NASA的Marshall太空实验室再利用研究

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  1973年5月14日,最后一次发射的土星5号,指定的SA-513将太空实验室轨道工作站送入距离地球435米高的轨道内。随后飞行控制人员很快就意识到100吨重的太空实验室在飞行中遇到了麻烦。太空实验室进入到浓密云层,因为在其快速上升的大部分时间内无法捕捉其影像,所以飞行控制人员对于麻烦毫无察觉。就这样带有设计缺陷的运载火箭在发射了63秒后,太空实验室的流星盾从主体剥离开来。流星盾的碎片落下时卡在了空间站两大主要发电的太阳能电池板其中的一块上。另一块太阳能电池板仍然连接在太空实验室一侧的铰链端(前端)。
  流星盾碎片撞击着SA-513,在连接空间站S-II第二阶段的锥形级间适配器上至少撕裂开了一个口子。同样还造成了用于分离开连接S-II到S-IC第一阶段的圆柱形适配器的系统损坏。原本在S-IC燃料耗尽之后就将快速分离的适配器仍旧顽固地全程附着在S-II上进入了轨道。
  S-II的5号J-2引擎关闭后,前向的固体燃料火箭点燃喷甩掉燃料已经耗尽的火箭级,使其太空实验室剥离开来。燃烧产生的烟柱喷开并撕下了已经松动的那一块太阳能电池板。具有讽刺意味的是,被卡住的另一个太阳能电池板可能正因为紧紧地卡住了流星盾而得以幸存下来。
  没有了反光流星盾的保护,太空实验室11303立方英尺的加压体积内温度迅速升高,人们担心实验室内的空气因为火箭材料的出气而受污染,胶卷因此受到损坏,食物变质。与此同时,用来冷却太空实验室内部温度的操控即将耗尽电能,因为他们远离太阳。阿波罗望远镜装置上的4个“风力涡轮”太阳能电池板成了处于困境中的太空实验室唯一可以正常运行的电力来源。
  NASA立即采取了太空实验室救援措施。工程师研发出可展开的太阳盾和用于分离被卡住的太阳能电池主板的工具。飞行控制人员仔细操控太空实验室以求将ATM电池板可生产的电能最大化,同时尽可能降低火箭的温度。原本登入太空实验室(由NASA指定的2号太空实验室)的第一批全体成员立即受训成为轨道空间站的修理工。
  5月25日,2号太空实验室的机组成员皮特·康拉德(Pete Conrad)、保罗·维兹(Paul Weitz)和乔·科尔文(Joe Kerwin)在搭载土星IB火箭发射下,乘坐阿波罗指挥与服务舱(CSM)进入太空。在试图用开着的CSM舱口延伸出来的钩子拉开那个幸存下来的太阳能电池主板失败后,他们停靠并进入了太空实验室,通过实验气闸展开了太阳盾。温度开始下降,但空间站仍缺乏电力。7月,康拉德和科尔文成功展开了存留下来的那个主太阳能电池板,这一举不仅挽回了他们自己28天的太空计划,还拯救了59天的3号太空实验室和84天的4号太空实验室的太空使命。
  3号太空实验室成员艾伦·宾(Alan Bean)、杰克·洛斯马(Jack Lousma)和欧文·加里欧特(Owen Garriott)于7月28号发射上空。在他们8月6号的太空作业中,洛斯马和加里欧特展开了一个改良过的太阳盾。4号天空实验室成员杰瑞·卡尔(Jerry Carr)、威廉·波格(William Pogue)和艾德·吉布森(Ed Gibson)于11月16号登入实验室。卡尔和吉布森于2月3号的太空作业中在ATM支柱上安装了一个流星收集器,希望在1979年早期由另一名航天飞机成员将其收回。1974年2月8日4号太空实验室成员离开与空间站,可能大气阻力会致使实验室坠落回地球,但人们仍然希望天空实验室可以一直运行到1983年。他们一行离开时只是将太空实验室的气闸舱口关上并未锁定,这样可以方便未来的空间站参观者进入。
  1977年6月10日,前太空实验室副主任,时任NASA先进计划总监的约翰·迪施尔(John Disher)管理着位于美国亚拉巴马州汉斯维尔市的NASA马歇尔航天飞行中心(MSFC),在一项航天飞行计划里,他开展了一次重新使用太空实验室可行性的内部研究。1977年11月16日,MSFC工程师墨菲(J. Murphy)、丘博(B. Chubb)和吉耶洛(H. Gierow)向NASA太空飞行副署长约翰·亚德里(John Yardley)上报了有关研究的成果。1974年在效力于NASA之前,亚德里曾在空间站主要承包商麦道公司(McDonnell Douglas)太空实验室组装部担任管理一职。
  MSFC工程师首先评估了太空实验室的条件。他们在报告中指出,当4号太空实验室成员返回地球时,空间站内的供水系统还存有1930磅的水(足以满足3人60天的使用)。那些水可能还适合饮用,但是口感可能已经变坏了。如果已经不能饮用,可以将其用于洗澡。无论如何,太空实验室的供水系统都含有补给点,所以如果可以研发出水转印设备,一名航天飞行成员就可以对空间站的水进行补充。
  据MSFC工程师的估计,太空实验室存留下来的氧气或是氮气可能足够供应3人在每平方英尺重达5磅的太空实验室的工作压力下使用140天。通风设备和二氧化碳去除系统几乎可以肯定还在运行中。即使没有,它们最重要的部件按照设计是可以在太空中进行置换的。
  MSFC工程师还评估了太空实验室的电力系统。由康拉德和科尔文展开的太阳能电池主板,据估计可产生1.5至2.5千瓦的电力,那些充过点的电池位于太空实验室气闸舱内,可能还可以使用。另一方面ATM电池板的电池肯定几乎都冻住了。工程师们建议在第一次航天飞机拜访前,地面控制人员可以激活电池主板的电力系统,而恢复ATM的电力系统还有待日后努力。
  比起恢复电力系统更困难的是姿态控制系统,它依赖于三个控制力矩陀螺(CMGs)来调整太空实验室的朝向,这样一来在其他的系统一起控制中,它可以将太阳能电池板转向太阳。其中一个CMG已经失灵,另一个有即将发生故障的迹象。此外,太空实验室的指导计算机在遭受了“极端热循环”后可能已经不能工作了。另一方面,空间站的推力器系统可能还有30天的推进剂剩余量以供正常运转。   最后,MSFC团队又将评估目光转向太空实验室的冷却系统,当宇航员登陆时冷却系统就已泄露,自从最后一批航天员返回地球后,冷却系统可能已经冻住并破裂了。自从研究太空实验室可重用性以来,他们对此称之为“冷却系统的最可疑区”,但又补充道:“任何空中‘修复’都最好是在船员们能力所及的范围之内发生。”
  MSFC的工程师们随后为重新激活和使用太空实验室提出了一个具有四项阶段的计划。第一阶段的第一个里程碑的目标日期已经过去了,他们向亚德里简要介绍道:“他们呼吁1977年10月决定是否重新启动并提升太空实验室到更高的轨道上去,延长其轨道寿命至1990年,或者将其减压以使太空实验室坠落到无人区。
  假设NASA决定重新启动太空实验室,那么就将在1978年6月至1979年3月进行一次地面重新激活测试。如果重新激活测试成功,那么在1980年2月航天飞机计划的第五次轨道飞行试验中,航天飞机轨道器将与太空实验室会合。轨道器将进行一次饶飞轨道检查,然后从它的有效载荷舱中部署一架无人驾驶的遥控太空船。利用航天飞机的控制板,宇航员将操纵载有阿波罗型号的探测对接装置的遥控操作器,与太空实验室多种对接适配器的前对接口进行对接。对接后,遥控操作器点燃推进器以此带动提升太空实验室的轨道。完成后,遥控操作器自行分离,解开前对接口为MSFC计划的第二阶段准备。
  当NASA准备开始研发太空实验室维修装备、一个10英尺长的对接适配器(DA)和一个25千瓦功率的模块(PM)的时候,计划中的第二阶段就于1980年3月开始启动。DA一头是阿波罗型号的探测对接装置,为的是与太空实验室前接口进行对接,另一头是Apollo-Soyuz-type的中性装置以便航天飞机轨道器和PM都可以对接。
  第一组维修装备和DA于1982年1月到达已有航天飞机轨道器登陆的太空实验室。在执行相同任务期间,太空作业的航天飞机宇航员将折叠4个ATM太阳能电池阵列中的两个,为的是留出更多的间隙以便进入轨道器并找回4号太空实验室成员以前留在ATM上的流星实验装置。
  第二次派遣航天飞机于1983年8月进行,此次将带去额外的维修装备用于修理太空实验室损坏的冷却系统的水管装置。如果时间允许的话,第二阶段成员还将在太空实验室舱内实施没有明确界限的“简单被动实验”,并收集一些实验室装备的样本回地球后研究。
  第三阶段于1984年3月开始,MSFC工程师告诉亚德里此阶段将把PM和剩下的其他任何维修装备送往太空。利用航天飞机远程操作系统机器手臂,宇航员可以从轨道飞行器的有效载荷舱举起PM,并旋转180°,这样向前突起的部位就正好在轨道飞行器的前部。他们将PM三个中性对接装置中的一个对接到位于轨道飞行器有效载荷舱前方的一个相同的对接装置上,航天飞机再用另一个PM的对接装置对接上太空实验室的DA。与太空实验室对接后,宇航员将部署PM的一对太阳能电池板和热辐射器,通过开放窗口延伸过来的电缆连接太空实验室的系统,或者在太空作业期间安装在船体上,给PM三个CMG通上电,用来取代太空实验室中受创的姿态控制系统。然后轨道飞行器将与PM解开对接,使其永久地留在太空实验室上,NASA届时就可对外宣布轨道工作站已经恢复使用并已进行了扩展,非常适合人类居住。
  第三阶段将继续在太空实验室执行为期30至90天的任务。在此期间,一架货物舱内载有空间实验室航天舱的航天飞机轨道飞行器将保持与轨道工作站的对接。宇航员将在航天舱内工作,利用太空实验室的大型加压体积空间来实施“简单实验”,这个实验的空间要求非常大,航天飞机和太空实验室都无法满足的。(比如初级空间建造实验),开始食物、胶卷、衣服和其他太空实验室所需物品的储备。另一个为期30至90天的任务是宇航员进行维修和应用选定的太空实验室的科学实验,基于太空实验室的实验设计,安装新的设备和增加更多的库存。这些任务之间,改进过的新的太空实验室将会进行无人驾驶的太空飞行。
  MSFC工程师们告诉亚德里没有空间实验室航空舱的航天飞机轨道飞行器的有效载荷舱内,可以为一组太空实验室的机组成员所提供的体积总共只有1110立方英尺。加上空间实验室的空间,体积将增至近5100立方英尺。然而这比太空实验室的加压体积空间的一半还要少。将航天飞机轨道飞行器、空间实验室航空舱和太空实验室的体积加在一起,全体成员可使用的总体积将会超过16400立方英尺。
  他们并没有具体说明到了1986年中期当第四阶段开始时,会使用的是什么样的太空实验室,虽然他们确实提供了非常吸引人的各种可能。比如,航天飞机轨道飞行器可能将空间实验室航空舱和实验板与PM上的第三个对接口相接。航天飞机的一个外部燃料箱可能加入到太空实验室,作为使用移动“太空起重机”的大型空间建设的强力背材。这些实验包括建造大型太空电源模块或是多波束天线。可能在空间实验室内组装一个新的“地面”,使其可以容纳9名宇航员。随着NASA对恢复太空实验室运行条件越来越有自信,没有航天飞行轨道器伴随的载人太空实验室计划可能要开始了,这将导致太空实验室永久性的载人飞行和“主要空间操作的支持”。
  MSFC的工程师并没有预估他们计划中第一阶段和第四阶段的花费,虽然他们为第二阶段和第三阶段进行了(可能乐观地)价格估算。在他们的预估中并不包括航天飞机的运输费用和承包商进行建造研究的费用。1980的财政年度(FY)里,NASA预计分别在第二和第三阶段花费$200万美金。到了1981年的财政年度里,第二阶段的费用已经攀升至500万美金,第三阶段上升到340万美金。1982年的财政年度也是该计划费用到达顶峰的一年,第二阶段需要450万美金,第三阶段需要花费一千两百万美金。1983年的财政年度里NASA预计花费250万美金来结束第二阶段,120万美金继续第三阶段。接下来的一年将在第三阶段花费910万美金。1985年财政年度将花费450万美金结束第三阶段的工程。第二阶段总计花费达1400万美金,而更加宏大的第三阶段总计费用达4120万美金,也就是说第二阶段和第三阶段一起要花费5520万美金。
  MSFC此份对亚德里的陈述报告中包括了1978年财政年度中呼吁进行更多的内部研究和工程承包商的建造研究。麦道公司和Martin Marietta公司随后开始了更多具体的太空实验室调查,前者是在德克萨斯州的休斯顿NASA约翰逊空间中心的监督之下进行的,后者则受监督于MSFC。在即将上传的帖子中会讨论麦道公司和Martin Marietta公司二人的调查研究。(编辑:杨磊)
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