当代宇宙飞船的发展

一、载人航天的利器载人航天是20世纪人类最伟大的壮举，它大大扩展了人类的活动范围，是进一步大规模开发与利用空间资源的重要手段，对国家的政治、军事、经济和科技等方面的发展均有重要的战略意义，因而受到越来越多的国家的重视。至今，人类已研制出了3种载人航天器，即宇宙飞船、航天飞机和空间站。它们各有所长，功能互补，其中前2种主要用作天地往返运输器，后者不返回地面，而是在太空轨道上长期运行，用于大规模科研和试验。在这3种载人航天器中，宇宙飞船是相对规模最小、技术最简单和费用最便宜的一种，因而也是被最先使用的载人航天器。但它还是比无人航天器(如卫星)复杂得多。麻雀虽小，五脏俱全。宇宙飞船与返回式卫星有相似之处，但因为载人，故增加了许多特设系统，以满足航天员在太空工作和生活的多种需要。例如，用于空气更新、废水处理和再生、通风、温度和湿度控制等的环境控制和生命保障系统，报话通信系统，仪表和照明系统，航天服，载人机动装置和逃逸救生系统等。空间交会对接技术是载人飞船工程的一项关键技术，因为只有这样才能为别的航天器提供运输功能。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更高，从而及时发现和营救航天员。苏联载人宇宙飞船就曾因落点精度差，结果使航天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。人类上天有3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，并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。至今，人类已先后研制出了3种构型的宇宙飞船，即1舱式、2舱式和3舱式。其中1舱式最为简单，只有航天员的座舱。美国第一个航天员格伦就是乘1舱式飞船水星号上天的。2舱式飞船是由座舱和提供动力、电源、氧气和水的服务舱组成，它改善了航天员的工作和生活环境。世界第一个男、女航天员加加林和捷列什科娃乘坐的苏联东方号飞船，世界第一个出舱的航天员列昂诺夫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2舱式，最复杂的就是3舱式飞船。它是在2舱式飞船基础上或增加1个轨道舱(卫星式飞船)，用于活动空间、进行科学试验等，如苏联/俄罗斯“联盟”系列飞船；或增加1个登月舱(登月式飞船)，用于在月面着陆和离开月面，如美国阿波罗号飞船。上述这些飞船是载人航天器的先驱，拉开了载人航天的帷幕，在载人航天史上有着不可磨灭的作用，有的目前仍活跃在载人航天的第一线。二、大同小异种类多1961年4月12日，苏联航天员加加林乘坐东方号载人宇宙飞船升空，成为世界航天第一人，开创了载人航天的新纪元。此举不仅使加加林名扬四海，载人宇宙飞船也因此蜚声全球，使人类拥有第一种载人航天器。载人飞船是目前最小的一种载人船天器，仅能往返使用一次，在太空轨道上一般能单独飞行数天到十几天，也可作为往返于地面和空间站之间或地面和月球以及地面和行星之间的“渡船”，还能与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。至今，人类已发射了多种宇宙飞船。除了载人飞船外，还有货运飞船和载人货运混合飞船。按照飞行任务的不同，载人飞船又可分为卫星式载人飞船、登月式载人飞船和行星际式载人飞船。前2种在20世纪已经发射成功，后1种有望在21世纪实现。发射最多、用途最广的飞船是卫星式载人飞船。这种飞船像卫星一样在离地面几百千米的近地轨道上飞行，飞行速度为第一宇宙速度(7.9千米/秒，其他两种飞船的飞行速度接近或超过第二宇宙速度)。目前，俄罗斯的“联盟”系列飞船仍活跃在航天第一线，它是由座舱、服务舱和轨道舱组成的3舱式飞船。座舱又叫返回舱，是载人飞船发射和返回过程中航天员乘坐的舱段，也是飞船的控制中心。它不仅和其他舱段一样要承受起飞、上升和轨道运行段的各种应力和飞行环境，而且还要经受返回时再入大气层阶段的减速过载和气动加热。它装有座椅、仪表、照明灯和通信装置等最必需的设备。服务舱又叫推进舱、设备舱或仪器舱，它一般紧接在座舱后面，通常安装推进系统、电源、气瓶和水箱等设备，起保障和服务作用，为飞船提供动力，为航天员提供氧气和水。轨道舱也称工作舱，它位于座舱前面，是为了增加航天员的活动空间，一般是航天员在轨工作场所，里面装有多种试验设备和实验仪器。气闸舱是航天员在轨出舱时，保证飞船舱内气体不致全部漏到宇宙空间的设备，即供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，在2舱式飞船中它是座舱的一部分，在3舱式飞船中它是轨道舱的一部分。对接机构也叫对接舱，它与座舱或轨道舱相连，用于与其他飞船或空间站对接和锁紧。载人飞船的应急救生装置，用于保障在紧急情况下使航天员安全返回地面，或转移到其他载人航天器上，现有弹射座椅、救生塔、分离座舱和载人机动装置几种。为了保证航天员能够进入太空和安全地返回地面，载人飞船一般设有结构分系统、生命保障分系统、热控制分系统、姿态控制与轨道控制分系统、推进分系统、无线电通信与测控分系统、电源分系统、仪表与照明分系统和返回着陆系统等多个分系统。其中生命保障分系统、应急救生分系统、仪表与照明分系统等为载人航天器特有的，因而比无人卫星复杂得多，是人类航天技术的一次突破性飞跃。三、简单又复杂虽说载人飞船是当今最简单的一种载人航天器，具有飞行时间短(最长自主飞行为14天)、沿弹道式或半弹道式路径返回、一次性使用等特点，其实它也很复杂，所以现只有俄、美、中三国拥有它。宇宙飞船在返回地面时，为了减速、防热及结构上的需要，返回质量越小越好。为此，一般真正返回地面的只有座舱，这也是分舱设计的重要原因，它像飞机在空中抛掉空油箱和多级飞箭抛掉熄火后的子级火箭似的“轻装下阵”。所以，飞船座舱的外形设计十分重要。座舱是载人飞船的核心，通常采用无翼的大钝头旋转体，有的是球形，有的是钟形。采用这种简单外形具有结构简单、工程上易于实现等特点。当飞船再入大气层时，座舱在距地面40km左右的高空就能急剧减速，造成的峰值减加速度(也叫最大过载)为8g左右(采用半弹道式路径返回方式可达3～4g)。这样的减加速度，经过选拔和训练的航天员是可以承受的。除了选择好外形，在座舱的结构设计中，要认真考虑航天员的进出方便，最好设有逃逸口。飞船在上升或返回过程中，若发生故障，需要应急弹射时，座舱门应可以迅速打开；而在轨运行或降落在海面时，则要求座舱门严格密封。航天员除可由座舱门进出以外，还能从应急逃逸口爬出座舱。座舱一般均有视野开阔的舷窗，以便航天员观察发射前的准备活动、在轨交会对接情况、返回点火时的姿态和再入着陆的地面情况等。俄罗斯航天员曾多次在自动对接系统失灵情况下，通过舷窗进行手动对接获得成功。在太空飞行时，光线的明暗对比度极大，交替变化也很快，一般很难适应，并有可能造成视觉的幻像，因此座舱均有特殊的照明系统，甚至有照度达500lx以上的摄影灯，以便对接、拍摄等。舱内柔和的光线和明亮的照度，可使航天员清楚地分辨仪表的读数。这些仪表通常只显示飞船的飞行高度等运动参数和氧气量等工程参数，而不显示航天员的生理参数。为保持航天员高效率工作，座舱内的大气压力和成分、供氧、二氧化碳和水汽的清除、水和食物、航天服等都要细致研究。在这方面有多种方法可供选择。例如，座舱既可保持海平面的大气压力，并维持普通空气成分，使航天员如履平地，也能采用低压纯氧的方法，后者可使座舱壁做得薄些，减轻飞船质量，但易着火。供氧也有高压气氧、低温液氧和固体化学供氧等多种方法。航天服是一种特制的衣服，通常由通风层、气密层、限制层、保暖层和外套等多层组成，具有防护作用和出舱两个功能。例如，当飞船座舱漏气时，航天员可由航天服继续供氧，而不至于马上出现生命危险。它主要用于飞船发射、返回或出舱的场合。飞船的气闸舱有两个闸门，一个与座舱连接叫内闸门，另一个是可通向太空的外闸门，航天员出舱前要在座舱内穿好航天服，然后走出内闸门，关闭内闸门，把气闸舱内的空气抽入座舱内，当气闸舱内和舱外压力相等时就可打开外闸门进入太空了。航天员返回气闸舱时按相反的顺序操作。内外闸门的气密性绝对可靠是气闸舱工作的基本条件，苏联上升－2飞船于1965年3月率先应用了气闸舱，航天员列昂诺夫通过它走出舱外，成为世界太空行走第一人。在载人飞船上升、轨道运行和返回地球3个不同的飞行阶段，有不同的飞行环境，所以其救生手段不同，例如，发射飞船的火箭起飞后发生危险，如果火箭飞行高度低于20km，航天员则可像飞机的飞行员一样启动弹射座椅从座舱弹出，再打开降落伞返回地面；若火箭的飞行高度超过20km，就只能启动飞船顶部的逃逸用的小火箭，用它把飞船拉离运载火箭，飞向安全区后，再打开飞船的降落伞，使飞船软着陆。由此可见，虽然载人飞船飞行时间短，规模小，但比无人卫星还是复杂得多，它增加了一系列特设系统。不过，由于它可由航天员直接操作，所以还是大大扩展了航天器的功能和用途。目前，载人飞船还是一次性的，要想重复使用须解决座舱热防护层能经受1000℃以上高温及返回着陆系统可保证准确着陆和很小的着陆速度这两大关键。国外正从这两方面入手研制可重复使用的载人飞船。四、用途广泛的一代天骄载人飞船在载人航天史上有着不可磨灭的功绩，它使人类实现了千百年的登天梦想。由于它在技术上较其他载人航天器易于实现，所需投资较少，研制周期也短，因而首先拉开了载人航天的帷幕。人类通过飞船突破并掌握了载人航天的基本技术，使人类千百年来的上天梦想得以实现。在送人上太空后，宇宙飞船被用于对地观测、航天员出舱作业和生物学研究等多种科学研究和各项航天技术试验，取得了巨大的成果。宇宙飞船最重要的用途之一就是为空间站和月球基地等接送航天员和物资，且费用较航天飞机低许多。若将载人飞船中的航天员座椅、环境控制与生命保障、返回着陆、应急救生等系统拆除，改装成不返回的、专门运货的飞船，就可以大大提高飞船的运载能力，其典型代表就是进步号货运飞船，它是由联盟号改进而成的。目前在轨的“国际空间站”和以前的和平号空间站、礼炮号系列空间站以及美国“天空实验室”空间站，都是用宇宙飞船作为天地往返交通工具的。苏联联盟－15飞船，曾在礼炮－7空间站与和平号空间站间来回飞行并对接，成为世界第一辆太空“公共汽车”。人在空间站内长期工作和生活，随时都可能出现危险，例如，航天员突发急病，太空碎片或流星击穿航天员生活的压力舱舱壁。这时就需要航天员马上撤离空间站，返回地面。由于宇宙飞船体积小、质量轻、成本低，因此很适于长期停靠在空间站上用作救生艇，它给空间站带来的负担也不大。若用价值连城的航天飞机作救生艇长期停留在空间站上，则得不偿失，使用效率太低了，并会给空间站背上一个大包袱，大大增加空间站姿态控制和保持轨道高度方面的费用。由于宇宙飞船带有推进系统，能机动变轨，因而还可以迅速降低高度进行侦察等军事活动。美国双子星座－7飞船在轨道飞行期间，飞船上航天员曾用红外遥感器监视和跟踪了1枚潜射导弹的发射，所获信息比潜艇上的观察人员报告的还要快。宇宙飞船在2001年和平号空间站坠落中也发挥重要作用。与和平号空间站对接的进步号货运飞船多次点火，使空间站的前进方向和轨迹不断改变，最终成功地将其推离原运行轨道坠入大气层。国外已开始用宇宙飞船进行太空旅游。自美国加州亿万富翁丹尼斯·蒂托2001年4月乘联盟TM飞船登上“国际空间站”，成为第一位登陆太空的旅行者之后，很多人都对太空之旅充满了期待。在飞船内，游客既能体验失重的感觉，又能透过舷窗博览群星，遥看大地。未来的太空旅客并不一定登陆“国际空间站”，而是在太空轨道上度过难忘的几天时光。未来的行星际载人飞行，从目前和可预见的将来来看，将由宇宙飞船率先实现，而且很可能是载人火星宇宙飞船。简言之，宇宙飞船无论在过去、现在，还是将来，都是大有作为的，因而可以说是方兴未艾。

Development of Modern Spacecraft