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20世紀80年代,就在初代航天飛機剛剛籌備首次飛行時,美國NASA就已經開始考慮更先進的二代航天飛機方案了。這件模型,是得克薩斯州休斯頓的NASA約翰遜航天中心(JSC)先進項目辦公室推出的二代航天飛機概念模型。工程師們取消了初代航天飛機兩個巨大的固體助推器,改為兩個液體助推器,安裝在機翼外側上表面;一次性外部燃料箱得到保留,但從一個改為兩個,裝在機翼上表面內側,這樣機翼上方就出現了4個圓柱形的附加物:嚴格地說它們都是燃料箱,但是內容物不同。外側兩個燃料箱攜帶碳氫燃料和液氧,專供軌道器尾部兩臺附加發動機(可拋棄)使用;內側兩個燃料箱攜帶液氫液氧,專供航天飛機主發動機使用。
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發射瞬間,單臺空間運輸主發動機(STME)與兩臺附加發動機(空間運輸助推發動機/STBE)同時點火。主發動機以液氫液氧為燃料,兩臺助推發動機使用碳氫燃料與液氧,以液氫作為發動機冷卻介質。三臺發動機總推力比初代航天飛機3臺主發動機高出約30%。升空后,飛行速度達到每秒2000—3000米時,翼上外側兩臺助推發動機及其專用燃料箱分離脫落。助推發動機分離后通過降落傘濺落回收復用。此后軌道器完全由主發動機推進。主發動機關機后,主翼內側兩個燃料儲箱也隨即拋離。
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新方案大幅度增加復合材料用量:初代航天飛機軌道器空重約85噸,約翰遜版二代航天飛機空重僅50至75噸。軌道器主翼做了大幅度修改,翼尖加裝小翼,取代原版單一垂直尾翼;安裝全新設計的軌道機動系統(OMS)發動機,液氫、液氧推進劑儲存于機翼內置保溫儲箱中。最大的改進是乘員艙,工程師們為軌道器設計了整體可分離式座艙,發生災難性故障時可以整體從軌道器分離,變為具有獨立飛行能力的逃生艙;軌道器最前方的鴨式小翼會和乘員艙一道分離,分離后充當逃生艙的飛行翼。這個逃生艙不僅可以在發射上升階段或返航階段使用,在軌道上也可以使用:在軌分離后,這個可容納11名航天員的逃生艙可提供24小時的生存環境,再入大氣層后最終依靠可伸縮滑橇降落地面。風洞試驗表明,這個逃生艙在各種險情中氣動表現沒那么優秀,工程師們特地提出為它增加充氣式或可伸縮氣動結構,確保它讓逃生艙在高超聲速、超聲速、亞聲速區間均可穩定可控飛行。工程師們顯然考慮得更遠,既然軌道器有緊急分離逃生艙,那么它完全可以作為空間站成員的應急救援艇(CERV),緊急時刻可用于空間站人員撤離。
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初代航天飛機載荷艙采用上方雙開門,新方案軌道器載荷艙則采用了新奇的開艙方式:軌道器整個尾部向下翻折,讓圓筒狀載荷艙完全敞開,載荷艙內置特定托架,用來攜帶和釋放載荷。
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據說二代航天飛機原本打算在20世紀90年代初進行飛行測試,不過最終事實證明這也僅僅是計劃而已。這款未來版航天飛機構想其實不錯,雖然仍然有體量過大和再入環境惡劣等挑戰,但還是值得繼續研究;然而當時NASA一方面要維持初代航天飛機運營,一方面籌建國際空間站,沒有足夠的預算資源繼續推進未來版航天飛機。到了20世紀90年代,NASA對外宣稱航天飛機至少服役至2010年;2001年甚至曾提出延長服役至2030年——結果2003年“哥倫比亞”號慘烈事故徹底終結了所有延長航天飛機服役壽命的企圖。2011年航天飛機全面退役時,當年所謂新一代航天飛機,依舊遙遙無期。
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