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载人航天的“三驾马车”
来源:《中国航天》     日期:2012年04月13日    字体:【】【】【
  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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