太空梭外儲箱

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更新時間: 2013-12-04

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太空梭外儲箱(Space Shuttle External Tank,簡稱ET)是太空梭用來儲存液氫和液氧的附加組件。太空梭發射升空期間,由外儲箱為三台太空梭主發動機提供加壓氧化劑和燃料。外儲箱在主發動機停車后10秒就被拋棄,重新進入大氣層。與太空梭固體助推器不同,外儲箱是一次性的,在落入印度洋(按目前的直接附著發射軌跡是落入太平洋)前就已碎裂以防止影響已知航線。

太空梭外儲箱 -簡介
太空梭外儲箱天飛機外儲箱

外儲箱在太空梭發射時充當固體助推器和軌道器的支撐和連接結構。外儲箱與每個助推器通過前端的一個附著點(即貫穿中間層的橫樑)和一個尾部支架連接。它與軌道器通過一個前端雙腳連接點和兩個尾端雙腳連接點相連。在尾部區域,還有供外儲箱和軌道器進行液體,氣體,電信號和電力流通的臍帶管。軌道器與助推器之間的電信號和控制信號也通過這條管線傳輸。

外儲箱是太空梭最大組件,裝在推進劑后也是最重的組件。

太空梭外儲箱 -發展演變

標準重外儲箱

太空梭外儲箱STS-1起飛,前兩次太空梭發射時外儲箱被刷成白色,從STS-3起,不再上色

最初的外儲箱也就是標準重外儲箱(SWT)。STS-1和STS-2使用的頭兩個外儲箱被刷成了白色。為了減輕重量,從STS-3其,不再對其進行油漆處理,只保留了鐵鏽色隔熱層上的商標和透明底漆,由此減少了約272kg(600磅)重量。

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STS-4之後,靠移除anti-geyser管又減輕了數百千克。這條管道平行於液氧輸送管,提供液氧迴路,可以減少在灌注液氧是氧氣在輸送管中的積累。在參考了地面推進劑裝載測試數據和前幾次太空梭發射任務后,這條管道被移除,而外儲箱的長度和直徑保持不變。最後一次使用SWT的STS-7上的外儲箱重約35,000kg(77,000磅)。

輕型外儲箱

外儲箱在運往航天器組裝廠房的途中從STS-6任務開始,一種輕型外儲箱(LWT)被引入,這種型號的外儲箱用於太空梭的大部分飛行任務,直到STS-107。LWT在重量上的變化不大,重約30,000kg(66,000磅)。

從SWT上減輕的部分來自儲氫箱的縱梁,通過去掉部分結構,減少加強環的數量和修改主框架實現。外儲箱一些重要部分被磨的更薄,尾部的助推器支架被更強更輕更廉價的鈦合金替換。

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超輕外儲箱

1998年,超輕外儲箱(SLWT)在STS-91任務中首次使用,直到現在只有兩次例外(STS-99和STS-107)。SLWT和LWT的設計基本相同,只是SLWT使用鋁鋰合金(Al2195)做大部分結構體材料。這個替換使SLWT比LWT減輕了約3,175kg(7,000磅),卻也使SLWT成本上升了500萬美元,生產周期延長了4個月。

太空梭外儲箱 -技術參數

SLWT參數
長度:153.8英尺(46.9m)直徑:27.6英尺(8.4m)空重:58,500磅(26,560kg)起飛總重:1.680百萬磅(762,100kg)液氧箱

長度:54.6英尺(16.6m)
直徑:27.6英尺(8.4m)
容量(22psig下):19,541.66立方英尺;146,181.8加侖(553,358.2升)
液氧質量(22psig下):1,387,457磅(629,340kg)
工作壓力:20-22psig(138-152kPa(標準))

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中間層

長度:22.6英尺(6.9m)
直徑:27.6英尺(8.4m)

液氫箱

長度:97.0英尺(29.5m)
直徑:27.6英尺(8.4m)
容量(29.3psig下):52,881.61立方英尺;395,581.9加侖(1,497,440升)
液氫質量(29.3psig下):234,265磅(106,261kg)
工作壓力:32-34psia(221-235kPa(絕對))

太空梭外儲箱 -組件
太空梭外儲箱外儲箱剖面圖

外儲箱由三個主要結構組成:液氧箱,中間層和液氫箱。推進劑箱都由鋁合金製成,附有必須的支撐或穩定框架。中間層採用鋁結構以附加穩定框架。所有鋁材都選用2195和2090合金,其中鋁2195是由洛克希德·馬丁和雷諾茲設計用於低溫儲存的鋁鋰合金;鋁2090則是一種商用鋁鋰合金。

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液氧箱.

液氧箱位於外儲箱頂部,成卵形,這可以降低氣動阻力和氣體熱力學受熱。卵形箱的上部有一個可活動的平底蓋和一個頭錐體組成。頭錐體由一個可活動圓錐組裝而成,用於推進和電氣系統的氣動減阻。頭錐體前端很大一部分還充作避雷針。在22psig(250kPa絕對壓力)和-297°F(90K,熱力學溫度)環境下,液氧箱的容量是19,744立方英尺(559.1立方米)。

液氧箱通過一根直徑17英寸(430mm)的輸送管,穿過中間層和尾部臍帶管,向按104%效率工作的主發動機以2,787磅每秒(1264kg/s)的流量輸送液氧。其最大流量可達17,592加侖每分鐘(1.1099立方米每秒)。除了空氣動力載荷外的所有負荷都通過螺栓凸綠接合口轉移到中間層。

液氧箱內還有濺液擋板和渦流擋板以防止液體飛濺,渦流擋板安置在液氧出口以減少液氧輸出產生的漩渦並截留輸送過程中揮發的氧氣。

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中間層

中間層是連接液氫箱和液氧箱的結構,其主要功能是分配從助推器傳來的推力負荷,並在箱間轉移負荷。

兩個助推器連接點對應分佈在中間層兩側,一條橫樑貫穿中間層,與連接部件緊緊相連。當助推器工作時,橫樑在高應力負荷下會發生彎曲,並將負荷傳導給連接配件。助推器連接點旁邊是一個主環形框架,連接配件的負荷轉移到環形框上,再通過的切向負荷形式轉移到中間層壁。兩塊位於中間層的推力板將集中起來的助推器軸向推力傳導到液氧液氫箱和旁近的中間層內壁板,內壁板則是由六塊縱梁加勁板組成。

中間層也充作運行儀器的保護間。

液氧箱

液氫箱位於外儲箱底部,由四個圓柱曲面,一個前端圓頭和一個底端圓頭組成,圓柱曲面由五個主環形框架連接為整體。環形框架起到接受和分散負荷的作用。前端圓頭承受來自中間層的負荷並連接液氫箱與中間層。底端圓頭承受軌道器以及尾端助推器連接點輸出的負荷。偏下方的三個環形框架承受軌道器推力負荷以及液氧輸送管支撐負荷。主環形框架的負荷都由圓柱壁板分散。在29.3psig(3.02bar絕對壓力)和-423°F(20.3K熱力學溫度)環境下,液氫箱容量為53,488立方英尺(1,514.6立方米)。

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前端底端圓頭是相同的橢圓體。在前端,液氫放泄閥,液氫加壓管配件,電力饋通配件被組合在一起。底端留有進入液氫輸送管網,輸送管支撐結構的檢修孔。

液氫箱也有防止由濺液產生的渦流和阻擋氫氣迴流的渦流擋板,位於底部偏上的虹吸出口上。出口通過一根直徑17英寸(430mm)的輸送管,穿過尾部左臍帶管,向按104%效率工作的主發動機以465磅每秒(211kg/s)的流量輸送液氧。其最大流量可達47,365加侖每分鐘(2.988立方米每秒)。

熱防護系統
太空梭外儲箱外儲箱管道

外儲箱熱防護系統主要由噴塗泡沫隔熱層、預成型泡沫片和預成型燒蝕材料組成。系統還採用酚隔熱材料來防止液氫箱附件暴露金屬部分周圍空氣液化,並減少進入液氫箱的熱流。而溫度相對較高的液氧雖然產生的熱學問題較少,但鋁質液氧箱頂部仍需要抵抗空氣動力加熱,底部也不要隔離層防止液化空氣進入中間層。液氧箱的中間筒,推進劑管可以在設計範圍內承受因周圍水汽凝結導致的結冰,但軌道器無法承受脫落冰塊的損傷。熱防護系統共重4,823磅(2,188kg)。

熱防護系統的研發困難重重,由隔熱泡沫引發的異常問題頻發,因此它一直被當作潛在危險因素。在整個太空梭應用史上,NASA一直為如何防止泡沫在飛行時脫落的問題困擾:

STS-1,1981年:機組人員報告說在升空過程中不斷看到窗外有尺寸1/4英寸到拳頭大小的白色物體飛落,著陸后的報告稱那很可能是未知位置的泡沫脫落,由於各種原因,共有300片泡沫需要徹底更換。
STS-4,1984年:PAL斜體脫落;40片隔熱瓦被徹底更換。
STS-5,1982年:隔熱瓦脫落率依然很高。
STS-7,1983年:照片顯示一塊50x30cm的二腳斜體脫落,另有許多碎片脫落。
STS-27,1988年:未知區域的一大塊泡沫脫落,導致一整片泡沫和幾百片小泡沫脫落。
STS-32,1990年:照片顯示二腳斜體脫落;加上五塊碎片和損壞區域,直徑達70cm。
STS-50,1992年:二腳斜體脫落,造成20x10x1cm泡沫片損壞。[3]
STS-52,1992::部分二腳斜體,起重器墊脫落。共290片泡沫脫落,其中16片超過一英寸。
STS-62,1994年:部分二腳斜體脫落。
1995年,由於美國環境保護局頒布的空氣潔凈法令中第610條,禁止使用CFC,噴塗泡沫不再繼續選用氯氟碳-11(CFC-11),取而代之的是一種叫HCFC141b的氫氯氟碳化合物。而原有的噴塗泡沫,尤其是部分手工噴塗的CFC-11使用至今,這部分包括常出問題的二腳斜體和PAL斜體,管道配件和介面。特別是bipodramp,從1993年起,向這個部分噴塗泡沫從未中斷。而新的HCFC141b第一次用於隔熱泡沫是在1996年的STS-79飛行中用的ET-82。從1997年的STS-86上用的ET-88起,這種泡沫在外儲箱上的使用範圍逐漸擴大開來。

STS-107升空時,從二腳斜體脫落的一片隔熱泡沫以872千米每小時的速度撞向哥倫比亞號的左翼邊緣,導致左翼的強化碳-碳隔熱瓦損壞。幾天後太空梭返回時,高熱氣體通過損壞部分進入機翼上層結構,導致太空梭最終失事。

2005年,隔熱瓦脫落的問題還未能得到解決。STS-114時,安裝在外儲箱的攝像頭拍攝到一片隔熱泡沫從凸起氣動負荷斜面(PAL)上脫落,但未命中軌道器。PAL是用來防止外儲箱下方的電纜盤和承壓管在升空時發生氣動振動,是一層手工噴塗的隔熱泡沫。

與STS-114任務同時發表的報告稱,對外儲箱進行的過多的改進和升級可能導致發現號返航時隔熱瓦脫落。隨後的三次發射(STS-121、STS-115和STS-116)的隔熱泡沫脫落量都在可接受範圍內。然而STS-118時,一片直徑10cm的泡沫(或者是冰)從外儲箱輸送管附加托架上脫落,擊中了機翼的下側,損壞了兩片隔熱瓦。這處損傷無關緊要。

外儲箱附件

外部硬體,外儲箱/軌道器連接配件,臍帶管配件,電力和靶場安全系統共重9,100磅(4.1t)。

兩個推進劑箱前端都有一個放泄閥(安全閥)。這個雙重職能的閥門可受地面支持設備控制在發射前實現放泄功能;亦可在升空時,當液氫箱真空區壓力達到38psig(360kPa絕對壓力)或液氧箱真空區壓力達到25psig(270kPa絕對壓力)時自動打開。

液氧箱前端有一個獨立的火工控制的推進翻滾放泄閥。這個放泄閥可以為分離機動和整個外儲箱的空氣動力校正提供衝量。

外儲箱中共有八個推進劑余量感測器,其中每個推進劑箱中有四個。燃料余量感測器安裝在液氫箱底部,氧化劑余量感測器安裝在軌道器輸送管歧管下游。在主發動機工作時,軌道器上的通用計算機不斷地根據推進劑的用量計算整個運載工具的瞬時質量。正常情況下,要在太空梭達到預定速度后,主發動機才會停車。而如果某個余量感測器探測到余液乾涸,發動機也會停車。

氧化劑感測器被放置在一個能保證被消耗的液氧達到最大量的位置,保證發動機停車前,液氧泵不至於空轉。然而燃料感測器被放置在能產生1,100磅(500kg)液氫剩餘的位置,以此確保6:1的推進劑混合比,並且保證發動機停車時,推進劑都是富燃料型的。富氧化劑型的混合會導致嚴重燒損發動機部件,是運載器失事的潛在風險因素。

感測器的錯誤讀數已使幾次發射計劃取消,如STS-122。2007年12月18日,外儲箱測試表明,引起誤差的原因來自連接線,而非感測器本身。

兩個推進劑箱頂部還有四個壓強感測器監視真空區壓強。外儲箱尾部的兩個臍帶管盤都有與之對應的軌道器連接盤。連接盤有助於維持臍帶管的相對位置。相應的連接盤通過螺栓連接,當通用計算機發出軌道器與外儲箱分離的指令后,螺栓在火工設備作用下脫離。

外儲箱共有5個推進劑臍帶管閥:兩個液氧閥,三個液氫閥。其中一個液氧閥用於控制液氫,另一個控制氧氣。而相應的液氫閥則有兩個控制液氫,一個控制氫氣。尺寸中等的液氫管是一個循環管,僅用於發射前液氫的循環預冷。

外儲箱還有兩條電力臍帶管,使軌道器為外儲箱和助推器提供電力和必要信息。

發射塔架上還有遮住液氧箱頂部的閥口部位的搖臂座帽,用於在發射倒計時階段排除液氧箱中產生的氧氣,以防止該部位結冰,損傷熱防護系統。搖臂在發射前兩分鐘收回。

外儲箱與軌道器的連接架上還裝有相機與信號發射器,可在軌道器與外儲箱分離后持續向地面傳回視頻數據。

靶場安全系統

早期的外儲箱都自帶一套靶場安全系統,包括一個電池電源,一個接收機/解碼器,天線和一個火工設備。可在必要時排除外儲箱中的推進劑。從STS-79開始,這套設備就不再使用,而從STS-88起,這套設備就徹底從外儲箱中移除了,迄今不再使用。因為後來,太空梭在二級升空過程中不會遇到危險。

太空梭外儲箱 -變體

1984年,有一項研究是在液氫箱下方加裝一個附加運貨工具,以便於那些直徑超過太空梭載荷艙直徑15英呎(4.572公尺)的貨物運輸,但未能實現。

在挑戰者號災難之前,亦有提議由軍方在美國西海岸將太空梭發射至極軌道,相比其低傾斜軌道發射,極軌道發射的起飛載荷較低。因此又有提議用一種由大力神二號的第一級衍生而來的助推模塊來增大起飛推力,然而該助推器的尾焰可能影響到液氫箱的底部,這個方案也沒有付諸實施。

太空梭外儲箱 -未來應用

太空梭外儲箱戰神五號組成圖

由於太空梭要在2010年全部退役,NASA開始考慮新的星座計劃,研發一種從阿波羅飛船衍生而來的獵戶座號飛船。同時研發的還有兩種從太空梭衍生而來的載人運載器戰神一號和重型貨物運載器戰神五號。

戰神一號和五號都要在第一級利用改進的太空梭固體助推器,而外儲箱則會作為戰神五號第一級和戰神一號第二級的研製基礎。(戰神一號第二級會攜帶約26,000加侖液氧,而外儲箱裝有146,000加侖,超過前者的五倍)

戰神五號第一級將使用5台RS-68發動機(現用於德爾塔四號),直徑33英呎(10公尺),和土星五號的S-IC和S-II級一樣。其內部結構和外儲箱相同(液氫液氧箱由中間層隔開),但會設計成液氫液氧直接灌注排排出。太空梭上使用的排出氧氣的可伸縮式放泄臂也會用在戰神五號的液氫放泄上。

只有戰神一號的第二級會使用外儲箱的噴塗隔熱泡沫技術。2006年,NASA在進行項目評審時,出於減輕重量和節約成本的考慮,決定將戰神一號第二級的內部結構改成土星五號S-II和S-IVB級的那種只用一個推進劑箱,中間用隔板隔開的設計方案。與戰神五號完全使用外儲箱的推進劑灌注、輸出、放泄系統不同,戰神一號會使用土星一號B和土星五號的傳統系統。

在另一個備選的太空梭衍生運載工具DIRECT方案中,將使用一個標準直徑的外儲箱配兩台RS-68發動機和兩個SRBM作載人運載器;另加一台RS-68,並用地球出發級上面級的版本做貨物運載器。這個方案可將美國無載人航天器時間從5年縮短至2年以內。 

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