宇宙飞船的发展
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。
迄今为止,宇宙飞船已经发展了好几代,但目前投入使用的却寥寥无几。不过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,对有些国家来说,在自己国家航天飞机尚未问世时,宇宙飞船仍然是其发展的重要目标。
苏 联
( 1) “东方”号宇宙飞船
“东方”号是苏联第一代载人飞船,轨道载人飞行。 “东方”号是在60年代以前载有动物的飞船基础上发展起来的。
“东方1”号宇宙飞船由乘员舱和设备舱及末级火箭组成,总重6. 17吨,长7. 35米。乘员舱呈球形,直径2. 3米,重2. 4吨,外侧覆盖有耐高温材料,能承受再入大气层时因摩擦产生的5000℃左右的高温。乘员舱只能载一人,有3个舱口,一个是航天员出入舱口,另一个是与设备舱连接的舱口,再一个是返回时乘降落伞的舱口,航天员可通过舷窗观察或拍摄舱外情景。航天员的座椅装有弹射装置,在发生意外事故时可紧急弹出脱险。同时在飞船下降到距离地面7000米的地方,航天员连同座椅一起弹出舱外,并张开降落伞下降,在达到4000米高度时,航天员与座椅分离,只身乘降落伞返回地面。设备舱为顶锥圆筒形,长2. 25米,重2. 27吨,在飞船返回大气层之前,与乘员分离,弃留太空成为无用之物。
1961年9月12日,俄罗斯航天员加加林乘坐的“东方1”号飞船发射成功,从而使他成为第一个进入太空的航天员; 4个月后,乌克兰族航天员季托夫乘坐“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号飞船航天员为女性。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。
( 2) “上升”号宇宙飞船
“上升”号是苏联第二个型号的载人飞船,重5. 32吨,球形乘员舱直径与东方号飞船大体相同,改进之处是提高了舱体的密封性和可靠性。航天员在座舱内可以不穿宇航服,返回时不再采用弹射方式,而是随乘员舱一起软着陆。
由于美国决定在1965年初发射载有2名航天员的双子星座飞船,该飞船具有交合、对接、机动飞行、舱外活动等能力。这使一心想争做第一的苏联人大为恼火,于是不惜血本将东方号进行了改进,让本来只能乘坐2人的飞船硬塞进了3人,这就使“上升”号飞船带有极大的冒险色彩。
“上升”号宇宙飞船的实体
“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,但安全性能仍然打上了折扣。“上升2”号飞船返回地面时出了故障,两名航天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,航天员几乎毙命。
( 3) “联盟”号宇宙飞船
“联盟”号是苏联的第三个载人飞船型号,它分原型和改进型。“联盟11”号以前的为原型,改进型约有20多艘。它们均是为建立空间站作准备的。
“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,它是航天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,数名航天员死于非命。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,航天员想尽了办法进行返降,但由于降落伞没有打开而使优秀航天员格马洛夫摔死。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。
1
“联盟”号宇宙飞船降落瞬间
“联盟”号飞船做过国际合作的飞行,曾有7个国家7名航天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
( 1) “水星”号载人飞船
“水星”飞船是美国的第一代载人飞船,总共进行了25次飞行试验,其中6次是载人飞行,6次不载人飞行,2次动物飞行。
“水星”飞船计划始于1958年10月,结束于1963年5月,历时4 年8个月。“水星”计划共耗资3. 926亿美元,其中飞船为1. 353亿美元,占总费用的34. 5%;运载火箭为0. 829亿美元,占总费用的21. 1%;地面跟踪网为0. 719亿美元,占18. 34%;运行和回收操作费用为0. 493亿美元,占12. 6%;其他设施为0. 532亿美元,占13. 46%。
“水星”计划的主要目的是实现载人空间飞行的突破,把载1名航天员的飞船送入地球轨道,飞行几圈后安全返回地面,并考察失重环境对人体的影响、人在失重环境中的工作能力。重点是解决飞船的再入气动力学、热动力学和人为差错对以往从未遇到过的高加速度和零重力的影响等问题。
“水星”飞船总长约2. 9米,底部最大直径1. 86米,重约1. 3~1. 8吨,由圆台形座舱和圆柱形伞舱组成。座舱内只能坐1名航天员,设计最长飞行时间为2天,飞行时间最长的1次为34小时20分,绕地22周( 1963年5月15日~16日“水星-9”飞船飞行) 。 “水星”计划的6次载人飞行共历时54小时25分钟。它的最后一次发射是在1963 年5月15日,飞船在太平洋中途岛附近的海上溅落。
“水星”飞船的姿态控制系统以自控为主,另有两种手控方式作为备份。航天员仅在必要时使用手控装置控制飞船的飞行姿态,在飞船操纵方面仅起到辅助作用,基本上是一名供地面研究人员了解人对空间飞行环境适应能力的受试验者。但在飞行中也表现出了人的主观能动性。
( 2) “双子星座”号飞船
从1965年3月到1966年11月共进行10次载人飞行。
1
“双子星座”载人飞船
“双子星座”号飞船是美国第二代载人飞船。主要目的是在轨道上进行机动飞行、交会、对接和航天员试作舱外活动等。为“阿波罗”号飞船载人登月飞行作技术准备。
“双子星座”号飞船重约3. 2~3. 8吨,最大直径3米,由座舱和设备舱两个舱段组成。座舱分为密封和非密封两部分。密封舱内安装显示仪表、控制设备、废物处理装置和供两名航天员乘坐的两把弹射座椅,还带有食物和水。无线电设备、生命保障系统和降落伞等安装在非密封舱内。座舱前端还有交会用的雷达和对接装置,座舱底部覆盖再入防热材料。设备舱分上舱和下舱,上舱中主要安装4台制动发动机,下舱中有轨道机动发动机及其燃料、轨道通信设备、燃料电池等。设备舱内壁还有许多流动冷却液的管子,因此设备舱又是个空间热辐射器。飞船在返回以前先抛弃设备舱下舱,然后点燃4台制动火箭,再抛掉设备舱上舱,座舱再入大气层,下降到低空时打开降落伞,航天员与座舱一起在海面上溅落。
( 3) “阿波罗”号飞船
“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1961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。其中,“阿波罗”11号飞船于1969年7月20~21日首次实现人登上月球的理想。
飞船由指挥舱、服务舱和登月舱3个部分组成,其中指挥舱是全飞船的控制中心,也是航天员飞行中生活和工作的座舱;服务舱采用轻金属蜂窝结构,周围分为6个隔舱,容纳主发动机、推进剂贮箱和增压、姿态控制、电气等系统,前端与指挥舱对接,后端有推进系统主发动机喷管;登月舱由下降级和上升级组成。
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,但它是美苏冷战时期的表演仪式,实用价值不大。
欧 洲
20世纪80年代,欧洲空间局开始载人航天计划。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。
载人飞船是搭载有航天员的飞行器,此飞船采用密封舱,具有重返地球的能力。欧洲空间局本来预计1997年开始正式研制,21世纪初实现载人飞行,但由于种种原因一再拖延计划。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。
延伸阅读
载人飞船历史上的几起重大事故
阿波罗4A飞船地面试验起火
1967年1月27日,美国肯尼迪航天中心34号发射阵地上进行载人飞船地面联合模拟飞行试验。
乘坐有3名航天员的“阿波罗4A”飞船对接在“土星1B”运载火箭上。3名航天员是:曾参加过“水星4”号亚轨道飞行、“双子星座3”号飞行且经验非常丰富的弗吉尔·卜格里索姆上校,曾参加过“双子星座4”号飞行并是美国第一个到太空行走的爱德华·H·怀特中校,还有一名是准备第一次上天飞行的罗杰·B·查非少校。如果这次地面模拟试验成功,这3名航天员即乘此飞船进入环地轨道飞行,以考验登月飞行的程度。
试验前,已对安全做过检查。因为火箭不加注,火工品也不安装,凡能发现的易燃易爆物均被移开或拆除。试验组织者认为已没有什么不安全因素,因此在试验现场也没有布设专门消防人员、医生和紧急救援人员。
试验按照程序进行。当进行到最后倒计时时,突然程序中断,飞船指令舱起火。从指挥室里的通信电话中,听到舱内的航天员大喊: “着火了! ”接着又听到“快放我们出去! ”的喊声。然而,还未来得及打开舱门,在短短的几十秒内,3名航天员就被烧死在舱内。
后来查明,这次起火原因是飞船导线短路,电火花引燃了舱内塑料制品。阿波罗飞船采用的是1/3大气压力的纯氧方案,一些在正常空气中本来是耐火的塑料制品,在纯氧中却成了易燃物品。此外,舱门打开时间设计为90秒,着火时船内形成负压,无论在外面还是在里面,舱门在极短的时间内都无法打开。
这场火灾造成了飞船地面试验时死亡3人的特大事故。它给后人很多启发。后来的阿波罗飞船舱内采取了一系列安全措施,如重新研制舱内材料,逃逸救生系统做了进一步完善,增加了防火措施。为了考核修改后飞船的可靠性,在原计划外又增加发射了两艘无人飞船。格里索姆1965年在“双子星座3”号飞行后曾说过: “即使我死了,我们仍需要人们接受它……征服太空是有价值的冒险事业。 ”格里索姆将他的宝贵生命献给了航天事业。1971年8月2日,“阿波罗15”号登月时,美国航天员将他们3人的骨灰撒在月面上。格里索姆等人生前未能登上月球,死后终于进入了“月宫” 。
联盟1号飞船返回科马罗夫遇难
1967年4月,苏联拟用新研制的“联盟”号飞船进行计划中的登月飞行交会对接模拟试验,安排“联盟1”号、“联盟2”号分别于4 月23日、4月24日发射,然后于4月25~26日在地球轨道上交会对接,并实现空间转移。
4月23日凌晨3时35分,弗拉基米尔·M·科马罗夫上校乘坐联盟1号飞船,在一片欢呼声中,从拜科努尔发射场准时发射升空。
飞行到第2圈时,科马罗夫报告说: “飞船左边的太阳能电池帆板没有打开,电源供电不足,无线电短波发射机没有工作。姿态稳定系统也受影响,飞船处于不规则运行之中。 ”
科马罗夫是苏联最优秀的航天员之一,飞行经验丰富。他将飞船的左边朝向太阳,试图打开帆板,但未成功。
到了第5圈时,飞船故障进一步加剧。科马罗夫尽力排除故障,试图启动飞船发动机以稳定飞行,但没有成功。弄得精疲力尽的科马罗夫在第10圈时,请求睡一觉。经允许后,中断了与地面的通信联络。
这时,地面飞控中心的科学家、工程师们也彻夜不眠,忙个不停。他们一方面密切监视“联盟1”号情况,指挥科马罗夫排除故障,采取紧急措施;另一方面要决定“联盟2”号是否还按计划发射。当时部分人员主张立即下令推迟“联盟2”号飞船的发射,全力抢救“联盟1”号。部分人员则主张飞完第13圈后再说。
“联盟1”号飞到13圈时,恢复了同地面飞控中心的通信联络。科马罗夫报告说,飞船故障未消失,姿态仍不稳定。飞控中心决定,“联盟2”号中止发射, “联盟1”号立即应急返回。
飞控中心技术人员研究了3种可能返回的姿态控制及导航方法,即星座定位、离子定位、手动控制。第2种在日出时不安全,因日出时会出现离子空洞,传感器可能失效。第3种要求航天员从地平线获得手控
1方位,但若飞船在地球阴影时,地平线不易看到,操作也相当困难,而这时返回恰恰是在凌晨。
经过慎重研究,飞控中心向科马罗夫发出命令:在第17圈时,用第2种方式返回。但第17圈时,调姿失败,未能返回。
第19圈时,科马罗夫手动控制返回,使飞船进入了返回轨道。当飞船按返回轨道降落至离地面10千米高度,该打开主降落伞时,地面指挥人员听到了科马罗夫说: “降落伞没有打开! ”
4月24日6时24分,飞船带着一团火光,以每秒100多米的速度冲向地面,降落于乌拉尔地区奥尔斯克以东65千米处,并发出几声猛烈的爆炸声,科马罗夫当场牺牲。当救援人员赶到现场时,飞船残骸还在燃烧。
鉴于这次事故的教训,苏联不得不对飞船重新进行审查,并取消了登月飞行计划。经过1年多的改进,才于1968年10月再次发射不载人的“联盟2”号。
科马罗夫为航天事业英勇献身,苏联为他举行了隆重的国葬,骨灰放在克里姆林宫城墙下。
1971年8月2日,“阿波罗15”号飞船登月时,美国航天员带去了一块刻有已故苏美航天员姓名的铭牌,安放于月球上,其中也包括了科马罗夫的名字。
阿波罗13号飞船的航天员死里逃生
1970年4月11日,美国又一次用“土星5”号运载火箭将“阿波罗13”号飞船发射升空,进行计划中的第3次登月飞行。这次飞行的航天员是洛弗尔、海斯和斯威加特。
飞船飞行到46小时40分02秒时,航天员“发现2”号贮氧箱贮量显示超差。
55小时53分时,1号贮氧箱压力偏低,指令舱报警器报警。
55小时54分53. 3秒时,飞船遥测数据丢失1. 8秒,主母线电压下降,报警系统报警。
差不多就在这个时刻, “砰”的一声,服务舱中的2号贮氧箱发生爆炸。飞船的报警灯亮了,报警器响了,主电压继续下降。斯威加特当即向休斯敦飞控中心报告: “喂!我们这里出事了。 ”海斯从登月舱的通道爬到指令舱,看到一些系统的电压已降到零,也立即做了报告。
这些情况都用电视实况转播给了全美国、全世界,使成千上万的人目瞪口呆。无数的美国人为他们祷告。
休斯敦飞控中心及时分析,认为是液氧贮箱爆炸起火,使得飞船上的氢氧燃料电池损坏。
飞船上的电源出问题,使得登月已经不可能,而且航天员也处于极端危险之中。
经过飞控中心科学家、工程师们艰苦细致的分析,休斯敦飞控中心果断地决定:中止登月飞行,利用完好的登月舱,立即返回地球。当时飞船离地球已经38万千米,已经越过地球引力界面,飞船正在月球引力下往月球飞去。如果要返航,必须有足够大的火箭推力来克服月球吸引力。登月舱显然难于胜任。
休斯敦飞控中心科学家们经过周密计算,并让地面航天员进入登月舱模拟,最后得出了一个最省燃料的返回轨道:飞船继续飞行,绕过月球,再启动登月舱发动机,以进入返回轨道。
由于氢氧燃料电池的贮氧箱还担负着飞船生命保障系统氧气和水的供应,因此航天员面临着电能不足、供水供氧困难、环境温度下降的处
1境。但3名航天员在地面飞控中心的指挥下,以顽强的意志和毅力,强烈的求生欲望,战胜了恐惧、寒冷、黑暗、疲劳等困难,和地面飞控中心人员密切配合,积极稳妥地实施着地面制定的救生方案。飞船在茫茫的太空中继续往月球飞去。
当飞船距离月球27. 6千米时,航天员启动登月舱下降发动机,工作了30. 7秒。飞船进入了环月轨道。
4月15日上午9时41分,在飞船转过月球后,再启动登月舱发动机4. 5分钟。飞船进入了返回地球的轨道。
登月舱的氧气、水、电越来越少,航天员由于疲劳和恐惧变得越来越烦躁不安。飞控中心指挥员一直和他们保持着联系,鼓励他们,并提醒他们吞服镇静剂。
美国将“阿波罗13”号未能登月的消息,及时通报给了全世界各国家,并紧急请求有关国家给予救援。包括苏联在内的13个国家提供了救援舰船和飞机,布置在美国军舰未能顾及的海域内等候。
4月17日,飞船进入了返回地球大气层的轨道。在进入大气层前,航天员启动4个姿态控制火箭,使登月舱推着服务舱向前加速飞行。随后,点燃分离爆炸螺栓,将服务舱分离。紧接着又启动反推火箭,使登月舱离开服务舱一段距离。
然后,登月舱的2名航天员回到指令舱,关闭两舱通道,点燃分离爆炸螺栓,将登月舱抛掉。
3名航天员乘坐指令舱返回了地球,平安地降落到太平洋洋面上。美国总统随“硫磺岛”号军舰前去欢迎了3名航天员的归来。
“阿波罗13”号飞船登月虽然失败了,但依靠人类的智慧和毅力,却奇迹般地将航天员营救回来。所以,航天界称这次飞行是“一次成功的失败” 。
事后,美国政府成立了事故调查组,查明了事故原因。安在服务舱液氧贮箱中加热系统的两个恒温器开关,由于过载产生电弧放电作用,将其连成通路,使加热管路温度高达500℃,烤焦了附近的导线,最后引起氧气爆炸。
联盟11号飞船返回时空气泄漏
1971年4月19日,苏联发射了人类第一个空间站—— “礼炮1”号。4天后,即4月23日,“联盟10”号飞船发射上天,直奔“礼炮1”号,并成功地进行了对接。对接后,由于故障,航天员尽力工作了5个多小时,试图进入空间站,但没有成功,只好应急返回。
6月6日, “联盟11”号飞船从拜科努尔发射场发射升空,载着肩负首批进入“礼炮1”号空间站重任的3名航天员,朝空间站飞去。这3名航天员是乔治·多勃罗沃尔斯基、弗拉基斯拉夫·沃尔科夫、维克多·帕查耶夫。飞船经变轨飞行后,在距空间站100米的地方开始交会对接,并获得成功,3名航天员打开舱门进入了空间站。
他们在空间站共停留了23天18小时22分,进行了一系列天文观测、植物在失重条件下生长的实验和一些医学实验,获得不少宝贵资料,干得相当出色。对接期间,还两次将空间站的轨道抬高。
6月29日下午9时,3名航天员离开“礼炮1”号返回。但3人都未穿航天服。飞船离开空间站后飞行了4个多小时,并保持着同地面上的联系。
6月30日1时35分,飞船按程序启动制动火箭。在再入大气层前,返回舱和轨道舱分离。但连接两舱的分离插头分离后,返回舱的压力阀门被震开,密封性能被破坏,返回舱内的空气从该处泄漏,舱内迅速减
1压,致使航天员因急性缺氧、体液沸腾而死亡。
尽管返回程序都是正常的,返回舱也在降落伞减速下,安然着陆。但当人们打开舱门时,看到的却是已经遇难的3名航天员的尸体。
这次事故的原因是飞船设计不合理,座舱拥挤,只有脱掉臃肿的航天服才能坐下。当时联盟号返回程序就明确规定,航天员在返回前必须脱掉航天服。对此设计和程序,不少科学家当时就反对,但航天部门的领导人不接受正确意见。为此,苏联航天负责人卡马宁将军被撤职。
这一事故是苏联载人航天活动中最为悲惨的一次。事故发生后,又一次推迟了苏联空间站的使用计划, “礼炮1”号此后再无人进入。飞控中心不得已,于发射后175天,忍痛发出降轨指令,将其退回到太平洋上空烧毁。“联盟”号飞行又一次中断飞行达2年3个月,以改进联盟号安全性能,将乘员从3人减为2人,并增加了1套生命保障设备,规定在上升、返回段必须穿上航天服。
载人飞船作为人类征服宇宙的一种工具,从开始使用至今,不过短短的30多年。在历史的长河中,可谓“弹指一挥间” 。与过去出现的任何一种运输工具相比,它是最年轻的,但也是发展最快的。这30多年,它的经历也是曲折的。不少科学家、工程技术专家为它而折腰,几位航天员为它而献身。但它已日臻完善,成为人类往返于空间站和地面的主要运输工具。今后,它还会进一步完善,会在通往月球、火星及其他星球的航行中再显雄风。