reusable Launch Vehicle）技术的特设分委员会。其目的是确定支持RLV开发所需的技术基础状态。该报告于1966年9月发布，结论是许多成本和技术上的问题需要解决。该小组为了既满足NASA又满足DoD的要求，做了相当多的“ppt”，因此它包含了各种完全可重复使用系统（FRV，Fully Reusable Vehicle）和部分可重复使用系统（PRV，Partially Reusable Vehicle）的概念。有趣的是，该特设分委员会预测，PRV比FRV开发成本要低得多。即便如此，多年内，NASA和USAF的工程师们仍将重点放在FRV上，因为他们相信，一旦这些困难的问题得到解决，系统的运行成本将大大降低。一些设计师青睐FRV，即使用可重复使用的助推器和低温动力轨道飞行器。而另一些人则认为，最可靠的途径是在泰坦III等一次性运载火箭的顶部安装一个可重复使用系统。其他的设计概念则介于这两个极端之间。

1966年后，NASA开始深入思考阿波罗之后的载人航天计划，其首要目标是获得轨道空间实验室，即空间站的建造批准。NASA也意识到，如果要让这样一个空间站在可控的成本内运营，就需要降低向空间站运送人员和物资的成本。这反过来又导致了对运输系统的关注——航天飞机（Space Shuttle）。1968年8月，NASA负责载人航天飞行的副局长乔治·穆勒在一次演讲中首次公开讨论了这一概念，并表示在阿波罗计划之后的所有载人飞行中，这种航天器都是必不可少的，当然，这个预言最终成为了现实，直至2011年航天飞机的退役。2020年奋进号载人龙飞船（Crew Dragon Endeavour）带着美国宇航员进入太空，美国人才重新拥有了自己的载人飞船。

1968年12月，随着后阿波罗太空计划的规划取得进展，NASA建立了航天飞机任务规划组，以确定NASA对未来太空运输系统的需求。该任务规划组列出了NASA希望获得的飞行器的基本任务能力和技术特性。1969年中期，任务规划组通过载人航天中心和马歇尔航天中心发布了一份建议征询书（RFP，Request For Proposals），称之为整体发射与再入飞行器（ILRV，Integral Launch and Reentry Vehicle，有时称作RLV）。RFP明确强调了该系统需要优良的经济性和安全性，而不是一味追求有效载荷性能。航天飞机A阶段研究工作用时约八个月，而四家航空航天承包商赢得了ILRV的研究合同——通用动力（General Dynamics）、洛克希德（Lockheed Propulsion Company，直到1995年Lockheed Corporation才和Martin Marietta合并为如今的Lockheed Martin）、麦克唐纳-道格拉斯（McDonnell Douglas，后与Boeing合并）和北美罗克韦尔（North American Rockwell）。

在1969年7月发布的最终报告中，任务规划组列出了ILRV应能够：

1、可执行空间站的常规保障任务

2、执行轨道及发射并且可以回收卫星

3、可以发射携带推进性质的上面级的卫星

4、轨道上推进剂的输送

5、卫星的维修和轨道维持和变动

6、可执行短期的载人飞行任务

在报告中，小组列出了三种ILRV的主要形式：第一种是使用一次性的助推器发射可重复使用的飞行器。第二种是使用一个一级半的构型。第三种则是使用可重复使用的助推器和可重复使用的飞行器。

1969年，尼克松要求进行一项高级研究，空间任务小组（STG，Space Task Group）于1969年9月15日发表了其报告。STG还建议RLV具备以下要点：

1、开发一款成本合理且可用度高的系统

2、运送各类航天器和补给，包括航天员、物资、推进剂、其他航天器、设备或其他火箭级等

3、可以完成美国国防部（DoD）和NASA的绝大多数任务

根据STG的报告，RLV系统将由三部分组成：

1、一种可重复使用的化学燃料航天飞机，在近地轨道附近运行

2、用于将人和设备运送到不同的轨道上，作为月球轨道基地和月球表面之间的运载工具

3、开发核动力推进级，用于在近地轨道向月球轨道、月球轨道、地球同步轨道和深空运送航天器和物资等

但最终RLV的三部分中，只有航天飞机——也便是第一部分造了出来。

绝大多数工程师都支持设计建造一款完全可重复使用的系统，因为他们认为在发射频率上来以后，该系统的成本将会维持在相当低的位置。他们承认，完全可重复使用的系统在技术上要求更高，有更大的开发风险，以及更高的开发成本。但他们认为，如果能够克服这些技术问题，这类系统将更加占据优势。例如，北美罗克韦尔公司（后来称为罗克韦尔国际公司）提出了一种三级系统，即大型助推器和轨道飞行器并捆绑必要的液氧/液氢罐。NASA的“首席设计师”，载人航天器中心的Maxime Faget，提倡一种两级的系统，即在一个更大的可回收助推器上安装一个相对较小的轨道飞行器。两个飞行器都有发动机提供动力，且都有机翼。Maxime Faget的轨道飞行器只能携带很小的有效载荷，类似于如今SSTO和一些空天飞机的设计理念，即多班次，低成本，小容量。

尽管到1971年1月，许多人在权衡开发成本和技术风险后认为，采用外部推进剂罐和三角翼轨道飞行器的部分可重复使用概念可能是整体来讲最佳的选择，但NASA的工程师们仍然没有放弃Faget的概念，直到1971年底。

一个重要的技术问题也导致了放弃可飞回式助推器的设计——其分离速度必须达到3700-4300m/s。要达到这个速度，需要一个巨大的推进剂罐，且需在返回大气时承受极高的热负荷。考虑到当时技术储备不足，加之其严格的规定（4.5m*18m的货舱、27t的近地轨道载荷和18t的范登堡发射的太阳同步轨道载荷等），NASA的工程师们对这个方案越来越没有底气。最终，还是选择了折中的方案，也便是我们所熟知的航天飞机。

振翅翱翔——白罐！

UTC时间1981年4月12日12:00:04，一架“崭新”的航天飞机从肯尼迪航天中心LC-39A工位起飞，拉开了航天飞机“统治”美国载人航天的大幕。

在航天飞机的所有飞行中，只有前两次任务（STS-1与STS-2）使用了白色的推进剂罐（航天飞机的推进剂罐被称之为“航天飞机外部储箱”，即Space Shuttle External Tank，ET），以防止长时间的紫外线照射对储箱的破坏。

但洛克希德很快发现这刷的漆并没有什么实际作用，所以从太空运输系统-3（Space Transportation System，STS）任务开始便撤掉了后续任务的防紫外线漆，外部储箱也随之减轻了272kg，这也便成为了我们所熟知的“橙罐”。

进入太空的飞机——轨道器

航天飞机一共制造过五个具备飞行能力轨道器。它们分别是：

• 亚特兰蒂斯号（Atlantis）

• 挑战者号（Challenger）

• 哥伦比亚号（Columbia）

• 发现号（Discovery）

• 奋进号（Endeavour）

除此之外，还有两架供测试且有完整主体结构的航天飞机：

• 探路者号（Pathfinder）

• 企业号（Enterprise）

其中，探路者号仅用于地面的相关环节的测试，并没有执行过任何离开地面的测试活动。真正的航天飞机飞行鼻祖是企业号（指离开地面进行测试）。

飞行测试先锋——企业号

企业号（Enterprise，编号OV-101）是航天飞机家族中的第一个飞行器，但由于它没有发动机和隔热瓦，所以它并没有轨道级的飞行能力，但除轨道级之外的功能它都具备。

企业号于1974年6月4日开始建造，且最初计划命名为“宪法号”，但由于众多受到《星际迷航》（Star Trek: The Original Series，并不是我们之后所看的电影，而是当时的电视剧）影响的粉丝致信时任美国总统福特，请求以《星际迷航》中NCC-1701的名字——“企业号”来命名这架航天飞机。

1976年9月17日，企业号出厂，《星际迷航》的主创和主要演员也出席了仪式。

此后，企业号的一生便献给了测试，不停的滑翔，不停地着陆，不停的振动试验……

在振动试验之后，企业号本计划进行改装，成为一个真正拥有轨道级飞行能力的轨道器，但是哥伦比亚号出场后，机身设计发生了重大的变化，企业号的改装费用还不如重新造一个新的，因此NASA挑选了另一个不太完整的测试机用来改装成轨道级飞行器——挑战者号。

首次突破大气层——哥伦比亚号

哥伦比亚这个名字来自于1787年至1793年在罗伯特·格雷船长的指挥下探索美国西北太平洋的美国单桅帆船“哥伦比亚号”，也是第一艘完成环球航行的美国船，与阿波罗11号的指挥舱同名。同时，哥伦比亚也是美国的女性象征。

建造完成后，轨道飞行器于1979年3月25日抵达肯尼迪航天中心，为首次发射做准备。哥伦比亚号原定于1979年底发射，但由于RS-25发动机和热保护系统（Thermal Protection System，TPS，也就是我们所说的隔热瓦）的问题，发射日期被推迟。

1981年3月19日，在准备进行地面试验时，工人们在用氮气吹扫哥伦比亚号的发动机舱时窒息，两人（有报道说是三人）死亡。

哥伦比亚号（Columbia，编号OV-102）是第一个进入轨道的航天飞机，首次飞行（STS-1，Space Transportation System-1）在轨约2天6小时21分钟。STS-1原本并不打算让哥伦比亚号直接入轨，而是进行一次紧急终止飞行。即在SRB（Space Shuttle Solid Rocket Booster）脱离后，使用SSME（Space Shuttle Main Engine，便是我们所熟知的RS-25系列发动机）反推航天飞机，使其返回发射场附近的机场跑道。

与其他火箭的首飞任务相似，STS-1也暴露出了众多问题。例如，工程师们低估了SRB点火后带来的冲击波和震动。自那之后，工程师们在发射台上安装了改进版的喷水降噪系统，这一系统也被后来绝大多数火箭发射台所采用【苏联的能源号运载火箭（Energia）也采用了喷水降噪系统（拜科努尔Site 250发射台于1978年开始建造，STS-1任务于1981年进行）】。

除此之外，在入轨后，航天员检查全机时发现哥伦比亚号的轨道机动系统（OMS，Orbital Maneuvering System）隔热瓦有很严重的损坏。为了检查航天飞机的隔热瓦留存情况，USAF还使用锁眼侦察卫星（KH-11 KENNEN）来检查航天飞机的情况（这其实是发射前就决定好的，只有少数的NASA官员知道此事）。

航天员还发现了多处航天飞机的结构损坏，并且发现再入大气时实际情况与之前计算机模拟的情况并不相同，这些问题都在STS-1任务结束后进行了优化和解决。前五次STS任务也都是由哥伦比亚号航天飞机执行的。

可能是有善始者易，有善终者难，哥伦比亚最终没有回到博物馆里受众人仰望——它的生命停留在了STS-107任务中。

哥伦比亚号发射升空81.7秒后，由于外部燃料箱外表面脱落的一块泡沫材料的撞击，导致哥伦比亚号左翼前缘的隔热瓦损坏，这也为哥伦比亚号的终结埋下了伏笔。

2003年2月1日，哥伦比亚号开始按照常规程序返回地球。然而就在美国东部时间上午9点左右，任务控制中心注意到了异常。航天飞机左侧机翼的温度传感器数据消失了。紧接着航天飞机左侧胎压数据也消失了。控制中心随即呼叫哥伦比亚号航天飞机，提醒宇航员注意胎压数据异常。在东部时间8:59:32，指令长哈斯本德回应道：“收到。”但随后通话便突然中断——是的，它解体了。

哥伦比亚号共执行了28次任务，27次成功1次失败，总计飞行时长7218小时，飞行里程约2亿公里（准确数字为201,497,772km），任务列表如下：

因莽撞而被献祭——挑战者号

挑战者（Challenger，编号OV-099）这个名字来自于英国护卫舰“挑战者”号，该护卫舰1872年至1876年进行了全球海洋研究探险，阿波罗17号登月舱也与其同名。

挑战者号经历了11个月的振动测试，并多次经历了标准值1.2倍的测试，工程师们在后续的分析得出结论：挑战者号有着1.4的安全系数冗余，这对于航天来讲是一个非常高的数字了。当时的挑战者机身结构还有很多未安装的部分，但正是由于结构“简陋”，所以对后来的改进内容相当友善，所以最终选择了挑战者号进行改装来进行飞行任务，而不是完成度更高的企业号。

挑战者号和之后建造的轨道飞行器一样，其热防护系统中的隔热瓦比哥伦比亚号更少。后来的这些改进和使用更轻的结构件使挑战者号可以携带的有效载荷比哥伦比亚号多了1.1吨，而且挑战者号的机身和机翼比哥伦比亚号更坚固、更轻。舱口和垂直安定面瓦片图案与其他轨道飞行器不同。挑战者号是第一个具有平视显示器（Head-up Display，HUD）的轨道器，用于任务最后的下降和着陆阶段（飞友应该比较熟悉）。除此之外，挑战者还是第一个配备104%推力RS-25发动机的轨道器。

据气象部门预测，1986年1月28日，气温将创下航天飞机发射的历史新低。夜间-8°C，早上-6°C。在计划发射的时间——当地时间上午9点38分为-3°C。 

在基于之前更为温暖的发射中O形环的效果衰减情况下（O-ring，航天飞机固体助推器的重要组件之一，用于将分段式固体助推器进行“拼合”，组成一条完整的航天飞机固体助推器）（早在1977年设计团队就说明O形环在低温条件下可能会有失效的风险），莫顿·锡奥科尔的工程师们担心如此低温可能会对固体助推器（Solid Rocket booster，SRB）的O型环的密封效果产生影响。

Morton Thiokol，航天飞机固体助推器承包商，前身为Thiokol，后变为Cordant Technologies，然后衍变顺序为Thiokol Propulsion→Alcoa Industrial Components Group（AIC）→，Alliant Techsystems（ATK）→ATK Thioko→ATK Launch Systems Group，然后就是我们所熟知的合并企业Orbital ATK，目前已被诺斯洛普·格鲁曼（Northrop Grumman）收购变为诺斯洛普·格鲁曼先进研究部（Northrop Grumman Innovation Systems）.这家公司创造出了非常多的经典作品，例如世界上第一款固体燃料导弹TX-18猎鹰，民兵洲际弹道导弹，火星探路者号的着陆气囊，三叉戟一级推进系统Castor系列固体推进级，以及我们所熟知的航天飞机固体助推器（Sapce Shuttle Solid Rocket Booster，SSSRB，后来的改进型便是我们熟知的Redesigned Solid Rocket Motor，RSRM）

27日晚召开的电话会议上，莫顿·锡奥科尔的工程师们直接提出了他们无法确保SRB在12℃以下的密封效果，并提议什么时候气温上升到12℃以上时再发射。

但是莫顿·锡奥科尔的管理层在后来改变了看法，领导层们认为他们没有尝试过12℃以下时的情况，但是他们认为O形环设计余量很充足，可以进行发射。而后来NASA的SRB项目经理和NASA任务项目小组组长在讨论时，甚至没有继续讨论O形环的问题，并一致同意继续发射。

第二天准备发射时，他们检测发现这两条SRB的温度分别为-4℃和-13℃，发射台上也结满了冰。此时罗克韦尔的工程师也提出了异议，他们担心这些结的冰可能会损坏轨道器的隔热瓦，并有可能吸入其中一台RS-25发动机中。但是在约翰逊航天中心的工程师们认为这点冰不会对发射产生威胁，他们决定继续执行发射程序——这是一个死亡航班！

起飞时，右侧助推器冒出了九股浓烟——此时连接处已经发生了泄露。但由于SRB已经点火，高温导致固体推进剂中的氧化铝迅速融化并填补了泄漏点，后续没有类似的浓烟冒出了。

起飞58.888秒，强大的动压摧毁了氧化铝形成的临时屏障（最大空气动压在发射后59秒，最大空气动压，MAX-Q），此时火光开始从缝隙中喷出，随之右侧SRB的压力开始骤降。

RS-25发动机开始矢量摆动，补救右侧助推器缺失的推力，稳定系统的姿态。好在RS-25的矢量能力非常强（TVC支持11°的摆动），挑战者并没有因为姿态涣散导致解体。起飞后66.764秒，液氢储箱的压力开始下降——外部储箱的液氢罐被SRB喷射出的火焰烧穿了。但机组人员和飞控工程师们都没有察觉到异常，只是发现RS-25的推力已经提升至极限的104%，地面告诉机组RS-25已经全功率运行，这也是挑战者最后一次和地面进行通讯。后续不用多言，是的，结束了。航天，有时候硬着头皮上是行不通的……

在此次事故后，SRB被重新设计，成为RSRM，其所有的改动都是根据本次事故中暴露出的问题进行针对性升级的。其相同情况的故障概率降低了85%。RSRM于1987年8月30日进行了首次测试。1988年4月和8月进行了专项故障测试，目的便是针对挑战者的事故环境。测试表明RSRM安全性良好，没有发生故障。

其实，当时并不是只有RSRM这一个新的固体助推器概念。ASRM（Advanced Solid Rocket Booster，先进固体助推器）也被提上了日程。ASRM是一个一体式固体助推器，而不像以前的SSSRB和RSRM一样是分段式固体助推器。但是由于其研发成本过高，NASA没有再继续支持这个项目，ASRM随之夭折，RSRM最终研发成功并投入使用。

除了SRB，RS-25在紧急中止情况下允许将推力提升至109%。起落架也进行了升级，以提高其转向和操纵性。NASA还增加了一种逃生方案：宇航员将打开侧舱门，并将一根杆子伸出轨道器，沿杆滑下，避免在启动降落伞之前撞上轨道器。软件也经过了修改，以保证在所有机组人员逃生的同时保持系统稳定飞行，不会突然改变姿态（但这种逃生方法无法拯救挑战者的机组人员）。

挑战者号共执行了10次任务，9次成功1次失败，总计飞行时长1496小时，飞行里程约4000万公里（准确数字为41,527,414km），任务列表如下：

勤劳的“打工人”——发现号

发现号（Discovery，编号OV-103）是第三个制造下线的航天飞机。它是所有航天飞机中在轨时间最长的航天飞机（达到8783小时），也是发射次数最多的航天飞机（共39次）。与它的前辈一样，发现号的名字也是来源于之前的探险船。

从发现号开始，后面的这三架航天飞机就没有出现过致命事故了。作为第三架航天飞机，其内部结构等均做了优化改善，其干质量也从哥伦比亚的81.6吨成功减重至78吨。发现号一生执行过相当多的重大任务，包括哈勃望远镜的发射与其中一次在轨抢修，航天飞机与俄罗斯和平号空间站的首次对接。发现号原本将成为USAF的专用航天飞机，并准备在范登堡空军基地执行发射任务。但是由于挑战者的事故，这个计划也未能实施，范登堡空军基地也从未发射过航天飞机。

发现号共执行了39次任务，全部成功，总计飞行时长8783小时，飞行里程约2.4亿公里（准确数字为238,539,663km），任务列表如下：

东拼西凑的“替补”——奋进号

NASA在丢失了挑战者后，航天飞机的数量无法支撑起较为频繁的发射次数，所以NASA决定再搞一架航天飞机“玩玩”。NASA曾经考虑把企业号进行改装然后投入实际的飞行当中，但没办法，财力不允许，所以他们选择了更便宜的方案——使用发现号和亚特兰蒂斯号的备用零件再“拼”出来一个航天飞机用——奋进号（Endeavor，编号OV-105）诞生了。由于建造较晚，奋进号的许多硬件也得到了升级，比如：

1、新的直径为12m的减速伞让滑行距离从原本的910米降低至了610米。

2、最长任务时间增至28天，尽管没有任何一次任务达到如此长的时间（最长的单次在轨任务是由哥伦比亚号执行的，为期17天）。

3、航电系统全面升级，APU和前轮的转向系统也像之前介绍的那样得到了升级

4、（2005-2006后期型改进）停泊电力传输系统进行改进，使其可以在国际空间站多停泊3-4天。

奋进号共执行了25次任务，全部成功，总计飞行时长7179小时，飞行里程约2亿公里（准确数字为197,761,262km），任务列表如下：

见证“太阳”的落山——亚特兰蒂斯号

亚特兰蒂斯（Atlantis，编号OV-104）是NASA建造的第四个航天飞机，共执行了33次任务，全部成功，总计飞行时长7358小时，飞行里程约2亿公里（准确数字为202,673,974km），任务列表如下：

航天飞机运载能力

最大LEO（204 km，28.45°）：27.5t

（轨道高度每增加1km，运力平均下降25kg，五人以上乘组每增加一人运力平均下降230kg）

最大LEO-ISS（204 km，57°）：16.05t

（57°是航天飞机允许的最高直线方向发射倾角，狗腿机动则允许更高的倾角，但是会损失运力）

最大GTO（使用IUS惯性上面级）：10.89t

最大GEO（使用IUS惯性上面级）：2.27t

最大SSO（204 km，98°，使用先进助推器，范登堡空军基地起飞，从未实施）：13.426t

Molniya（925 x 39,450 km，63°，使用IUS惯性上面级，停泊轨道222km，57°）: 3.563t

突破大气动力之源——航天飞机固体助推器

（Space Shuttle Solid Rocket Booster，SSSRB）

（为避免和SRB概念混淆，并考虑到RSRM是后期开始启用的，前期为SRM，所以本文全部把航天飞机固体助推器称为SSSRB，即加上Space Shuttle的缩写以便区分）

SSSRB是世界上第一款可以重复使用的固体助推器，截至目前第二大的固体助推器（第一大的是SLS使用的固体助推器，其实是基于SSSRB升级改良的产物）。两根SSSRB为航天飞机提供了起飞时的绝大部分推力，并且拥有至少20次的重复使用能力。

SSSRB由复合功能整流罩（包括鼻锥罩、截锥段和前裙段）、推力段（共四段）、外部储箱连接环、后座环、后裙段和电缆道组成。 

SSSRB的基础数据如下（以下数据均为单根SSSRB）：

长度: 45.46m

直径: 3.71m

干质量: 82.879t

推进剂质量: 504t

装填系数：0.884

推进剂种类: TB-H1148 HB聚合物。具体为：氧化剂（69.93%高氯酸铵），燃料（16%铝粉 ），催化剂（0.07%氧化铁）、 黏结剂（12%多聚物），固化剂（1.96%环氧树脂）

平均推力：1130t

最大推力: 1468t

燃烧时间: 124s

TVC:液压TVC，最大8°偏转

分离: 主燃烧阶段结束后，此时高度大约为45km，压力下降至3.4bar（所有SRB在末段时推力会急剧下降，但是SRB内仍会有少量固体混合物没有燃烧完全，会产生小的剩余推力。这些剩余推力对于整个火箭发射过程来讲是“累赘”，不如尽早抛弃，所以一般在SRB推力骤降后分离助推器）

溅落降落伞：41m直径降落伞*3

分离固体发动机: 共8台，总质量73kg，其中HTPB推进剂34.5kg，燃烧时间0.8s，平均推力8.26t，最大推力12.95t

在实际的发射活动当中，SRB并不会一直维持某一个推力保持不变，而是呈现曲线变化，这是由内部装药形状决定的，是提前设置好的推力变化。但无论是哪一家的SRB，通常都会呈现出以下几个特点：首先，起飞瞬间并不会将推力顶至最大值，而是保持一个较大的水准，这是在保证一定起飞推重比的情况下尽可能地减少对发射台的损坏。在离开发射台后，SRB的推力将基本顶到最大值并维持一段时间。在接近MAX-Q时，SRB的推力会逐渐降低，从而降低火箭在MAX-Q时的动压负载（MAX-Q是火箭在发射过程中经历的最大动压点，火箭从发射开始速度一直增加，空气阻力不断增大，但是随着高度的增加，空气越来越稀薄，所以会有一点达到最大，然后空气阻力再逐渐减小，这个点就是MAX-Q）。通过MAX-Q后，SRB的推力会回升，但是不会恢复到最大推力，因为要避免火箭承受过高的负载，这一点在载人任务中更为重要。然后再逐渐降低推力，直到燃烧结束。

SSSRB分离系统由连接释放机构、分离发动机、分离电子系统及各种传感器组成。固体助推器连接释放机构由8个连接结构和8个分离螺栓组成，每台助推器各4组。

SSSRB的前部4台分离发动机安装在截锥体靠轨道飞行器的一侧。发动机防热罩保证航天飞机上升段热气流不灌入喷管冲击推进剂，以防发动机自燃点火。此外，防热罩还必须保证分离发动机点火时无微粒射流影响轨道航天飞机的隔热瓦。

相比之下，尾部分离发动机防护装置要简单得多（因为不需要考虑保护隔热瓦的事了）。由于尾部分离发动机位于尾裙支撑柱部位，所以有3台发动机位于支撑柱的一侧，另一台位于另一侧。

SSSRB遵循了模块化设计原则，相同的模块可以相互搭配使用。其中，从第一节推力段到第四节推力段的长度分别为8.32m，8.13m，8.13m，12.65m，所以不同的SSSRB第一段可以互用，第二段和第三段可以互用，第四段可以互用，具体如下图所示。

SSSRB前端内部呈十一角星形装药，中部和尾部呈常规柱形装药。每次会用同一批药去灌注两个对应的推力段（比如左边SSSRB的第一段和右边SSSRB第一段用的是同一批生产的药），这样可以最大限度保证左右SSSRB提供的推力是平衡的。

SSSRB的喷管挠性接头由天然橡胶弹性体和钢质垫片夹层以及前、后端框组成。10层金属填片、11层弹性体和端框热粘在一起，喷管膨胀比为7.16。

SSSRB喷管装配了TVC，其各向摆动角度为8°，液压TVC支点在其尾裙上，连接点和所处位置如图所示。

在大约47km高度时，SSSRB分离，此时的速度可以达到约1300m/s，然后，SSSRB的达到约70km的最高点后（此时速度约为1100m/s），开始下降过程。当达到13km高度时，SSSRB开始高攻角再入，此时其速度会开始大幅降低。当高度大约为4.8km时，头锥分离，并引出引导伞，紧接着将会引出副伞。

当高度下降到约1700m时，副伞抛离，牵引主伞，主伞在距离海面640m时展开，并在340m时抛离喷管延长段，随后降落至海面。

SSSRB在进行回收时，有一个小细节是：在SSSRB即将溅落时，喷管的一部分将会分离。

这是因为在发射时，喷管的长度是大于尾裙的。所以如果要溅落的话，那么喷管是首先接触水面并承力，这对于后面SSSRB的维修保养非常不利。但是抛掉长于尾裙的喷管后，承力就由尾裙承担了。尾裙基本都是钢构件，造价更为便宜，所以更有利于维护和复用。

在经历清理，维护，重新装药的步骤后，这些固推焕然一新，准备用于下一次的发射。

SSSRB不仅用于航天飞机，还用在了战神1-X运载火箭的一级上（Ares I-X），后来SLS的固体助推器基于SSSRB进行研发，产出了五段式固体助推器。在SLS的首次飞行中，其固体助推器绝大多数节段都是STS所使用过的。

由于先进助推器计划本推迟到了30年代中期，SLS Block.2研制希望越来越小，所以NASA选择让诺斯罗普·格鲁曼对目前SLS使用的五段式固体助推器再升级，从而提升SLS Block.1b的运载能力和性价比，说明SSSRB的遗产仍会继承下去。

SSSRB拥有一套完整的自毁系统，共3套：2枚助推器各1套 ，外部储箱拥有1套。且系统只接收地面发来的2种指令——允爆和起爆。当启动自毁程序时，发出的第1个指令是“允爆”,此时驾驶舱显示灯亮，第2个才是“起爆”指令。

暴力橙罐——外部储箱

（External Tank，ET）

ET是一个经过了持续高度优化的STS部件，是整个STS发射时的核心，为STS的三台RS-25发动机提供推进剂。ET由NASA和洛克希德·马丁的工程师共同完成设计与制造（Lockheed Martin，LM，世界上最大的国防承包商，也是ET的制造承包商）。

ET的具体参数如下：

长度：46.88m

直径：8.4m

最终干质量: 26.33t

上部储箱：液氧

下部储箱：液氢

推进剂质量：~735t

储箱压力：液氢储箱3bar，液氧储箱1.4bar

保温层：2.5cm聚氨酯泡沫

加压策略：发动机产生的低温气态氢和低温气态氧分别加压液氢储箱和液氧储箱

液氧储箱数据：

高度：16.6 m

直径：8.4 m

容积：553.358m³

发射可容液氧质量：629.34t

储箱压力：1.4bar

级间段数据：

高度：6.9 m

直径：8.4 m

液氢储箱数据：

高度：29.6 m

直径：8.4 m

容积：1497.44m³

发射可容液氧质量：106.261t

储箱压力：1.4bar

RS-25所用的所有推进剂均储存在ET中。当RS-25关机后，ET再入大气时解体燃烧，极少数的残骸会溅落于远洋中。为了防止给近地轨道留下巨大的太空垃圾（ET的长度足足和一枚阿丽亚娜5相当，而其直径甚至达到了8.4m，如果留在轨道中，那毋庸置疑会是近地轨道的巨大定时炸弹），航天飞机被设计为了亚轨道→入轨的模式。当RS-25熄火时，此时轨道器还没有进入真正的近地轨道，而是一个亚轨道（其近地点仍然在大气层内，但是已经非常接近入轨了），此时ET与航天飞机分离，那么ET顺理成章地会掉落到大气层内燃烧解体。当到达最高点时，轨道机动系统（Orbital Maneuvering System，OMS）将会点火，“稍微”推动一下就可以让轨道器入轨。这一套操作理念被NASA延续到了SLS上：SLS在一级的RS-25熄火并分离时，仍然处于一个亚轨道，需要让上面级再启动发动机，才能让上面级和载荷进入轨道。尽管分离时一级仍然有一些推进剂（这些推进剂甚至允许SLS Block.1不启动ICPS就可以入轨），造成了运力的损失，但是NASA并不允许航天飞机和SLS制造出如此巨大的太空垃圾。

由于ET是STS唯一的消耗性部件，因此其设计理念是尽量减少活动组件，并减少高价值组件，将所有的动力组件、加压组件和吹洗组件全部集成到了可重复使用的轨道飞行器和地面设施上，从而减少航天飞机的发射费用。ET上所有的操作都通过线缆连接到了轨道飞行器上，由轨道飞行器进行控制。液氢和液氧储箱中都装有防涡流挡板，从而最大化地利用推进剂（ET按照103%设计储箱容量，也就是说ET拥有3%的推进剂冗余，从而应对推进级泄露、管路推进剂剩余无法利用、发动机故障等异常情况）。

ET经历了几次重大的设计迭代，以满足STS的各种任务要求和任务种类。自航天飞机首飞以来，ET的设计发生了几次重大变化，共有三个版本，但其三维和结构方面并没有巨大的重做，他们主要的区别是材料的不同，随着不断的升级，ET也越来越轻。重点是提高有效载荷质量，并减少其制造所用的时间，提高稳定性。首先进行飞行的是标准重量储罐（Standard Weight Tank，SWT，有时也被称之为重型储罐，Heavy Weight Tank，HWT，HWT这个名字是相对于后面的两款储罐而言的），SWT共飞行了6次，质量为35t，SWT后续又进行了结构验证测试，为未来更轻的ET打下了坚实的基础。SWT使用了非常保守的加工工艺和材料，其工艺是从Saturn 1C上传承下来的，这种工艺在Titan II、Titan III运载火箭上也曾使用。但其修改了部分操作，使焊接更加容易、简便。但由于一些规定（比如：强制性要求使用普通储箱并带有级间段，让级间段与SSSRB连接以应对SSSRB带来的巨大推力，这一点在之前“如何绑助推”的科普视频中讲过；强制性要求液氧储箱在上，液氢储箱在下以调整整个发射系统的重心），ET的减重工作就被限制到了材料和结构上。通过减少组件数量，调整材料种类与厚度实现了ET重量的减轻。ET的轻量化对航天飞机的有效运力是至关重要的。上文中我们说到，“当RS-25熄火时，此时轨道器还没有进入真正的近地轨道，而是一个亚轨道，ET与轨道器的近地点仍然在大气层内，但是已经非常接近入轨了”。所以，ET每减少1kg，航天飞机的LEO运力就会增加大约1kg，他们是接近1:1的关系（准确来讲不到1:1，因为最后的入轨还需要OMS推一下，橙罐不是一直在发射过程中的，在临近终点时被分离）。

对于火箭来讲，有一个“死重”概念。死重，往往指的是火箭级的干质量，这一理念需要和运力优化这个话题一起讨论。我们举一个简单的理想化例子：现在有一款火箭发射载荷，其为两级构型，一级干重30t，二级干重3t，其LEO运力为20t（其实这个数据就是猎鹰九号的干质量大约数，只不过为了好算全部取整）。我们知道火箭的二级要和有效载荷一起进入目标轨道，我们假设则个目标轨道为LEO。那么满载情况下，进入LEO推进剂会全部消耗完毕，此时20t的有效载荷和二级一起在轨道上，然后分离，任务结束，此时这个LEO轨道上的质量为20t+3t=23t（有效载荷质量和二级质量）。但是我们如果把二级进行优化，将其干质量缩减到2t，由于火箭推进剂和发动机等没有改变，那么提供的总Δv是一样的，那么它同样还是可以把23t的质量送到这个LEO轨道，与前面相同，这个23t包括了有效载荷质量和二级质量。现在二级质量从3t变为了2t，那么有效载荷就可以从20t增长为21t，而减去的这些火箭级重量就是前面所说的“死重”。一般来讲，越靠后分离的火箭级其死重比就越接近1:1，而越靠近起飞级则越远离1:1。举个例子，Vulcan的二级连接着载荷，理所应当二级死重和有效载荷的比值就必然为1:1，也就是二级每减少1kg，LEO有效载荷质量就会增加1kg。但是其一级死重与有效载荷比为7:1，也就是说，一级每减少7kg，其LEO有效载荷运力才会增长1kg，因为其一级只参与了发射过程中的一段，而二级是一直伴随着有效载荷的。但是要注意的是，末级永远与载荷是1:1的关系，无论是哪个轨道，因为末级永远会与有效载荷走完全程。但是前面的火箭级就不一定了。还是拿火神举例子（以下仅为理想情况，数据仅为好理解而虚构的，不是官方给出），假如LEO发射过程中，一级占2/3，但是打GTO时，由于发射过程被大大拉长，一级占的可能会降至1/2，也就是说一级的占比更少了。那么就不再是7:1的关系了，可能会升至10:1，也就是一级每减少10kg，GTO的运力才会增加1kg。

在飞行六次后，NASA和LM为STS推出了新的ET——轻量化储箱（Light Weight Tank，LWT）。其实LWT在航天飞机首飞前就开始设计了，这是因为伽利略任务需要STS拥有更强的运力。最终，LWT的重量降低了大约5t，达到了30t。在此次迭代中，为了防止低温状态下液氧储罐的形变，液氧储箱新增了很多保护层，这也使结构重量减轻的部分又被加了回来，所以重量基本没有变化，但大大减少了焊接的长度，更利于制造和加工。级间段结构进行大幅调整，大大减少冗杂结构，减少冗余，使重量减少了约一吨半。液氢储箱减少了防晃板的数量并优化了结构设计，使重量减少了约三吨。除此之外，管线和结构也被优化，减少了约半吨的重量。

接下来，国际空间站被提上日程，STS被选为建造国际空间站的主力，所以又对ET提出了新的要求——继续减重，从而让STS拥有更强大的运力来运输国际空间站的舱段和桁架结构。 ET由此迎来了自己的第三个大版本——超轻储箱（Super Light Weight Tank，SLWT）。SLWT大量使用了新的2195铝合金来代替之前使用的市售2219铝合金，并随着结构的优化，SLWT的重量也下降至了26.5t，比LWT还轻了3.5t。还有一个冷知识是，F9和FH用的也是2195铝合金，这也使其拥有相当强大的干质比系数。

液氧储箱和液氢储箱下部都有管路来将推进剂输送至RS-25发动机，这一点与普通的柱状储箱是一样的。只不过它更复杂，因为推进剂要从ET经过管线转移至RS-25。

每个储箱的前端设有泄压阀。此双功能阀门在发射前由地面氦气打开进行排气，清除储箱内的其他气体。飞行中在液氢压力达1.648bar、液氧压力达2.471bar时，泄压阀也会打开。液氢储箱前端的是一个翻转排气阀门。分离时阀门也会打开，里面剩余气体会喷出，从而辅助ET与轨道器的分离，并提供更有利的再入气动控制。发射前液氧储箱的排气口由发射塔摆动臂上的盖帽罩住，吸去液氧蒸气以防止储箱结冰。倒数计时T-2mins时盖帽将会抬起，摆臂也将会收回。

【全文完】

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