苏联/俄罗斯的载人飞船

1. “东方”号：      　　 前苏联在第一颗人造卫星上天后不久，就着手载人航天计划。1958年8月，前苏联进行了载人飞船方案的可行性研究。当时有人建议先研制一个飞行器进行载人亚轨道飞行，以获得有限的失重环境的经验。但总设计师科罗廖夫认为亚轨道飞行只能获得2~4分钟的失重环境，与飞机作抛物线飞行可获得半分钟失重环境相比，不可能会获得实质性的结果。前苏联还认为，进行亚轨道飞行会使设计和研究工作分散，计划的进度会放慢。前苏联决定在卫星式飞船试验成功后，直接进行载人的轨道飞行。1958年11月，该方案得到设计局主任委员会的批准，此计划就是“东方号”计划。“东方号”计划于1958年末批准，1959年初开始设计。前苏联为抢在美国之前实现载人航天，设计和一些制造工作同时进行。前苏联从可行性研究到1961年4月“东方”-1号载人飞船上天只花了2年半的时间，比美国的首次载人轨道飞行早了10个月。 　　组成情况： “东方号”飞船由球形返回舱和双锥形仪器舱组成。 　　返回舱：东方号飞船返回舱呈圆球体，直径2.3米，重量为2460公斤，内部密封舱容积为1.6立方米；基本结构为铝合金受力式结构，其外部是由烧蚀材料组成的防热层，重量约800公斤，在再入大气过程中保护着铝合金基本结构。在防热层外面，还包裹着一层温控层由多层镀铝薄膜组成，每层之间隔以玻璃丝网。在轨道上的真空条件下，可以有效地隔离辐射传热。在舱内设有航天员的座椅，生命保障系统设备，控制、监测和通讯仪器，着陆系统等，还有需要返回和与保证安全返回有关的仪器设备。　　仪器舱：仪器舱的结构是由一短圆柱段和两个截锥体组合而成，最大直径为2.43米，重量为2265公斤。仪器舱内安装着那些仅在轨道上飞行所需的而不需要返回的仪器设备，如遥测、通讯、轨道控制、电源、姿态控制系统和动力装置等。 　　东方号载人飞船的运行轨道大约是180×250公里左右的近地轨道。根据飞行计划安排空间飞行时间。需要返回时，在给定时刻，启动制动发动机，向飞船提供一定的冲量。据计算此冲量在给定的方向上对飞船提供了100~140米/秒的速度增量。结果不仅降低了速度值，同时也改变了速度方向。臻使飞船脱离了原运行轨道而进入返回轨道。飞船沿返回轨道下降，在达到100公里左右高度时便开始进入稠密的大气层。东方号飞船是以弹道式再入的，其上只有阻力作用，无升力或有限的无控升力作用。飞船再入最大制动过载为8~12g，而过载大于5g的持续时间约有100秒。地面试验也证明了人能承受这样的过载条件。当返回舱下降到20公里高度时，速度已减慢到亚音速。到10公里左右时，速度趋近于一个稳定值，大约为200~220米/秒。以后，其速度值变化甚小。为了进一步减慢到安全着陆速度，必须利用降落伞系统提供更大的阻力面积。在正常返回的情况下，东方号飞船的航天员有两种不同的着陆方式可供选择：一是坐在返回舱的座椅内着陆，另一是利用弹射座椅将航天员弹出舱外，分别着陆。  　　飞行试验概况： “东方号”计划的目的是把1人送上天并安全返回以及考察人在天上的自我感觉和工作能力。为确保首次载人飞行的安全可靠，前苏联从1960年5月至1961年3月，在将近1年的时间里进行了7次卫星式飞船的发射，其中两次因运载火箭故障未入轨道。这些卫星式飞船中载有假人、狗和生物，进行了航天医学和生物学试验，证明了人可经受住航天环境中各种因素的影响。事实上也是对飞船和运载火箭的性能进行试验。前苏联在卫星式飞船连续两次获得成功之后，开始进行载人飞行。自1961年4月至1963年6月，共发射了6艘“东方号”载人飞船。“东方号”飞船从绕地球1圈增加到81圈，还试验了两艘飞船相互接近的技术。其中，“东方”-3号和4号相互接近到6.5公里，“东方”-5号和6号相互接近到5公里。　　2. “上升”号　　早在1962年科罗廖夫就开始了联盟号飞船系统的方案研究，以期作为东方号飞船的后继型号。但是1964年末美国载2名航天员的双子星座飞船成功发射入轨，出于政治上的考虑，前苏联需要有一项与双子星座相抗衡的飞船计划。前苏联当局临时改变计划取消了原定的“东方号”-7飞行任务，推迟了联盟号飞船研制计划，开始上升号的研制与飞行，该计划从1964年10月至1965年3月历时五个月。上升号计划的主要任务是试验承载多人的飞船系统，考查航天员之间的配合能力，并试验舱外活动的能力。既然是临时性计划，按科罗廖夫的计划，将在1964年末进行历时一天的3人轨道飞行；在1965年初进行历时一天的2人轨道飞行；在1965年末进行历时2周的2人轨道飞行。但实际上仅进行了2次载人飞行。 　　组成情况： 上升号与东方号的主要不同点有以下各点： 　　（1）去掉了弹射座椅和航天服。苏联研制上升号飞船的任务就是为了在原来的东方号飞船那样的返回舱容纳下三名航天员，因而取消了弹射座椅，换上了三个带有减震器的座椅。由于航天服体积较大而又笨重，三名航天员都穿着它，也挤不进去座舱，只好穿普通的飞行服坐在座椅上。在着陆时，航天员只能采用坐在座舱内着陆，而不能采用弹射座椅到舱外分别着陆的方案。返回舱带有两个主伞下降，着陆火箭若不工作，垂直着陆速度为10米/秒；此时，着陆冲击载荷大部分由座椅减震器吸收。座椅在航天员肩部附近的减震器的行程为0.2~0.3米，这样使座舱的着陆冲击过载减少到20~30g，作用时间约0.05秒。这样强度的冲击过载，航天员是可以承受的。 　　（2）增加一个备份制动火箭。上升号飞船的运动轨道较高，轨道飞行时间只有一天，万一制动火箭失效，不能指望依靠其轨道的自然衰减来实现返回。又由于舱内容积狭小，三名宇航员挤在其中，生保和环境条件控制系统负荷很重，因此不能在轨道上进行较长时间的飞行，为了确保在返回飞船能及时可靠地转入返回轨道，除了东方号飞船原有的制动动力系统外，增加了一台固体火箭发动机。它被安装在返回舱的顶部，由宇航员手动控制点火。总重量为143公斤，其中包括固体火药87公斤，最大推力为12200公斤，总冲量为19600公斤秒，燃烧时间为2秒。 　　（3）增加了一个出舱闸道。为了实现太空行走，在上升二号飞船的侧壁上安装了一个可伸展的出舱闸道。其外部直径为1.2米，内装直径为1米，收缩后的高度为0.7米，伸开后的长度为2.5米。两端各装有一个密封的闸门。下端闸门向舱内开，直径为0.65米，上端闸门开向闸道内，直径为0.7米。闸道系统重量为250公斤。上升二号飞船的宇航员出舱活动要穿着专用软结构式宇航服，为了有活动空间，上升二号只有两名宇航员。飞船入轨后的第一圈末至第二圈初，闸道伸展出去。1965年3月18日，宇航员别利亚耶夫和列昂诺夫进入轨道后，列昂诺夫通过闸道出舱活动约24分钟，实现了世界上首次太空行走。宇航员在舱外活动时，由五米长的绳索系在船上，活动完毕之后，返回舱中，关闭密封舱门、抛掉闸道。 　　（4）以软着陆实现返回。上升二号不仅改进了降落伞系统，并且在着陆前增加了着陆反推火箭，组成降落伞-反推火箭系统来实现软着陆。主伞系统由两具面积为574平方米的主伞组成，保证返回舱以7.4±0.3米/秒的垂直速度着陆，如有一具主伞失效，返回舱也能以10.5米/秒的速度着陆。反推火箭用连接绳和连接索固定在主伞和返回舱之中，它有四个喷口，其轴线与发动机轴线呈30度的倾角。其点火由触杆式触地开关控制。这是机械式高度控制器，触杆由两条薄钢带组成，其两边缘互相固定，伸出时中间呈空心状，有一定刚度。触杆象钢卷尺那样卷在滚筒上，在释放时首先由火药作动器弹掉盒盖，解轴螺栓动作，滚筒解锁从壳体中坠出；触杆靠自身弹性伸直。当触杆的下端接触地面时，上端顶住行开程关，接通着陆反推火箭点火线路。 　　（5）关于救生问题。由于SL-03运载火箭没有救生塔，上升号飞船又取消了弹射座椅。上升号两次轨道飞行中，若在起飞后44秒内出现危急情况，飞船没有任何手段进行救急。显然，上升号飞船的飞行带有相当大的冒险性。两次上升号载人飞行之前，都发射了一艘结构相同的无人试验飞船。值得一提的是，1965年3月19日，上升二号飞船在轨道运行第十六圈即将开始返回程序时，姿态控制系统出现故障，飞船被迫多运行了一圈，并改用手动调整返回姿态。结果返回舱降落在乌拉尔山西坡，彼尔姆州境内大雪覆盖的森林里，离预定的回收区有800公里以上，险些出了严重故障。  　　 3. “联盟”号        联盟号飞船的主要任务是给空间站运送人员和少量物资，联盟号飞船主要活动包括：1）试验飞船本身的性能；2）试验并实现飞船与飞船之间，飞船与空间站之间的交会对接技术；3）为空间站定期运送人员、设备、材料，进行必要的维护照料；4）进行军事侦察。联盟号载人飞船是继东方号和上升号载人飞船之后的一种新型的载人飞船。联盟号载人飞船于1967年4月23日进行第一次发射。目前，它已经发展为4个序列：第一个是“联盟”序列；第二个是“联盟T”序列；第三个是“联盟TM”序列；第四个是“联盟TMA”序列。 　　组成情况： 联盟号载人飞船有三个隔舱：轨道舱、返回舱和仪器舱。　　返回舱：它在轨道舱和仪器舱之间，其外形是一个钟形体，这种外形可以确保空气动力的升力要求。为了防止再入时的气动加热的影响，在舱内采用了隔热的绝缘措施，外部采用了涂层来提供热和声保护。在再入大气层期间舱内的温度保持不超过25度到30度。在通常情况下，东方号和上升号飞船内的航天员在再入飞行期间要经受8g到10g的负载荷（负加速度）的作用，而联盟号上的乘员在再入飞行期间所经受的负载荷作用只不过是3g到4g减小了一半多。在发射之前两小时航天员便在舱内就座，在指令长面前的显示板上装有保证飞船正常飞行的各种仪器仪表、开关、电视屏幕。在板下的特殊舱口上还安装了光定向探测器。指令长的右侧装有航向控制，系统，左侧装有飞行控制系统。在飞船的左、右舷上都开有窗口以便于目测观察和照像侦察。有四套电视摄像机，舱内、外各安装两套，每秒能够传输625行和25张画面。大气再生系统使用强咸金属吸收二氧化碳，同时放出氧气，来维持正常的大气中的氮和氧的比例（这与阿波罗的大气和氧气之比相同）。热变换器用来减少过量的湿气并把它送到收集器中。飞船内的用水是用容器携带上来的，因为联盟号飞船不像阿波罗那样使用燃料电池的付产品来供水。上边的舱口在发射前作为乘员的入口，发射后是到轨道舱的通路。制动发动机点火持续大约146秒便开始了再入飞行阶段。一个主降落伞在8000米的高空被展开进行减速，在地面上约0.91公里时，固体燃料的反推火箭点火，使速度在着陆时不超过每秒3米。信标机在下降期间不断地发出信号，着陆后发出另一个信号以便帮助搜索用。　　轨道舱：它安装在整个飞船的最前端，估计体积为6.26立方米，这样提供了足够的空间让宇航员站立、工作、休息和睡眠。有四个舱口用来进行观察和照像，在舱内装有控制和通讯系统、便携式的电视摄像机、普通照像机和电影摄像机。在“侧甲板”上安装了食品存贮器、科学设备、医药箱和洗漱器。通讯和交会雷达的天线都装在外部，同时它也作为一个关闭和密封通信舱口和再入舱之间的气密封盖，降低轨道舱的压力，能够打开外部舱口，乘员可以外出到宇宙空间。为了进入礼炮号空间站，可以使用前端的舱口。对于“主动的”飞船，其前端要加一个2.74米的对接针；对“被动的”飞行器而言，要装一个锥形的与对接针相匹配的接配器。 　　仪器舱：它位于飞船的尾部，外形为圆柱形，舱内分成两部分，一部分是气密封闭的仪器舱，其中装有热调节（温控）管理系统、姿态和轨道控制系统、计算机、长距离无线电通讯和遥测系统；另一部分是非密封的动力系统舱，两台液体火箭发动机装在其中，一台是主发动机，另一台作为备份，它们各自能提供400公斤的推力，其主要用途是轨道机动（变轨）和再入飞行前的制动飞行，还有一台单独的低推力发动机系统用于姿态控制。在飞船的尾段的两侧各装有一块翼状的太阳能电池板，每块长度为3.36米。在轨道运行时，太阳能电池板展开后的宽度为10.06米，它提供了14平方米的太阳能电池的面积。太阳能电池板的两侧边缘都装有鞭状天线，用于地球通讯和遥测系统。在空间飞行时，航天员不能进入到仪器舱内。 　　联盟号飞船的动力系统是KTDU-35发动机。在1966年11月的一次非载人的飞行中进行了首次飞行试验。一般情况下，制动火箭燃烧要求15秒，点火次数在地面和空间要求有4000多次点火试验才能验证发动机是合格的。轨道机动/制动主发动机是单燃烧室，其真实推力为415公斤，真实比推力为280秒，燃烧室的工作压力为40公斤/平方厘米，备份用的发动机有两个燃烧室分别安装在两边，其真实推力为410公斤，其比推力为270秒。输送推进剂系统使用涡轮泵，开路循环。采用过氧化氢分解通过30个小推力器组成的独立网络来驱动涡轮。自燃推进剂是硝酸和偏二甲肼。在多次起动情况下，燃烧时间大于1000秒。在联盟-33号飞船飞行时，主发动机出现故障工作失败，而使用了备份发动机系统，从而保证了飞行。

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