载人航天的“三驾马车”

航天 · 2016-11-1 01:34:27

从1961年初人类首次乘载人航天器进入太空，载人航天已有40多年的历史。在此期间，人类已发射了3种载人航天器，即载人飞船、空间站和航天飞机。　　　　载人飞船　　　　载人飞船是一种用火箭发射到地球轨道上作短期飞行，在完成特定任务后再返回地面的载人航天器，一般为一次性使用。前苏联载人航天初期也曾称之为“卫星式飞船”。　　　　内乘1人，共发射6艘。第2个型号叫上升号，共发射2艘，能乘2～3人。第3个型号叫联盟号，在发展中有两次改型（联盟T和TM）。联盟号飞船及其改型共发射了80余艘，目前仍在服役，并承担着国际空间站救生飞船的角色。　　　　美国的载人飞船也有3个型号。第1个型号飞船叫水星号，乘1人，共发射6艘。第2个型号叫双子星座号，乘2人，共发射10艘。第3个型号即阿波罗号，乘载3人，执行登月任务时有2人登月。登月的阿波罗号飞船共发射7艘，其中1艘因故障未能登月成功。　　　　载人飞船设计由飞船上天要执行或完成什么任务而定，同时还要看发射飞船国家的具体科技水平。例如，世界上第一批上天的飞船——前苏联的东方号和美国的水星号的任务很简单：一是要把飞船发射到太空正常运行；二是看看人在太空能否生存和有没有工作能力；三是安全地把飞船和人回收回来。而第2代飞船（如美国的双子星座号和前苏联的上升号）除满足第1代飞船的全部要求外，还要加上新的太空飞行任务，如宇航员出舱到太空行走，完成一些空间科学实验任务等等。随着载人飞船任务的不断增多和在太空飞行时间的日益延长，甚至为了实现载人登月，又需要提高有效载荷、活动空间、物质耗费量、用电量、飞船体积和质量以及实验任务等要求，从而加大了设计难度。　　　　飞船的主要结构特点是有载人舱。它的主要结构可分为几个舱段，如可采用两舱式结构（返回舱和服务舱）和三舱式结构（返回舱、轨道舱和服务舱）。如有对接任务时则要有对接机构，放在飞船的最前边。前苏联第1代飞船东方号的结构很简单，是两舱式，只载1人。第2代的上升号多了一个出舱用的气闸舱，且能载2～3人。美国的双子星座号也为两舱式加对接机构。第3代飞船是三舱式结构，如前苏联的联盟号飞船。这种飞船的最前端是对接机构，然后接轨道舱，再接返回舱和服务舱，最后与运载火箭相连。有的舱之间有过渡舱段相连。有出舱任务的载人航天器都要增设出舱用的气闸舱。美国阿波罗号飞船除有两舱结构外，还增设了登月舱。　　　　飞船的轨道舱是飞船的重点舱段。它前端的对接机构供飞船与其它飞船或空间站对接用，其下端通过密封舱门与返回舱相连。它是宇航员在太空飞行中进行科学实验、进餐、体育锻炼、睡觉和休息的空间，其中备有食物、水、睡袋、废物收集装置、观察仪器和通信设备等。轨道舱还接有宇航员出舱活动的气闸舱。　　　　返回舱也叫密闭座舱。在起飞阶段和再入大气层阶段，宇航员都是半躺在该舱内的座椅上，并有一定角度以克服超重的压力。座椅前方是仪表板，以监控飞行情况；座椅上安装姿态控制手柄，以备自控失灵时，用手控进行调整。美国水星号飞船在返回地面时自控失灵，就是靠宇航员手控使飞船返回地面的。在飞船返回地面之前，轨道舱和服务舱分别与返回舱分离，并在再入大气层过程中焚毁，只有返回舱载着宇航员返回地面。　　　　飞船的服务舱也可称仪器设备舱。它的前端通过过渡舱段与返回舱相连，后端与运载火箭相接。联盟号飞船的这个舱又分前后两部分，前段是密封增压的，内装电子设备及环境控制、姿态控制、推进系统和通信等设备；后段是非密封性的，主要是安装变轨发动机和贮箱等物。服务舱外部装有环境控制系统的辐射散热器和太阳能电池板。　　　　载人空间站　　　　载人空间站是一种在近地轨道长时间运行，可供多名宇航员在其中生活工作和巡访的载人航天器。小型的空间站可一次发射完成，较大型的可分批发射组件，在太空中组装成为整体。在空间站中要有人能够生活的一切设施。空间站一般不再返回地球。其结构特点是体积较大，在轨飞行时间较长，有多种功能，能开展的太空科研项目多而广。空间站的基本组成是以一个载人生活舱为主体，再加上有不同用途的舱段，如工作实验舱和科学仪器舱等。空间站外部必须装有太阳能电池板和对接舱口，以保证站内电能供应和实现与其它航天器的对接。　　　　载人空间站现已发射9座，其中前苏联发射的短期使用的空间站有5座，即礼炮1～5号，美国则发射了1座，叫“天空实验室”。前苏联还发射了较长期运行的礼炮6和7号及和平号空间站。目前，美国、俄罗斯、欧空局、加拿大和日本等16个国家正在组装国际空间站。　　　　前苏联发射的和平号是第3代空间站。它由1个核心舱和5个实验舱组成。这5个实验舱是用于天文观察的量子1号、用于观测地面和出入太空的量子2号、号称“太空工厂”的晶体号、用于大气研究的光谱号以及自然号。核心舱还可对接2艘载人飞船和1艘货运飞船。该站全部建成后是一个100多吨重的庞然大物，有人把它叫作“人造天宫”。它的核心舱是1986年2月用质子号火箭送入太空的。自此之后，其它各舱段像积木一样一个一个地接上去。1991年前苏联解体，使剩下的两个舱段又拖了近4年的时间才于1995年和1996年完成组装。全站建设费了近10年功夫。和平号在太空运行了15年，后由于严重老化和难以维持于2001年3月离轨退役。　　　　国际空间站设计寿命为10～15年，总质量400余吨，长108米，宽（含太阳能电池翼）88米，运行轨道高度为397千米。载人舱内的气压与地表面相同，按原设计可载7人。它由基础桁架、功能货舱、服务舱、节点舱和多个实验舱构成。国际空间站在组装阶段，其主要设施由俄罗斯质子号火箭、欧空局阿里安5号火箭以及美国航天飞机运送。组装完成后的运输工作由美国航天飞机、俄罗斯联盟TM飞船及进步号货运飞船完成。美国还计划研制一种升力体式救生飞船。按哥伦比亚号失事前的安排，全站建设工作要到2008年才能完成。　　　　航天飞机　　　　航天飞机属短期在太空飞行的载人航天器。目前只有美国研制并使用了航天飞机。此外，前苏联曾在1988年试飞过无人驾驶的暴风雪号航天飞机。美国制造出的实用型航天飞机有5架，按首次进入太空时间为序分别为哥伦比亚号、挑战者号、发现号、亚特兰蒂斯号和奋进号。其中挑战者号和哥伦比亚号已经失事。　　　　美国航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器。它以火箭发动机为动力发射到太空，能在轨道上运行，且可以往返于地球表面和近地轨道之间，是可部分重复使用的航天器和航天运输工具。它由轨道器、固体火箭助推器和外贮箱三大部分组成。固体燃料助推火箭共2枚，发射时与轨道器的3台主发动机同时点火。当上升到50公里高空时，两枚助推火箭停止工作，并与轨道器分离。它们在回收后经过修理可重复使用20次。外贮箱是个巨大的壳体，内装供轨道器主发动机用的推进剂。在航天飞机进入地球轨道之前主发动机熄火，外贮箱与轨道器分离，进入大气层烧毁。外贮箱是航天飞机各组件中唯一不能回收的部分。轨道器是载人的部分，有宽大的机舱，并根据航天任务的需要分成若干个“房间”。其上有一个大的货舱，可容纳大型设备。轨道器中可乘载3名职业宇航员(如指令长或机长、驾驶员、任务专家等)和4名其他乘员(非职业宇航员)。其舱内大气为氮氧混合气体。航天飞机在太空轨道完成飞行任务后，轨道器下降返航，像一架滑翔机那样在预定跑道上水平着陆。轨道器可重复使用100次。　　　　载人飞船、空间站和航天飞机的比较　　　　载人飞船、航天飞机和空间站是当代载人航天器的3种主要类型。其中载人飞船是开创载人航天历史的载人航天器。它用一次性火箭发射，发射费用较少，结构简单，用途也较广，既可作为天地之间往返飞行的载人运输工具，又可作为空间站的救生艇。与航天飞机比较，飞船技术比较简单，更切合载人航天初期的实际需要。发展航天飞机的初衷是想通过重复使用降低运行成本，但从目前发展航天飞机的大国看，其研制、运行费用并未减下来。俄罗斯因经费问题，其航天飞机未能研制下去，目前仍使用飞船。欧洲曾发展小型航天飞机使神号，但由于电子技术复杂和研制成本高，所以进行了8年之后又下马了。由此看来，中国发展载人航天事业，从技术基础和研制成本等多方面综合考虑，发展载人飞船是切合中国实际国情的途径，也符合载人航天历史发展的情况。前苏联和美国的载人航天都是从研制载人飞船起步的，即先用载人飞船把宇航员送入太空，接着利用飞船进行太空行走和航天器对接等活动，再由宇航员乘坐飞船登上月球（前苏联的登月计划没有成功）。　　　　空间站的特点之一是经济性。例如，空间站在太空接纳宇航员进行实验，可以使载人飞船成为只运送宇航员的工具，从而简化了其内部的结构，降低了太空飞行时的物资消耗。这样既能降低其工程设计难度，又可节省航天费用。另外，空间站在运行时可载人，也可不载人，只要宇航员启动并调试后它可照常进行工作，定时检查，到时就能取得成果。这样能缩短宇航员在太空的时间，减少许多消费。当空间站发生故障时可以在太空中维修、换件，延长寿命。增加使用期也能减少航天费用。因为空间站能长期（数个月或数年）飞行，故保证了太空科研工作（含军事方面）的连续性和深入性，这对研究的逐步深化和提高科研质量有重要作用。

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