书城科普读物探究式科普丛书-上九天揽月:载人宇宙飞船
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第11章 宇宙飞船探秘(3)

具体过程为:运载火箭上装载的推进剂在发动机的燃烧室燃烧,产生高温、高压燃气,经超音速喷管,气流膨胀加速喷出产生反作用力,由此推动火箭飞行。在飞行过程中,火箭上的控制系统根据火箭所在位置和速度,不断调整火箭发动机推力的方向,使得火箭按照预定的轨迹飞行。在整个发射上升过程中,运载火箭将经过我国甘肃、内蒙古、山西、河北、山东等地上空,在飞行高度达到接近100千米(大气层边缘)的时候,运载火箭将抛掉整流罩以减轻重量,运载火箭将神舟飞船运送到入轨点时即实施飞船与火箭分离。至此,运载火箭就完成了其使命,神舟号飞船将携带航天员遨游于太空。

入轨后飞船上的控制分系统将对飞船进行姿态控制,使飞船保持预定的飞行姿态,确保飞船上的天线能与地面正常通信,飞船上的相机能对地面照相,航天员能通过窗户观察地球。神舟号飞船在大气层外,依据天体力学运动规律飞行,在地球引力的作用下作圆周运动,飞船绕地球一圈约1.5小时。地球本身的自转,使得神舟号飞船在地面的投影(星下点轨迹)并非是一个圆圈,而类似一条不断移动的正弦形曲线。在飞行过程中,为了消除发射误差以及扰动力的影响,飞船在运行段具有变轨及轨道维持的能力。

飞船在轨运行如果一切正常,将按原计划正常返回,如果出现异常,则可实施应急返回。正常返回与应急返回过程的主要区别在于飞船返回的时间及返回着陆区域不同,而返回的过程基本相同。

飞船返回首先需降低飞行速度,飞船上的控制分系统将先调整飞船的姿态,建立起返回制动姿态;然后打开反推发动机,使飞船减速,即让飞船具有返回着陆区的飞行速度;在经过一段下降的自由飞行后,飞船即再人大气层,在大气的阻力作用下,飞船的速度急速下降而产生很大的过载。与此同时,由于飞船与大气摩擦产生大量的热,为了使热量不伤害到航天员,飞船外层的烧蚀材料开始熔化,带走大部分热量。

从地球上观察,此时的飞船就像是一颗闪亮的流星划过天空,载人飞船控制分系统继续通过对飞船的姿态进行控制来改变大气阻力,以调整飞船飞行的轨迹,确保最后返回到预定区域。飞船下降到一定的高度时打开降落伞,在降落伞的牵引下安全返回地面。

2.飞船上有“黑匣子”吗

我们都知道飞机上有“黑匣子”,但宇宙飞船上也有“黑匣子”吗?

其实飞船与飞机一样,也装有“黑匣子”。它一般安装在飞船的返回舱内,主要是用来记录飞船的飞行数据的电子设备。

神舟号飞船从发射升空入轨到返回再入大气层,直至着陆的飞行全过程,可分成几个工作阶段,即发射前倒计时准备阶段、发射段、轨道运行段、返回段和着陆段。飞船在每个阶段工作的重要数据,都及时存进了黑匣子。

那你知道哪些是重要数据吗?例如飞船内的大气压力、温度、飞船的姿态,飞船上的发动机是否工作正常、工作多长时间,飞船上的电源供电状况、电压和电流的大小,以及各种主要设备的工作状态等,都一一存入“黑匣子”内部飞行数据,而这些数据是飞行任务结束后技术人员分析判断飞船在各个阶段工作是否正常的重要依据之一。

由此可以看出飞船上“黑匣子”具有十分重大的作用。为了很好的保护“黑匣子”内部的数据,技术人员对“黑匣子”进行了特殊的设计,并且采用了很多措施,使用了一些特殊的材料,给“黑匣子”穿上一身盔甲。

这样,就好比把“黑匣子”放进了保险箱,它不怕撞击,不怕高温,即使是掉进大海里,也不会被海水给浸蚀。当然,“黑匣子”外观并不是黑色的。为了便于工作人员辨认寻找,技术人员给“黑匣子”涂上了一层橘红色。

3.“阿波罗11号”登上月球

美国首次进行登月飞行的飞船是“阿波罗11号”,参加登月飞行的指令长是阿姆斯特朗,飞船驾驶员是科林斯,登月舱驾驶员是奥尔德林。1969年7月16日,一枚土星V运载火箭将“阿波罗11号”飞船发射升空,开始了登月之旅。

它的登月过程为:

0时0分0秒,土星V运载火箭点火发射;

2分41秒,火箭第一级停火,此时高度为62千米,时速9850千米;

2分43秒,运载火箭第二级点火;

3分17秒,逃逸火箭点火,发射救生塔抛掉;9分8秒,第二级发动机停火,此时高度为185千米;

9分12秒,第三级火箭点火,把飞船推入190千米高的地球轨道;

11分39秒,第三级停车,飞船继续进行轨道飞行;

2时44分16秒,第三级再点火,飞船进入飞向月球的转移轨道;

3时17分4秒,第三级与指令服务舱分离,此时距地球17210千米;

3时24分3秒,阿波罗指令服务舱第一次停泊;

4时16分59秒,指令服务舱靠自身控制系统转位,指令舱对准接合部;

4时40分1秒,指令服务舱与接合部弹出的登月舱对接,最终与第三级分离;

75时49分50秒,阿波罗飞船系统在进行第二次校正后,进入月球轨道;

80时11分36秒,阿波罗飞船系统环月飞行;100时39分52秒,阿姆斯特朗和奥尔德林乘坐的登月舱与指令服务舱分离,登月舱靠下降发动机减速下降;

102时45分39秒,登月舱以大约每秒1.06米的速度在月面下降;

109时7分33秒,登月舱门打开,两名航天员沿梯子踏到月面上,在月面停留2个半小时左右,完成插国旗、取样、摄影等任务;

111时39分13秒,两位航天员返回登月舱上升舱;

124时22分0秒,登月舱上升舱发动机点火,两级分离,离开月面;

128时3分0秒,登月舱在经过轨道机动后,与指令服务舱实现对接;

130时9分31秒,登月舱与指令服务舱分离;

135时23分42秒,服务舱主发动机点火,反作用控制系统工作,飞船离开月球轨道朝地球方向飞行;

194时49分12秒,进入地球轨道,指令舱与服务舱分离,指令舱再定向;

195时3分5秒,指令舱再入大气层;

195时18分35秒,指令舱在北纬13°19′、西经169°9′太平洋檀香山西南海域安全降落,此时时间为7月24日16时39分。

“阿波罗11号”飞船实现了人类几千年的梦想,完成了空前的登月壮举。正像第一个登上月球的阿姆斯特朗在踏上月球的瞬间所宣告的:“对一个人来说,这只是一小步;但对全人类来说,这是巨大的一次飞跃。”

阿姆斯特朗和奥尔德林在月球上停留了2小时31分钟,除了竖起了一面美国国旗外,还放置一台激光反射器、一台月震仪和一个捕获太阳风粒子的铝箔帆,拍摄了月球表面、天空和地球的照片,采集了22千克的土壤和岩石标本。

4.“阿波罗15号”飞船与前面几艘的不同之处

“阿波罗号”飞船按技术状态和工作能力大致可分为两组,“阿波罗”11~14号属于一组,“阿波罗”15~17号属于另一组。

“阿波罗15号”以后的飞船最大的改进是向月球带去了一辆小型月球车。它能够使航天员在月球考察的范围更大,采集的标本更丰富,而且月球车上还可以装科学仪器和摄像机,从而能够记录月球表面考察的情况。

月球车长31米,宽2.3米,车轮中心间距1.8米,底座高35.5厘米。

车轮为适应月面上松软和崎岖不平的特点,由金属丝网织成,每一个轮子都单独由一个电动机驱动,都可前后行驶和左右转弯,因此是真正的“四轮驱动”车。车的底盘由三段构成,用铰链连着,能使各部分在不平的月面都紧贴地面。四台电动机功率都是0.25马力,电源系统是2个36瓦蓄电池。为减轻重量,基本构架都由铝合金制造。此外,该组飞船携带的消耗品有所增加,科学仪器也有所变化。

1971年7月26日,“阿波罗15号”飞船发射升空。飞船称为“奋进”号,登月舱称为“隼”号。参加这次飞行的航天员是:指令长斯科特,指令舱驾驶员沃登,登月舱驾驶员欧文。他们的主要活动包括:对高山、峡谷和火山口进行了深入考察;安装了新的试验站;采集到了月球最初形成时的结晶岩石;进行了自由落体实验。

这次登月一个重大的活动是首次利用四轮月球车行驶到30千米以外的地方进行考察和采集标本,标本采集总量达77千克。在返回前,航天员将电视摄像机放置在月球车上,转播了登月舱上升时的情景。沃登在轨道上利用服务舱中的科学仪器间全景测绘摄像机和分光计探测了月球表面物质成份、太阳X射线和粒子辐射的相互作用。在返回轨道与服务舱对接后,航天员释放了一颗小型卫星,用以探测月球上辐射的射线。

5.宇宙飞船与航天飞机的区别

伴随着“神州六号”圆满完成各项试验和任务,顺利从太空凯旋,中国所取得的航天成就再次为世界所瞩目。随着人类航天活动的不断深入,宇宙飞船安全高效的优势越来越被广泛地认可。而在理论上更为先进的航天飞机却接二连三地出现安全隐患,人们自然而然地会问到一个相同的问题:宇宙飞船和航天飞机,到底有哪些不同呢?

载人飞船与航天飞机在外形上的区别是一目了然的。

从第一代的“东方号”、“水星号”飞船到第二代的“阿波罗号”飞船,再到第三代的“联盟TM”、“神舟”号飞船,载人飞船的返回舱经历了从球形到圆锥形再到钟形的演变过程,但基本上都是水滴形状的变体。

这是因为载人飞船返回舱在重回大气层时,要承受高温气体的冲击,这种形状既保证了减小阻力,又使姿态的调整成为可能。

但与载人飞船近40年的进化史不同,相比之下,自第一架航天飞机——美国的“哥伦比亚”号升空以来,它的外形没有发生任何变化。它在不同国家的远亲长得也相似,譬如前苏联的“暴风雪”号,都是由飞机形状的轨道器(有时我们把它称为航天飞机)、主燃料舱和助推火箭三部分构成。

无论是照相机还是汽车,工业制品的形式大都是为功能服务的,载人飞船与航天飞机也不例外。当代的载人飞船多由轨道舱、返回舱和推进舱三部分顺序串联,构成“列车”的形式。

这三部分的功能正如其名,轨道舱载有仪器和实验设施,供航天员在轨道上进行科学活动使用;返回舱像一个胶囊,保护着航天员轻装返回地球;推进舱装满氧气和燃料等辎重,上面的太阳能电池板为全船提供电力。

不像返回舱要经受重返大气层的考验,轨道舱和动力舱在设计时并未考虑空气动力学要求,它们只是近似的圆柱体,能方便纳入火箭整流罩即可。简而言之,载人飞船只是将人员从地面转移到太空的运输工具。

而航天飞机是火箭、载人飞船与飞机的组合体。它像火箭一样竖直地发射升空,像飞船一样在轨道上飞行,继而再像飞机一样经滑翔返回陆地。

航天飞机的轨道器具有大容积的货舱和灵活的机械臂,可以完成包括人造卫星、货运飞船、载人飞船甚至小型航天站所具备的多种功能。它可向近地轨道施放卫星,向更高的轨道发射卫星,以及回收、维修卫星等。而这些都是功能单一的载人飞船所望尘莫及的。如果说载人飞船是一列“客车”的话,那么航天飞机则是客货混运、兼有维修能力的“工程车”。

从技术上来说,航天飞机要比载人飞船先进。可是最先进的未必是最好用的。在1972年美国决定开发航天飞机时,目的就是研造一种成本低于载人飞船、用途又比载人飞船广的运输工具。