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前苏联/俄罗斯的载人航天技术
来源:《中国航天》     日期:2012年05月11日    字体:【】【】【
  1957年10月4日,前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星,开辟了人类航天的新时代。为了在与美国的太空竞赛中继续保持“东风压倒西风”的优势,前苏联紧接着就投入了把宇航员送入太空的准备工作。1961年4月12日,加加林被送入太空,初次实现了人类载人航天的梦想。之后,前苏联在载人航天领域连拿数项第一:首次把女宇航员送入太空,首次进行舱外活动,首次完成多人太空飞行……。在登月竞赛中失利后,前苏联把载人航天的重点放在长时间在轨停留上。前苏联/俄罗斯一直把载人航天计划作为其整个航天计划的重要组成部分,按照循序渐进、逐步发展的原则,逐渐形成了较为完善的载人航天体系,在长时间载人航天方面取得了领先地位。

  飞船:三代天马

  工欲善其事,必先利其器。要实现载人航天,必须要有天地往返运输工具,载人飞船即是其中一种。作为用运载火箭发射上天的一种载人航天器,它既能保障少量宇航员在太空轨道上生活和工作,又能以弹道式或弹道-升力式再入方式安全返回地面。至今前苏联/俄罗斯已研制出三代载人飞船。

  第一代是东方号。它是最先把人类使者送入宇宙空间的开路先锋,由座舱和设备舱组成,质量为45吨。座舱呈球形,可乘一名宇航员。宇航员坐在弹射座椅上。当飞船座舱返回地球到达低空时,宇航员乘弹射座椅离开座舱,乘降落伞单独着陆。设备舱位于座舱之后,呈圆锥形,主要装有电源和姿态控制用的压缩气瓶。东方号于1961年4月至1963年6月间进行了总共6次载人飞行,飞行时间最短为15小时,最长约6天。除了把宇航员送入太空并安全送返地面的基本任务外,东方3号和4号以及东方5号和6号飞船还分别进行了两船编队飞行,两艘飞船间的最近距离为5公里,为发展交会对接技术做了有益的探索。

  第二代是上升号。它是在东方号的基础上发展起来的,在座舱外增设了气闸舱,并用普通座椅代替了弹射座椅,还增加了着陆缓冲火箭。飞船质量约5吨多,最多可乘3名宇航员。上升号只在1964~1965年进行过两次太空飞行,但两次都为前苏联赢得了荣誉。它的首次飞行实现了一艘飞船乘坐3名宇航员。第二次飞行乘坐2名宇航员,其中列昂诺夫通过气闸舱步入船外的茫茫太空,成为世界太空行走第一人。

  第三代是联盟号系列。这种飞船从1967年开始使用,先后发展了联盟、联盟T、联盟TM和联盟TMA等型号,主要用于为空间站提供服务,具有轨道机动、交会和对接能力。联盟号飞船由球形轨道工作舱、钟形座舱和圆柱形设备舱组成,高7米,最大直径3米,总质量约68吨,可乘3名宇航员。球形轨道舱是宇航员在轨生活和工作的场所,分工作和生活两个区域,其前端还设有一个与空间站对接的舱口,宇航员可通过该舱口进入空间站。钟形座舱是飞船上升和返回时供宇航员乘坐的地方,直接和轨道舱连通,宇航员可在两舱之间来回活动。座舱中设有操纵飞船的设备和降落伞等。设备舱里装有推进剂、发动机和电源等设备,外装两块太阳能电池板。整个联盟号飞船看上去就像一只展翅高飞的大鸟,既能独立飞行,为空间站运送物资和接送宇航员,又可与空间站对接飞行,作为站上乘员的救生艇。

  联盟号是组合式飞船。与东方号相比,其内部可居住空间增大了一倍。座舱由球形改为钟形是为了达到良好的外力控制特性和精确的落点,并使再入过载由东方号的8~9g(重力加速度)减至3~4g。它一般载2~3名宇航员。返回时,钟形座舱先与轨道舱和设备舱分离,按预定轨道运行至离地4公里时打开降落伞,并借助缓冲火箭实现软着陆。

  在1967年4月至1981年5月长达14年的时间里,联盟号飞船共发射40次。前9次发射主要是为建立空间站联合体做技术准备。后来该飞船既是空间站的载人飞船,对接后又是整个空间站联合体的组成部分。联盟号为空间站的建立乃至前苏联整个航天事业的发展立下了汗马功劳。然而,通往宇宙的征途上不时会遇到挫折和失败,有时甚至要付出生命的代价。1967年4月23日联盟号首飞的结局就是悲剧式的。当时飞船上只有一名宇航员,他就是科马洛夫。飞船返回地面时降落伞系统发生了故障,主伞没打开,备用伞也失灵,飞船高速撞到地面,引起着陆缓冲发动机爆炸,科马洛夫殉职。他是世界上第一位在太空飞行中献身的宇航员。这一事故让前苏联的载人航天活动停止了一年半之久,其间有关部门对飞船着陆系统进行了大量补充试验和改进。

  1968年底,联盟号恢复飞行。但1971年6月悲剧再次发生。其时,联盟11号飞船载着在礼炮号空间站上工作了24天、创造了长期载人航天新纪录的3名宇航员按预定程序再入返回,并在预定区域实现了软着陆。但是,当地面救援人员打开舱门时,却发现3名宇航员已经牺牲。经查,事故是因座舱突然漏气造成的。之后,前苏联又对联盟号原设计方案作了重大改进。改进后的联盟号于1973年9月恢复飞行。1975年7月发射的联盟19号飞船实现了与美国阿波罗18号飞船的对接飞行和两船宇航员的互访。这是冷战期间,美苏两国唯一的一次太空握手。

  联盟T由联盟号改进而来。它采用了新型计算机,具有自动对接能力,提高了对接的可靠性;安装了新型太阳能电池帆板,延长了在轨工作寿命;使用了推力更大、机动能力更强的组合发动机,在万一飞船与空间站对接不上时仍可重新启动,再次对接。联盟T于1979年12月启用,1986年3月最后一次飞行。

  联盟TM则是在联盟T的基础上改进而来的。它采用了“科斯”新型交会对接系统,可使飞船与处于任何相对姿态的空间站对接,空间站不必为对接而进行机动;采用了用强度更高、质量更轻的材料制成的降落伞,使发射有效载荷和回收有效载荷均有所增加,并节省了座舱空间。1986年后,前苏联/俄罗斯一直使用它把宇航员送上空间站或接回地面。联盟TM飞船曾用作国际空间站的救生艇,负责在站上出现危险的情况下,把宇航员带回地面。

  1996年,俄罗斯开始研制联盟TM飞船一种全面现代化的型号(联盟TMM)。但在与美国航宇局就国际空间站计划达成协议后,俄决定暂且把改进范围缩小到放松对乘员身高的限制这一点上,并将新型号定名为联盟TMA(“A”表示“人体工效型”)。美国航宇局承担了相关改进的部分费用。2002年10月30日,联盟TMA-1在哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场进行了首次载人发射,把3名宇航员送上国际空间站,并接替原来在站上的联盟TM飞船,成为国际空间站应急救生飞船。2003年4月26日,联盟TMA-2发射升空,将两名宇航员送上国际空间站,以作为第7长期飞行机组接替因美国哥伦比亚号航天飞机失事而滞留在站上的3名宇航员。它的设计在轨工作寿命为200天。联盟TM可以运送身高164~182厘米、体重56~85公斤的宇航员,而联盟TMA则能运送身高150~190厘米、体重50~95公斤的宇航员,对宇航员身材的适应能力大为增强。联盟TM飞船对宇航员体重平衡要求极为严格,而联盟TMA则允许坐在左右两侧的宇航员的体重相差达45公斤。作为返回装置的一部分,降落伞也进行了改进,使着陆更加平稳和柔和。另外,俄还为延长飞船与空间站联合飞行的时间做了许多工作。进一步改进后,联盟TMA将能同空间站联合飞行一年,而不像联盟TM那样只有半年。

  尽管决定推迟研制联盟TM全面现代化的型号联盟TMM,但俄罗斯1999年又决定开始研制一种部分现代化的过渡型号,代号联盟TMS。该飞船拟采用新型计算机以及经过改进的姿控和降落伞系统,并用新的联盟2型运载火箭发射。该型号有望在2006~2007年间开始发射,将替代联盟TMA。

  随着空间站的发展和运货量增加,从1978年开始,前苏联还利用联盟号飞船改装出专门的货运飞船,称为进步号,用于运送空间站所需的推进剂及其它各种补给物资。1989年8月投入使用的进步M型货运飞船,载货量比进步号又多了100公斤,从进步M5起每次飞行还可送回一个再入小舱,运回和平号空间站上生产的材料、样品和其它科研资料。目前,进步M型货船担负着向国际空间站运送货物的任务。

  空间站:八座天宫

  从20世纪70年代起,前苏联的载人航天进入以载人空间站为主体的研究、试验新阶段。其特点是,充分利用60年代载人航天的已有成果,借助于以空间站为主体、以载人飞船和无人货船为运输手段的载人航天体系,在近地轨道上开展频繁的载人航天活动,研究人在空间环境中长期生活与工作的能力,进行与军事、科研和国民经济有关的试验。

  在参加以美国为首的国际空间站计划之前,前苏联共发射过三代共8座空间站,即第一代的礼炮1~5号、第二代的礼炮6~7号和第三代的和平号。礼炮1号于1971年4月19日发射升空,是世界上第一座空间站。随后,前苏联又分别在1973年4月、1974年6月、1974年12月和1976年6月发射了礼炮2~5号。其中礼炮4号是前苏联第一座非军事空间站,而礼炮5号则是它的最后一座军事空间站。

  礼炮1号由轨道舱、服务舱和对接舱组成,呈不规则圆柱形,总长约12.5米,最大直径4米,总重约18.5吨,在约200多公里高的轨道上运行。站上装有各种照相摄影设备和科学实验设备。礼炮1号在太空运行6个月,相继与联盟10和11号飞船对接组成轨道联合体,每艘飞船各载3名宇航员,共在站上停留了26天。礼炮1号完成使命后于1971年10月11日在太平洋上空坠毁。前5座礼炮号都只有一个对接口,只能与一艘飞船对接飞行。因站上携带的食品、氧、燃料等储备有限,它们的寿命都不长。

  1977年9月29日和1982年7月29日,前苏联又分别发射了经过改进的礼炮6和7号空间站。它们增加了一个对接口,除接待联盟号载人飞船外,还可与进步号货运飞船对接,以补给各种物资。礼炮6号在太空飞行近5年,共接待18艘联盟和联盟T型载人飞船,有16批33名宇航员到站上工作,其中1980年宇航员波波夫和柳明创造了在站上飞行185天的纪录。礼炮7号空间站进入轨道飞行后,接待了11批联盟T型飞船和28名宇航员,其中包括第一位进行太空行走的女宇航员萨维茨卡娅。1984年,宇航员基齐姆维约夫和阿季科夫在该站上创造了237天的连续飞行纪录。礼炮7号载人飞行累计达800多天,直到1986年8月停止使用。

  1986年2月20日,和平号空间站的核心舱发射升空。接下来,又分别有量子1号舱(1987年)、量子2号舱(1989年)、晶体号舱(1990年)、光谱号舱(1995年)和自然号舱(1996年)陆续上站,组成了总空间近400立方米的一座轨道联合体。经过10年才最终建成的和平号呈T字型结构,是世界上第一座采用多模块组合的空间站。它有6个对接口,全长329米,重约137吨,基础构件直径4米,运行在高350~450公里之间的低地轨道上。它的核心舱供宇航员生活居住,并控制全站的正常运行,5个专用实验舱则分别用于天文观测、对地观测、医学与生物学研究和材料加工试验等多种科学、军事和经济目的。

  由于经费不足,同时也为了专心参与国际空间站计划,俄罗斯于2001年3月23日命令和平号离轨再入,使这座曾是世界上体积最大、技术最先进、设施最完善、飞行时间最长的空间站走完了自己15年的太空历程。15年里,和平号绕地飞行8万多圈,共有31艘载人飞船和62艘货运飞船与之对接,美国航天飞机也曾9次访问它。俄罗斯、美国、英国、法国、德国和日本等12个国家的135名宇航员到站上访问和工作,开展了大量有价值的科研工作。宇航员波利亚科夫在这里创造了438天的连续空间飞行纪录,阿夫杰耶夫在这里创下了742天的累计空间飞行纪录,来自美国的露西德也在这里创下了连续飞行188天的女子航天纪录。

  1994年,俄罗斯与美国签署一项合作协议,加入了有十几个国家参与的国际空间站项目,成为其中重要的一员。国际空间站是一座采用桁架式结构的巨型组合式空间站,由大型桁架和多个舱段组成,总质量约430吨。根据分工,俄罗斯将提供科学研究舱、服务舱、科学电力平台、进步号货运飞船和联盟号载人飞船。1998年11月20日,国际空间站的第一个组件——俄方制造的曙光号功能货舱由质子号火箭从拜科努尔发射场发射升空,拉开了国际空间站建设工作的序幕。2000年7月12日,另一个重要的俄制组件——星辰号服务舱由质子号火箭发射成功,使国际空间站初步具备了载人飞行能力。根据现行计划,国际空间站将在2006年全部建成。

  航天飞机:只飞了一次

  目前世界上已有的载人航天器除载人飞船和空间站外,还有航天飞机。为解决空间站时代天地往返运输能力不足的问题,并作为对美国航天飞机计划的反应,前苏联从1976年开始研制暴风雪号航天飞机。暴风雪号于1980年开始建造,1983年首次对缩比模型进行了亚轨道飞行试验。1988年11月15日,暴风雪号由能源号火箭发射升空,进行了首次、也是唯一一次轨道飞行试验。这次飞行由于生命保障系统尚未通过检测和驾驶舱显示器没安装软件而没有载人,暴风雪号最终在自动驾驶仪的操纵下成功着陆。这次飞行后,该项目费用被砍,1993年项目正式下马。(子力)


  
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