科学和技术任务：空间运输系统-77航天任务18年回顾（四）

+ 美：Ben Evans， 刘天雄 编译

科学和技术任务：空间运输系统-77航天任务18年回顾（四）

+ 美：Ben Evans， 刘天雄 编译

图31　航天飞机内部结构布局

为执行此次STS-77航天任务，在1995年6月，任务指令长John Casper，飞行员Curt Brown，任务专家Andy Thomas、Dan Bursch、Mario Runco以及加拿大宇航员Marc Garneau就开始了针对性地任务训练。STS-77航天任务最初计划在1996年5月16日发射，但分析表明，5月16日的发射窗口不满足美国国家航空航天局NASA东部发射场的火箭测控跟踪弧段设计要求，由此将发射日期推迟到美国东部时间1996年5月19日凌晨6∶30分。

十八年前的这一星期（1996年5月的第三个星期），六名宇航员搭乘奋进号（Endeavour）航天飞机在LEO轨道上完成了空间运输系统STS（Space Transportation System）30年历史中最具复杂性的一次空间探索任务。正如前文所述，STS-77航天任务利用商业化空间实验室Spacehab-4需要开展大量空间科学试验项目，同时在轨部署和回收自由飞行的卫星，因此STS-77航天任务六名宇航员不得不在为期10天的空间试验任务中的第一天就得尽可能多地启动试验项目。

奋进号航天飞机进入预定轨道后不久，轨道飞行运载器（OV）液压动力单元（hydraulic power units）的冷却装置出现问题，但暂不影响宇航员开展空间任务。宇航员Andy Thomas和Marc Garneau首先打开商业化空间实验室Spacehab-4的舱门盖，进入实验室后按程序要求给启动各个试验装置。随后，Andy Thomas检查了由加拿大研制的奋进号航天飞机的遥控操作系统RMS（Remote Manipulator System）机械手臂，以确保能够顺利开展在轨释放小型自由飞行器SPARTAN-207。

(1){cM,cs,cd,cl}={500,95,50,10}，{cAn_A,cAf_A,cAn_M,cAf_M,cAr_A,cAr_M}={12,15,24,30,200,500}，{cBn_A,cBf_A,cBn_M,cBf_M,cBr_A,cBr_M}={22,25,34,40,240,540}；

在STS-77航天任务中首次执行航天飞机任务的宇航员是Andy Thomas，他作为本次有效载荷试验指挥，对本次任务的研究目标和科学目的负全部责任。Thomas于1951年12月18日出生在澳大利亚南部城市Adelaide，Thomas的父亲后来回忆道，他的儿子执迷与空间探索，在孩提时代就利用纸板和塑料制作了一个火箭模型。Thomas在澳大利亚Adelaide市接受了完整的教育，1973年毕业于Adelaide大学，获得机械工程硕士学位，并继续攻读博士学位。1977年，在获得博士学位前夕，美国Lockheed航空系统公司聘任Thomas为公司的研究科学家，负责调查研究流体动力学不稳定性控制以及飞机气动阻力问题的研究。1980年，Thomas年被提升为Lockheed航空系统公司首席空气动力学科学家，1983年，他担任公司先进飞行科学部主任，负责先进空气动力学问题研究以及航空器飞行试验工作。

Thomas认为良好的教育是获得机会的坚实基础，而朝着航天梦想有意识的不断努力则使这种机会成为可能。Thomas在接受美国国家航空航天局NASA宇航员面试官面试时曾说过：“作为在澳大利亚长大的年轻人，能被遴选称为美国国家航空航天局NASA的宇航员只是一个美丽的神话，我真的不认为这种可能性会实现”。“我充分利用职业生涯的各个环节，提升解决问题的能力同时并获得相关技术经验，这使我成长为宇航员的有力竞争者”。

在1996年5月24日的第二次交会对接试验中，Casper 和 Brown驾驶奋进号航天飞机靠近被动型空气动力稳定磁阻尼航天器PAMS距离约520m的位置处，并将相对位置保持约6小时，期间商业化空间实验室“Spacehab-4”中的“空间试验单元SEF（Space Experiment Facility）出现故障，Andy Thomas负责排除了该故障”。从宇航员拍摄的录像中可以确认，尽管超出预期的稳定时间，被动型空气动力稳定磁阻尼航天器PAMS在气动阻力的作用下，姿态已经稳定。由此，第三次和第四次交互对接试验不得不较计划推迟24小时执行，直到5月26日才完成全部的对接试验。这里需要指出的是激光姿态测量系统AMS的测量精度是十分之一度，可以提供被动型空气动力稳定磁阻尼航天器PAMS高精度的动态和相对运动测量数据。虽然试验证明激光姿态测量系统AMS具有追踪小卫星的能力，但是，激光测量系统有时可能会将目标误锁定到不明物体上。

④混合型河道。混合型河道是指在河道沿线既分布有河段，也分布有水塘和湿地，形成多级河道。其结构如图4所示。

这是首次提出“三大能力”.几何教学目标是：使学生掌握系统的几何知识，培养推理论证的能力，发展空间想象能力.

加拿大深度参与了本次STS-77航天任务，特别是加拿大籍宇航员Joseph Jean-Pierre Marc Garneau作为任务专家参加本次航天实验任务。Garneau是加拿大第一位宇航员，曾经在1984年10月作为有效载荷专家参加了STS-41G航天飞机空间实验任务。Garneau于1949年2月23日出生在加拿大的Quebec市，Garneau的父亲是一名加拿大陆军军官，Garneau在接受美国国家航空航天局NASA宇航员面试官面试时曾说过：“在我成长过程中，我去过相当多的地方旅行”，“我曾经想到长大后也会成为一名职业军人，特别想加入海军”。Garneau曾这样解释他的决心——喜爱冒险。Garneau在加拿大的Quebec市接受了完整的教育，1970年毕业于加拿大皇家军事学院，获得工程物理硕士学位。随后Garneau到位于英国伦敦的帝国理工大学攻读电子工程博士学位，1973年获得博士学位后，Garneau加入加拿大海军司令部，担任海军工程师。在加拿大海军司令部工作期间，Garneau设计开发了一个仿真系统，用于培训军官使用“部落级破坏者（Tribal-class destroyers）”导弹系统。随后，Garneau在加拿大参谋学院学习，并于1982年毕业，Garneau被提升授予加拿大海军中校军衔。1983年，Garneau来到Ottawa，负责设计加拿大海军通信和电子战系统。

图32　STS-77飞行任务中奋进号航天飞机的有效载荷（前部为商业化空间实验室“Spacehab-4”，后部为SPARTAN- 207飞行器）

以往的天文学观测任务中，一般通过携带大量的、价格不菲的脱水液态氦气或者液态氢气实现光学载荷工作时所需要的10开氏度的低温环境，但是当液态氦气或者液态氢气等致冷剂消耗殆尽时，就不能再为光学载荷提供低温环境，由此也就导致光学载荷不能有效地工作。美国国家航空航天局NASA认为，“吸附式高效冷却器实验BETSCE有望为光学载荷提供没有振动环境影响的、10年甚至更长工作寿命的冷却器”，“吸附式高效冷却器实验BETSCE突破了低温实验环境的新技术，未来具有广阔的用于前景，不同的空间任务都将受益于这项新奇的技术”。

如果说奋进号航天飞机的宇航员舱和商业化空间实验室Spacehab-4是本次STS-77航天任务中宇航员最繁忙的工作区，那么与此对应的有效载荷舱是最繁忙的试验区，如图32所示。最具有前瞻性的实验项目是“10开氏度吸附式高效冷却器实验BETSCE（Brilliant Eyes Ten Kelvin Sorption Cryocooler Experiment）”，冷却器可以实现几乎绝对零开氏度（-273.15摄氏度）的温度环境，未来可以用于红外和其他敏感器的快速致冷要求。吸附式高效冷却器实验BETSCE的目的是研发具有较高可靠性的吸附式冷却器，该冷却器不产生对航天器有不利影响的振动环境，可以将红外敏感器冷却到10开氏度（-263.15摄氏度）。吸附式高效冷却器的工作原理是利用一种特殊的金属氢化物的金属合金粉末制备成为氢致冷剂，利用氢致冷剂的逆化学反应过程需要吸收大量热量的原理，实现致冷。在吸附式高效冷却器的压缩机中，金属氢化物粉末首先被加热以释放被压缩的氢气，然后将金属氢化物粉末冷却到室温，同时收集氢气并降低氢气的温度，通过连续的加热和冷却金属粉末，可以实现氢气循环以及致冷循环。在致冷器的冷却端，通过迅速膨胀被压缩的氢气而可以获得10开氏度的低温环境。这种膨胀可以将氢气凝冻，并由此产生固态冰块。再通过升华这些固态冰块来吸收红外敏感器等装置工作时产生的热量。循环往复最终实现10开氏度的低温环境。

Andy Thomas的首次空间飞行给了他全新的体验，同时需要克服许多困难。Thomas 曾说：“虽然空间环境完全不同于地面环境而且是不自然的，但是你的身体已经开始接受这种不自然的环境而心理上已经认为它是自然的”。“我以正常的方式去体验失重状态，所有的东西都漂浮在空间，包括我自身。人体自身的适应能力的确令我们称奇。当然，当我返回地球后，我也需要我们的身体去适应地球的重力环境。我感觉我的所有器官好像被拔出体外，包括我的胳膊和头颅。当我站起来时，能够感觉到自己全身笨重的身体重量，你真的能感觉到重力的存在。如果你不经历这样的环境，你永远不可能感受到重力的作用”。

美国国家航空航天局NASA的Goddard空间飞行中心GSFC（Goddard Space Flight Center）在奋进号航天飞机有效载荷舱搭载了“先进空间任务技术实验TEAMS（Technology Experiments for Advancing Missions in Space）”，实验项目包括在轨测量GPS美国全球定位系统导航卫星的姿态和导航数据，评估美国GPS全球定位系统技术（注：1993年美国国防部宣布GPS系统提供初始运行服务IOC，1995年GPS系统提供完全运行服务FOC）；卫星推进系统推进剂储箱二次加注实验VTRE（Vented Tank Resupply Experiment），目的是评估推进剂在轨加注改进方法的可行性；液态金属热实验LMTE（Liquid Metal Thermal Experiment），目的是验证微重力环境对工质为液态金属钾的金属热管（注：一种用于航天器热交换的装置件）工作效率的影响；被动型空气动力稳定磁阻尼航天器-航天器实验单元PAMS-STU（Passive Aerodynamically Stabilized Magnetically Damped Satellite-Satellite Test Unit），用于论证“空气动力稳定”的机理，期望通过降低或者消除航天器姿态控制系统对推进剂的需求量，延长航天器的在轨寿命。美国国家航空航天局NASA认为，“标枪的飞行原理就是空气动力稳定”，“标枪的头部是金属集中质量块，一旦标枪被投掷出去，它一定会头超前飞行，以同样的工作方式，被动型空气动力稳定磁阻尼航天器PAMS最终会朝着较重的质量端向轨道方向飞行，这项技术将可以部分用于小卫星的姿态控制”。1996年5月29日，乘奋进号（Endeavour）航天飞机降落在Kennedy空间中心KSC（Kennedy Space Center），如图33所示。

1983年12月，Garneau被选为美国国家航空航天局NASA的宇航员候选人。1984年2月，Garneau再次到加拿大国防部接受全职培训。1984年10月作为有效载荷专家Garneau参加了STS-41G航天飞机空间实验任务后，Garneau被提升授予加拿大海军上校军衔，1989年从海军退役，并担任加拿大宇航员项目局CAP（Canadian Astronaut Programme）的副局长。1992年年中，Garneau被美国国家航空航天局NASA挑选为任务专家培训教师。

生命体征监测设备通过调用Bluetooth 接口，获取自带的蓝牙适配器，并开启蓝牙功能。通过调用蓝牙设备搜索接口函数，对周边的蓝牙设备终端进行扫描，当搜索到匹配的蓝牙适配器时，则进行设备注册、建立连接并停止扫描，至此蓝牙扫描工作完成。扫描并匹配成功的设备名称和设备MAC 地址将分别储存在蓝牙搜索的公有成员变量中，当扫描结束后，会向生命体征监测设备蓝牙适配器发送一个类型为0x01 的句柄消息。同时handleMessage 接口函数也会收到类型为0x01 的消息，扫描程序通过设备遍历对周边的设备进行逐个匹配直到找到符合要求的蓝牙终端设备。

图33　乘奋进号航天飞机降落在Kennedy空间中心（背景为Kennedy空间中心航天器总装厂房VAB（Vehicle Assembly Building））

凡做人不能太张狂太锋芒毕露，喜而不语，低调沉敛，是一种智慧。生活从来都是智慧的较量，最富有的人是智者，最宝贵的财富是智慧。

在奋进号航天飞机头部的中部舱板（middeck）处，如图31所示，将开展“免疫3号实验”以验证胰岛素类物质是否具备阻止或者减少微重力环境对老鼠免疫系统和骨骼系统有害影响的能力，其中也包括主导因素分析。在中部舱板同时还开展三个不同的蛋白质晶体的结晶实验，实验目标是识别疾病因子的生长区，以及研发透气性聚合物膜片GPPM（Gas Permeable Polymer Membrane），这种增强型聚合物膜片可以用来制造刚性的、具有透气能力的相机镜头。美国国家健康研究所NIH（National Institutes of Health）提供了生物组织培养器，实验目标是识别微重力环境对小鸡胚胎肌肉和骨骼细胞发育的影响。此外，还有类似目标的实验，包括的微重力环境对烟草天蛾幼虫的蜕变过程、肌肉蛋白质合成过程、授精过程以及海星、贻贝以及海胆等小型水生生物体的胚胎发育过程的影响。上述实验是奋进号航天飞机起飞几个小时后不久，均是由Mario Runco首先启动的实验项目。

在本次航天任务的第4天，即1996年5月22日，按计划开展了被动型空气动力稳定磁阻尼航天器-航天器实验单元PAMS-STU实验项目，美国东部时间5月22日上午5点18分，Runco把位于奋进号航天飞机有效载荷舱后部的圆柱形的卫星释放到舱外，卫星大小为60 x 90 cm。为了评估卫星利用气动力学条件实现自主姿态稳定的时间和效能，该卫星被有意以旋转的、不稳定的姿态释放到轨道空间。Casper 和 Brown将奋进号航天飞机机动到距释放点14.6 km位置处，开展首次交汇对接实验。大约4.5小时后，利用奋进号航天飞机机载荷舱的激光姿态测量系统AMS（Attitude Measurement System），当Casper 和 Brown驾驶奋进号航天飞机靠近被动型空气动力稳定磁阻尼航天器PAMS距离约600m的位置处时，他们发现该被动型空气动力稳定磁阻尼航天器PAMS的姿态尚未达到稳定状态，因此，交会对接试验时对接结构不能正常工作。Casper 和 Brown不得不驾驶奋进号航天飞机离开被动型空气动力稳定磁阻尼航天器PAMS距离约103 km的安全位置处，并计划在5月24日和25日，再次开展两次交会对接试验。

为了成为美国国家航空航天局NASA的宇航员梦想，Thomas在1986年12月加入了美国国籍，1987年，Thomas担任Lockheed航空系统公司先进飞行科学部经理，1989年，Thomas移居到美国加利福尼亚州东北部的Pasadena市，并在美国国家航空航天局NASA的喷气推进实验室JPL（Jet Propulsion Laboratory）工作，随后成为JPL的微重力研究小组的主管。三年后，即1986年12月，Thomas被选为美国国家航空航天局NASA的宇航员候选人。Thomas终于实现了他的毕生梦想，他的成功归功于良好的教育。其实，Thomas治学的态度为他打开了人生丰富多彩的大门。正如他自己总结的那样，“教育能够为你打开一个你所不能想象的大门，同样也能永远保持关闭它”。

在1996年5月26日的第三次交会对接试验前，奋进号航天飞机距离被动型空气动力稳定磁阻尼航天器PAMS约103 km的位置处，Casper启动了航天飞机控制系统的推力器，Casper 和 Brown驾驶奋进号航天飞机靠近被动型空气动力稳定磁阻尼航天器PAMS距离约550m的位置处。当奋进号航天飞机的有效载荷舱朝向航天器PAMS时，美国国家航空航天局NASA的Goddard空间飞行中心GSFC地面遥控激光姿态测量系统AMS追踪航天器PAMS，当奋进号航天飞机靠近被动型空气动力稳定磁阻尼航天器PAMS距离约500m的位置处时，在该位置处保持约7小时45分钟，时间超出计划70分钟。在第三次交会对接试验期间，卫星姿态保持稳定，验证了航天器启动稳定概念的正确性。

习作能力是学生语文素养的一个重要组成部分，也是学生与人交流、学好其他功课的一项重要能力。习作教学是语文教学的一个重点，也是一个难点。

释放航天器PAMS的最后阶段，STS-77航天任务已接近尾声，宇航员们开始进行奋进号航天飞机在Kennedy空间中心KSC着陆的准备工作。美国国家航空航天局NASA期望航天器PAMS能够再入高层大气层，并在再入的过程中与大气摩擦并烧毁，航天器轨道动力学专家预计航天器PAMS会在轨道上运行到1997年1月（航天器PAMS最终于1996年12月26日坠入大气层）。Kennedy空间中心KSC和Edwards空军基地的天气预报表明，5月29日当天，在两个着陆点均有两个比较适宜的着陆窗口。美国国家航空航天局NASA采取了在Kennedy空间中心KSC着陆的方案，美国东部时间5月29日上午6点09分，Casper 启动奋进号航天飞机离轨程序，一小时后，即7点09分，Casper驾驶奋进号航天飞机平稳地降落到Kennedy空间中心KSC的33号跑道上。

STS-77航天任务是航天飞机第一次利用自身Block I型主发动机进入预定空间轨道，也是位于美国Texas州东南部城市Houston的Johnson空间中心JSC（Johnson Space Center）的新的任务控制中心MCC（Mission Control Center）第一次全面执行航天器飞行控制任务。

宇航员Mario Runco在奋进号内工作 图片来源：美国宇航局

后记：由于运营成本高、安全系数低，美国航天飞机（Space Shuttle）已在2011年全部退役，空间运输系统（Space Transportation System）不得不依赖俄罗斯飞船，按最新合同，美国宇航员往返空间站单人“票价”超过7000万美元。为了摆脱这一尴尬局面，美国大力推进私营企业进入商业发射领域。

美国国家航空航天局NASA在2014年9月16日宣布，波音公司和太空探索技术公司赢得共计68亿美元的商业载人航天活动，将建造商业“太空巴士”运送美国宇航员往返国际空间站。其中波音公司将获得42亿美元建造CST-100航天器，而太空探索技术公司将获得26亿美元建造载人版“龙”飞船。CST-100航天器和“龙”飞船都是在上世纪美国登月的“阿波罗”飞船基础上建造，均能搭载7名宇航员上天。