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第19章 宇宙飞船——向太空长征的地球守护者(1)

宇宙飞船,是一种运送航天员、货物到达太空并安全返回的航天器。它能保证航天员在太空短期生活并进行一定的工作。它的运行时间一般是几天到半个月,可乘载2到3名航天员。

宇宙飞船:麻雀虽小,五脏俱全

宇宙飞船是一种运送航天员、货物到达太空并安全返回的一次性使用航天器。它能基本保证航天员在太空短期生活并进行一定的工作。它的运行时间一般是几天到半个月,乘载2到3名航天员。

宇宙飞船的技术要求

虽然宇宙飞船是最简单的一种载人航天器,但它还是比无人航天器复杂得多,以至于到目前仍只有美、俄、中三国能独立进行载人航天活动。

宇宙飞船麻雀虽小,五脏俱全。宇宙飞船与返回式卫星有相似之处,但要载人,故增加了许多特设系统,以满足宇航员在太空工作和生活的多种需要。

当然,掌握航天器再入大气层和安全返回技术也至关重要。尤其是宇宙飞船,除了要使飞船在返回过程中的制动过载限制在人的耐受范围内,还应使其落点精度比返回式卫星要高,从而及时发现和营救宇航员。苏联载人宇宙飞船就曾因落点精度差,结果使宇航员困在了冰天雪地的森林中,差点被冻死。

目前,掌握航天器返回技术的国家只有美国、俄罗斯和中国。人类想要进入太空需具备三个条件,除要研制出载人航天器外,还必须拥有运载力大、可靠性高的运载工具。应弄清高空环境和飞行环境对人体的影响,并找到有效的防护措施。

宇宙飞船的分类

至今,人类已先后研制出三种型号的宇宙飞船,即单舱型、双舱型和三舱型。其中单舱式最为简单,只有宇航员的座舱,美国第一个宇航员格伦就是乘单舱型的“水星号”飞船上天的;双舱型飞船是由座舱和提供动力、电源、氧气和水的服务舱组成,它改善了宇航员的工作和生活环境,世界第一个女宇航员乘坐的苏联“东方号”飞船、世界第一个出舱宇航员乘坐的苏联“上升号”飞船以及美国的“双子星座号”飞船均属于双舱型;最复杂的就是三舱型飞船,它是在双舱型飞船基础上或增加1个轨道舱(卫星或飞船),用于增加活动空间、进行科学实验等,或增加1个登月舱(登月式飞船),用于在月面着陆或离开月面,苏联的联盟系列和美国“阿波罗号”飞船是典型的三舱型。

天高任船飞。未来的宇宙飞船将朝三个方向发展:有多种功能和用途;返回落点的控制精度提高到百米级的范围以内;返回地面的座舱经适当修理后可重复使用。

世界上第一艘载人飞船是苏联的“东方1号”宇宙飞船,于1961年4月12日发射。

它由两个舱组成,上面的是密封载人舱,又称航天员座舱。这是一个直径为2.3米的球体。舱内设有能保障航天员生活的供水、供气的生命保障系统,以及控制飞船姿态的姿态控制系统、测量飞船飞行轨道的信标系统、着陆用的降落伞回收系统和应急救生用的弹射座椅系统。

另一个舱是设备舱,它长3.1米,直径为2.58米。设备舱内有使载人舱脱离飞行轨道而返回地面的制动火箭系统,供应电能的电池、储气的气瓶、喷嘴等系统。

“东方1号”宇宙飞船总质量约为4700千克。它和运载火箭都是一次性的,只能执行一次任务。

苏联第一代载人飞船:“东方号”

“东方号”是苏联最早的载人飞船系列,也是世界上第一个载人航天器。苏联航天员加加林乘飞船绕地飞行108分钟,安全返回地面,成为世界上进入太空飞行的第一人。

“东方号”飞船设计特点

苏联的“东方号”飞船由两部分组成,上端是球形乘员舱,直径2.3米,重2.46吨,乘员舱外部有两根遥控天线和顶端安装的通信天线,通信电线下端是一个小型通信电子设备舱。

乘员舱侧旁有一个观察窗和一个弹射窗,内部除装有生命保障及食物外,还有一台电视摄像机,一个光学定向装置,一个宇航员观测装置和宇航员应答装置。宇航员按设计要一直躺在弹射座椅上,生命保障系统可供宇航员生存10昼夜。“东方号”飞船的下端是仪器舱,它呈圆台圆锥结合体,最大直径2.43米,高2.25米,重2.27吨。在紧靠宇航员舱处有18个球形高压氮气和氧气瓶,用以为宇航员提供尽可能类似地面的大气环境。

“东方号”飞船的轨道设计有一个突出的特点,它采用近地点只有180千米的低轨道,这样低的高度,大气对飞船轨道衰减十分厉害。这种设计有这些优点:一是如果制动火箭系统失灵,飞船可以在10天内逐渐衰减降低轨道,最终以缓慢的速度返回地面;二是飞船设计可以不必考虑复杂的轨道保持系统,简化了设计;三是由于飞船不是垂直高速再入而是缓慢地大倾角再入,因而使烧蚀防热设计更容易些,但随之也带来了一个严重缺点,飞船的再入和着陆点很难预测,而且往往离发射场地很远。

“东方号”飞船飞行过程

“东方号”飞船在正式载人飞行之前,已经进行了7次不载人飞行试验,全面考验了飞船的设计、轨道飞行、飞船回收各个环节,其中有两次还搭载试验用的小狗。载人飞行一共进行了6次。

除加加林的首次航天飞行外,其余5次的飞行简况是:1961年8月6日,宇航员季托夫乘坐“东方2号”飞船进入地球轨道。原定这次飞行只绕地球3圈,但出于其他原因,飞行时间延长到25小时。结果,季托夫患上了前所未有的太空病,在整个飞行过程中,他一直感觉不佳,许多计划进行的重要实验无法完成。虽然他最后安全返回了地面,但由于太空病的影响,他永久离开了宇航员职业。

1962年8月11日,宇航员尼古拉耶夫乘“东方3号”飞船进入地球轨道。这次飞行持续了近4天。在他进入轨道第二天,“东方4号”飞船载波波维奇也进入了地球轨道。两艘飞船的轨道非常相似,两者相距仅6.5千米。由于飞船设有机动系统,他们的飞船一同进行了编队飞行。这为未来的交会对接积累了经验。在后来的飞行中,他们进行了重要的生物医学实验,并真正在飞船舱内飘浮移动。8月15日,两艘飞船先后安全返回地面。

1963年6月14日,宇航员比耶科夫斯基驾驶“东方5号”飞船升空。16日,世界第一位女宇航员捷列什科娃乘坐“东方6号”飞船升空。这两艘飞船除各自进行生物医学实验和对地观察任务外,也进行了编队飞行,最近距离只有5千米。6月19日“东方5号”和“东方6号”飞船安全返回地面。这次飞行,宇航员比耶科夫斯基创造了留空时间119小时的记录。

俄罗斯—欧洲合作开发新一代载人太空船

俄罗斯—欧洲合作开发的新一代载人太空船的官方设计图片于2010年公开。该太空船采用俄、欧先进的航天技术,用于替换俄罗斯的“联盟”载人飞船。

靠推进器软着陆

据英国广播公司报道,俄、欧正在联合开发的载人航天器被称为“机组空间运输系统”。俄罗斯航空航天作家、平面设计师阿纳托利·扎克根据俄航天器制造商在英国法保罗夫航空展上公布的设计,推出了新型太空船的设计图。

机组空间运输系统太空船与美国正在开发的“奥赖恩”新型载人飞船在某些方面具有相似性,它重约18~20吨,可以将6名宇航员送入低地轨道,将4名宇航员送入月球轨道。俄罗斯将为太空船发射提供运载火箭,这可能是一种全新的运载工具,或是现有火箭的改进型号。

与之前的载人航天器不同的是,机组空间运输系统太空船在返回地球时,将使用推进器实施软着陆。扎克表示,如果欧洲航天局和俄罗斯联邦航天署达成协议,欧洲将为太空船提供服务舱。这个服务舱将采用欧洲开发的自动转移飞行器所用的技术,如推进系统。自动转移飞行器是一种无人驾驶货运飞船,从2008年3月首次升空后,一直担负为国际太空站运送补给的任务。

两套发射方案

从2006年开始,欧航局就同俄罗斯联邦航天署就联合开发自动转移飞行器展开谈判。俄罗斯在谈判中坚持,未来的所有载人航天项目应在东方港安家落户。东方港是正在俄罗斯东部阿穆尔地区动工建设的新型发射场。俄罗斯政府希望2018年能在此地进行首次载人发射。

作为一种替代方案,两家航天机构也可能选择“载人级”欧洲“阿丽亚娜”5型火箭。“阿丽亚娜”5型火箭目前从法属圭亚那的库鲁航天中心发射。经过改进,“阿丽亚娜”5型火箭可以将宇航员送入太空。不过,这将涉及对库鲁航天中心的重大改造,包括基础设施升级,以便在发生紧急事件时支持乘员逃生。

两个航天发射中心在双方合作项目中扮演着重要角色。但是,如果无法达成合作,欧洲还有另一个选择——独自送人上太空。

“阿丽亚娜-5”运载火箭由欧洲空间局及国家中央发射场出资建造,以太空载具为主要承包商。太空载具公司则在欧洲建造火箭及在圭亚那太空中心发射火箭。

阿丽亚娜太空公司的“阿丽亚娜-4号”运载火箭虽然十分成功,但无法直接获利,因为其研发耗用了十年及70亿元。“阿丽亚娜”运载火箭从第一次发射成功即进行改良,有“阿丽亚娜”运载火箭的衍生型G,G+,GS,ECA及最新的ES。欧洲空间局原先计划“阿丽亚娜”运载火箭用来发射小型载人航天飞机汉密斯,并以“载人等级标准”来建造,当欧洲空间局将汉密斯计划取消后,“阿丽亚娜”运载火箭才完全为载物用途。

苏联第二代载人飞船:“上升号”

“上升号”宇宙飞船重5.32吨,球形乘员舱直径与东方号飞船大体相同,改进之处是提高了舱体的密封性和可靠性。宇航员在座舱内可以不穿宇航服,返回时不再采用弹射方式,而是随乘员舱一起软着陆。

人类首次太空行走

1965年3月18日,苏联发射“上升2号”飞船。这次只载有两名宇航员列昂诺夫和贝里亚耶夫。他们此行的目的主要是完成史无前例的创举:太空行走。

在飞船进入轨道1个半小时后,列昂诺夫尝试第一次太空行走。他通过长约2.5米,内径1米气闸舱缓冲段,缓慢地进入开放空间,一根长5米的绳索把他与飞船连在一起。可是这次伟绩并不那么壮观,也不十分顺利。

首先,他一出舱便遇到了旋转的麻烦,靠自身的能力没有办法消除失重。在舱外停留约12分钟后,他按指令返回座舱,但又碰到另一个几乎致命的问题:在真空条件下宇航服膨胀起来,原来狭小的通道容不下、挤不进。经过几分钟的挣扎,列昂诺夫最后总算安全返回了“上升2号”飞船。这次飞行除完成人类首次太空行走外,还进行了一些有价值的研究。他们在轨道上停留了1天零2小时,于3月19日返回地面。

“上升号”飞船的具体任务

“上升号”飞船一共进行了两次发射。1964年10月12日发射的“上升1号”飞船在轨道上飞行了24小时17分钟,3位宇航员完全处于自由状态,不管工作、饮食、休息,都不扎上皮带固定,以充分体验失重状态对人体机能的影响。1965年3月18日发射的“上升2号”宇宙飞船中两名宇航员中的一位,穿上了特制的宇宙服,在宇宙空间自由飘动,最远飘离飞船5公尺。对于“东方号”和“上升号”飞船的上天,苏联曾作了大量的宣传,充分赞扬了苏联宇航方面的成就。

1964年10月12日,“上升1号”准时发射,在环绕地球的轨道上飞行了17圈。在飞行中,宇航员按照惯例用无线电电话和赫鲁晓夫通了话,但整个航行没有获得任何具有科学价值的成果。10月13日,“上升1号”飞船安全返回地面。

“上升2号”飞船的飞行,也是美苏太空竞赛的一种表现方式。苏联早就得到消息,美国“双子星座”宇宙飞船上的宇航员要试验空间“行走”,后来更得到了确切的发射日期:1965年3月23日。

为了抢时间,赶在美国之前实现宇航员宇宙“行走”,苏联于3月18日发射了“上升2号”飞船,再一次获得了一个“第一”。美国宇航员到宇宙中“行走”,计划是降低座舱压力,打开舱口出入的。苏联采用了一个简便办法,在舱口安装了一个轻便的出入管道。进入宇宙的宇航员先进入这个管道,由另一名宇航员从后面封闭管道口,然后那位宇航员就能打开舱口,进入宇宙。

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