但事实证明航天飞机的成本远高于载人飞船,现有技术还做不到使整机全部重复使用。航天飞机系统仅有轨道器和固体助推火箭可以重复使用,设计寿命分别为100多次和20次。固体助推火箭用后还要从大西洋上打捞,体积最大的外燃料舱则是一次性的。载人飞船虽不能重复使用,但它的结构简单可靠,重量较小,发射费用低。
此外,载人飞船可以在范围很大的着陆场着陆,必要时还可以降落在水面上。而航天飞机只能在4000米长的机场跑道上降落。从这一点来看,航天飞机又比载人飞船“娇贵”得多。
航天飞机的着陆场与发射场相距甚远,每次降落后要用大型客机运回发射场检修,额外增加了成本。
6.无人乘载的载人航天器与有人乘载的载人航天器
以载人飞船为例。载人飞船中有航天员;无人的载人飞船是载人飞船系列中的一个成员,它的全部构造与系统都和载人飞船相同,只是不载人。
无人的载人航天器与无人航天器的主要不同在于前者有密封的航天员生活舱室,以及相应的环境控制和生命保障系统。
1999年,中国发射无人的载人飞船,叫载人航天的试验飞船。
无人的载人飞船虽然不载人,但它为了试验目的,可以乘载高等动物,如狗、猴、猩猩之类来代替人,也可以用假人(人体代谢模拟装置)来代替人的位置,模拟人体对于座舱环境的负荷量,验证飞船环控生保系统的性能,特别是对于座舱压力、气体成分、温度和湿度的控制能力。
发射无人的载人飞船的目的就是要保障和试验载人航天器的工作性能和可靠性,保障未来上天的航天员的生命安全,保障天地之间联络系统的可靠,以及发射、轨道飞行和再入大气层等技术的可靠,从而最后进行载人飞行。
7.未来飞船的发展方向
尽管可以重复使用的航天飞机早已问世,成为当今运载能力最大的载人航天运输器。虽然在轨道上长期运行的载人空间站技术日益成熟,向大规模开发太空资源方向发展,但所有这一切都无法掩盖最早的载人航天器——宇宙飞船——的夺目光彩。宇宙飞船仍旧活跃在天地往返的第一线。
那么,载人宇宙飞船今后将走向何方?
从目前和可以预计的将来来看,它会朝4个方面发展:一是有多种功能,尤其是可以用于商业旅游;二是返回落点的控制精度提高到百米级的范围以内,从而安全性更高;三是返回地面的座舱,经适当修整后可重复使用,以提高飞船的经济性;四是发展行星际飞船,实现载人登陆火星。
因此,目前商用旅游飞船前景非常看好。
8.载人飞船的发展历程
宇宙飞船已经发展了好几代,目前投入使用的宇宙飞船却屈指可数。
但被列入未来发展计划的飞船还是有的。虽然这之中已有部分计划已经失败,但对有些国家来说,在自己国家航天飞机还没有问世时,宇宙飞船仍然是其发展的重要目标。现在我们就来看看各国宇宙飞船的发展历程吧。
中国
早在二十世纪六七十年代,中国就制订了发展载人飞船的计划,准备在1973年底将第一艘“曙光”一号飞船发射升空。但因当时我国正处于“文化大革命”时期,经济基础薄弱,工业制造及相关工艺水平较低,工程不得不于1975年3月下马。
“曙光”号飞船最终尘封在科学家的设想和草图中,但该阶段的研制成果为后期载人航天工程载人飞船系统、航天员系统总体设计思路和关键技术的突破,奠定了坚实的技术基础。
(1)“曙光”号飞船基本情况
“曙光”号飞船由座舱和设备舱两大舱段组成,座舱内放置两把航天员乘坐的弹射椅、仪器仪表、无线电通信设备、控制设备、废弃物处理装置,还配有食物、水和降落伞;设备舱内设有制动发动机、变轨发动机、燃料箱、电源设备和通信设备。
“曙光”一号飞船设计方案类似当时最先进的美国双子星座号飞船,飞船形状像个倒扣的大漏斗。航天员可以坐在座舱内的弹射椅上进行仪器仪表、无线电通信设备的操作。
(2)“神舟”号飞船研制历程
关于863计划中的天地往返运输系统采取何种方案起步,航天部、航空部、国家教委、中科院等60多家科研单位、2000多人参加了论证,分别提出了空天飞机、火箭飞机、航天飞机、载人飞船等多种方案。
经过科研技术人员几年的研究论证,最终确定天地往返运输系统由研制载人飞船起步,由中国空间技术研究院负责飞船总体技术方案设计,上海航天技术研究院承担飞船推进舱和三个分系统的研制。
1991年4月,中国空间技术研究院提出了三种飞船结构方案,分别是三舱方案、两舱方案和硬通道方案。
三舱方案就是现在神舟飞船采用的轨道舱在最上面、返回舱在中间、推进舱在最下面的方案,在“曙光”号飞船基础上增加了一个轨道舱。轨道舱是航天员在太空自由飞行时的生活舱和工作舱,航天员返回地面前与其分离。这样返回舱就可以适当减小尺寸,供航天员上升和返回时使用;然而它的发射段救生难度却很大。
两舱方案没有轨道舱,从救生的角度讲,逃逸系统只需带动一舱,救生简单。但如果载3名航天员,生活用品也必须放在返回舱,但返回舱直径须达到3米以上,而这会带来发射时火箭整流罩增大、返回时降落伞增大、增加返回舱的结构质量等一系列技术难点。
硬通道方案也是采用三舱,但返回舱在最上面,采用一个外置刚性通道来连接返回舱和轨道舱,航天员可以通过通道进入轨道舱。这种方案因为返回舱在上面,救生容易,但通道设计在技术上很难做到实用可靠。
在方案阶段,飞船研制人员通过大量的计算、仿真验算和反复论证对比,最终确立了以推进舱、返回舱、轨道舱,两对太阳能电池阵构型和升力控制返回、圆顶降落伞回收的载人飞船三舱方案。
在党中央、国务院的关怀下,载人飞船系统工程紧锣密鼓地进行。经过7年多的努力,科研人员顺利完成了工程方案、初样、正样的试验任务,1998年10月完成了四艘初样无人飞船结构的生产和总装工作。1999年11月20日,神舟一号飞船成功飞向太空。
2003~2008年,5年间圆满完成了我国三艘载人飞船的研制和发射任务。
前苏联
东方号是前苏联第一代载人飞船,轨道载人飞行。东方号是在20世纪60年代以前载有动物的飞船的基础上发展起来的。
1961年9月12日,前苏联宇航员加加林乘坐的东方1号飞船发射成功,从而使它成为第一个进入太空的宇航员。4个月后,乌克兰族宇航员季托夫乘坐“东方”2号飞船飞行了48个小时。1962年8月11日~12日,“东方”3号、4号载人飞船进行了编队飞行。
1963年6月14日、16日,东方5号、6号载人飞船进行了编队飞行,其中6号飞船宇航员为女性。前苏联第一代飞船只有定向、导航、着陆、遥测等系统,没有姿态控制系统。
“上升”号是前苏联第二个型号的载人飞船。
由于美国决定在1965年初发射载有两名宇航员的双子星座飞船,该飞船具有交合、对接、机动飞行、舱外活动等能力。这使苏联人大为恼火,于是不惜血本将东方号进行了改进,让本来只能乘坐二人的飞船硬塞进了三人,这就使上升号飞船带有极大的冒险色彩。
“上升”1号飞船没有交合、对接、机动飞行的能力,甚至连宇宙服都取消了。“上升”2号飞船有舱外活动能力,但安全性能却大打折扣。上升2号飞船返回地面时出了故障,两名宇航员只得改用手工操纵,飞船落在远离回收区800千米以外的森林,宇航员差点毙命。
“联盟”号是前苏联的第三个载人飞船型号,它分原型和改进型两种。联盟11号以前的为原型,而改进型约有二十多艘,它们都是为建立空间站做准备的。
“联盟”号飞船由轨道舱、返回舱、服务舱三部分组成,总质量为6吨左右,全长7米多,呈圆筒型,直径约2.3米。轨道舱内部容积有5立方米,它是宇航员工作和休息的地方。服务舱分仪器舱和发动机舱,这两个舱在返回途中都会被抛掉。返回舱也叫座舱,两壁有舱窗,带有缓冲火箭和降落伞。
“联盟”号飞船的发展史充满了艰辛与灾难,数名宇航员死于非命。1967年4月,“联盟”1号载人飞船由于姿控发动机漏了燃料,飞船无法平衡。宇航员想尽了办法进行迫降,但由于降落伞没有打开而使优秀宇航员格马洛夫摔死。1971年6月29日,联盟11号在返回时,由于返回舱与轨道舱连接处的密封出了问题,舱内空气泄漏,三名未穿宇宙服的宇航员因爆炸性减压而死亡。
联盟号飞船做过国际合作的飞行,曾有7个国家7名宇航员通过飞船进入过空间站。联盟T号飞船从1978年开始进行不载人飞行试验,它使用了新宇宙服、新的燃料推进剂。从1979年12月到1985年9月,联盟T号飞船共发射了16艘。联盟TM号飞船是T号的改进型,首发是在1986年5月,它具有交合、对接、降落伞等系统。
美国
“水星”号是美国第一代飞船型号。从1958年开始,美国历经了4年8个月,进行了14次飞行试验。这之中有6次不载人飞行,2次动物飞行,6次载人飞行。
水星飞船一般只有1.5吨左右,高约3米,外形呈圆锥形。飞船具有定向、保障生命安全、控制飞行姿态的系统,部分的还有临险逃脱的能力。它的最后一次发射是在1963年5月15日,最后飞船在太平洋中途岛附近的海上降落。
双子星座是美国第二代载人飞船。它可以容纳2名宇航员,重约3吨。双子星座载人飞船外形像一个圆锥,由服务段和再入段两部分构成。服务段设在飞船后部,由制动火箭系统和仪器设备舱组成;再入段有3个舱室,这之中有座舱。座舱也呈锥形,底部直径为2.3米,顶部直径为1米,可以乘坐2人。舱内有食品、水、仪表、制导和通信设备,座舱侧面还有3层玻璃的观察窗口。
双子星座飞船采用弹射座椅救生系统,这和一般战斗机上的弹射座椅救生系统大同小异。据说,双子星座飞船曾经拍摄到我国的长江口、湖南等地的一些照片。
“阿波罗”是希腊神话的一个太阳神的名字。美国用它来为飞船和火箭命名,意义深远。美国的登月计划也称阿波罗计划,首次登月的“阿波罗11号”也只是登月飞船中的一艘。
从1969年5月25日开始,到1972年12月底,美国为实施阿波罗计划总共进行了17次飞行试验。然而,阿波罗计划也并非一帆风顺。1967年1月27日,“阿波罗4号”宇宙飞船的3名宇航员,在当地时间13点进入飞船座舱时,由于电短路产生火花,使座舱起火,3名身着不能防火宇宙服的宇航员被烧死。
阿波罗1~10号飞船进行登月试验活动,11号到17号均采取实践登月行动,有6艘飞船曾到达月球。
阿波罗飞船登月并非直奔而去,而是采用月球轨道交合法。即:
宇宙飞船从地球轨道进入月球轨道,再推向月球背面。然后从月球背面进入月球轨道,并转入地球轨道,回到地球。当然“阿波罗11”号宇宙飞船也不例外。
阿波罗计划总共花了11年半时间,耗费了250亿美元,收集了384.2千克的月球土壤岩石样品,并在月球上设置了一些仪器设备。
欧洲
欧洲空间局从20世纪80年代开始载人航天计划。这其中就包括太空拖船、载人飞船和“海尔梅斯”航天飞机。
太空拖船是一种空间自动转移飞行器——货运飞船。其两端为圆柱形设备舱和动力舱,中部为燃料箱和平台。
载人飞船是搭载有宇航员的飞行器。该飞船采用密封舱,具有重返地球的能力。本来,欧洲空间局预计1997年开始正式研制,21世纪初实现载人飞行,但由于种种原因计划被一再拖延。但无人货运飞船的研制一直在紧锣密鼓地进行,它将用“阿丽亚娜5号”运载火箭发射上天。