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媒体称神十是人类最重飞船 比美俄飞船先进  

2013-05-31 12:47:45|  分类: 【科技博览】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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今年6—8月,神舟十号飞船将择机发射,与天宫一号目标飞行器再次进行有人交会对接,三名航天员将在太空中工作、生活一段较长的时间。这也是神舟飞船开展首次应用飞行。

神舟飞船的首次应用飞行,其重大意义在于:神舟八号、神舟九号和神舟十号的状态基本是一致的,本次任务取得成功后,这种状态的神舟飞船和长征2F运载火箭将构成我国标准的天地往返运输系统。这一系统不但能够用于空间实验室的航天员往返运输,未来也将作为我国空间站的运输工具,承担航天员天地往返运输系统和空间站救生船的职能。

在人类奔向太空的50余年历史中,天地往返运输系统始终支撑和书写着太空之旅的传奇故事。我们特邀中国航天科工集团公司二院研究员杨宇光博士撰文,为读者介绍人类天地往返工具的发展历程。

回顾人类载人航天历程,太空时代的到来,就是从载人天地往返运输系统的研制与试验开始的。在太空竞赛时期,前苏联和美国分别研制了三个系列的载人飞船,即东方号、上升号、联盟号和水星号、双子星号、阿波罗号。联盟号飞船经过不断改进,直到今天仍作为天地往返运输工具在使用。美国研制并使用了航天飞机,未来各航天大国还将研制新一代载人飞船。

研究这些载人天地往返运输工具的历史,可以更清楚地让我们了解人类航天技术的发展进程,并且更好地把握未来,让航天技术更加有效地为人类造福。

回答了“人能否进入太空”的问题,最大意义在于开创了载人航天的新纪元

1961年4月12日,前苏联航天员尤里·加加林乘坐东方一号飞船,从位于哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心飞上太空,宣告了人类载人航天时代的到来。虽然加加林乘坐东方一号飞船仅环绕地球飞行一周,却完整地验证了天地往返运输系统发射入轨、在轨运行、生命保障、测控通信、安全返回所需要的关键技术,证明了人类有能力实现可靠的天地往返。

东方号飞船是由前苏联航天技术的先驱谢尔盖·科罗廖夫领导的团队研制成功的,它由载人舱和设备舱构成,东方一号的重量大约4.7吨。载人舱是一个直径约2.3米的球体,也是在天地往返过程中唯一回收的舱段,因此在表面涂有烧蚀材料,确保返回过程中的高温不会传到飞船内部。而设备舱承载了飞船在轨姿态控制和返回所需的火箭、电源、测控设备和为航天员提供类似地面大气环境的气瓶等。实践证明,东方号飞船的这种分舱设计理念是比较合理的技术途径,除了美国最早的水星号飞船外,后来的载人飞船都采用了分舱设计。

东方号的发展历程并不顺利,前苏联在加加林进入太空前进行了多次飞船发射试验,有时还携带试验用的狗进入太空。从1960年开始,在经历了多次飞行试验失败后,终于取得了连续两次无人飞行试验成功,才决定由加加林进行首次载人飞行。东方号飞船一共执行了6次载人飞行任务。其中包括人类首次编队飞行的东方三号和东方四号,以及乘坐东方六号的人类历史上第一位女航天员瓦连金娜·捷列什科娃的飞行任务。

美国的第一代载人飞船是在前苏联取得巨大成就的情况下奋起直追的产物。当时美国运载火箭的能力还远不如苏联,所以第一艘和第二艘载人的水星号飞船只能用经过改造的红石弹道导弹送到亚轨道,不能环绕地球,只能在上升到最高点后像弹道导弹一样返回地球。1961年5月5日,艾伦B·谢泼德乘坐水星3号,成为美国第一位乘坐飞船升空的人,到达186公里的高空。之后乘坐水星4号的格里索姆也采用了亚轨道飞行方式。这种方式最大的问题是航天员在返回过程中要承受类似弹道导弹弹头的巨大过载,达到身体重量的11倍,其惊险程度可想而知。

在水星4号任务之后,因为有了更大的宇宙神运载火箭,美国才得以将水星号飞船送入环绕地球的轨道。1962年2月20日,约翰·格伦乘坐水星6号飞船绕地球飞行3圈,成为美国第一个进入地球轨道的人。此后的3次水星号飞行任务均取得了成功。

在载人航天的最初阶段,因为运载能力问题,美国的水星号飞船非常小,其发射质量只有大约2吨,在轨质量约1.3吨,内部容积只有大约1.7立方米,且采用了单舱结构。不过,由于水星号飞船返回大气层时底部朝下,可以产生一定的升力,使航天员能够通过手动控制调整飞行路线,这种受控再入的方式有利于提高落点精度,被后来所有的载人飞船采纳。

东方号飞船和水星号飞船的飞行,是人类初次进入太空的尝试,回答了“人能否进入太空”的问题,其最大意义在于开创了载人航天的新纪元。

登月竞赛中的载人飞船

美国阿波罗飞船共进行了7次登月尝试,6次成功,将12名航天员送上月球;

俄罗斯联盟号飞船在空间站时代大显身手,直到今天依然是国际空间站最主要的交通工具

在初步解决了人进入太空的问题之后,前苏联与美国马不停蹄,开始了更为激烈的太空竞赛。其中,美国在水星号任务期间就明确表示要在10年内将人送上月球。前苏联虽然从未公开正式的计划,但其航天活动明显也是在为这个目标做准备。而在登月活动所必须解决的问题中,最重要的就是舱外活动和交会对接技术。

通过对东方号飞船的改造,前苏联研制了上升号飞船。1964年10月12日,上升1号飞船承载3名航天员进入太空,绕地球16圈,首次实现了多人进入宇宙空间。1965年3月18日,上升2号从拜科努尔发射,列昂诺夫进行了人类第一次太空行走。应当说,虽然两艘上升号飞船取得了举世瞩目的成就,但在技术上并没有比东方号飞船取得太多的进步。这是前苏联急于求成的结果,也导致联盟号飞船迟迟不能投入使用。

相对于前苏联,美国在这一阶段的步伐稳定而迅速。由于有了更大的大力神运载火箭,双子星飞船的重量接近4吨,采用了两舱构型,其中载人舱能够承载2名航天员,且有较强的轨道机动能力。从1965年3月到1966年12月,共有10艘载人的双子星飞船发射入轨。其中双子星4号飞船开展了美国第一次出舱活动,双子星6号与双子星7号实现了人类历史上第一次真正意义上的精确交会,双子星8号实现了两个航天器的第一次交会对接,之后的几艘双子星飞船又完成了数次太空行走和交会对接任务,为美国的登月计划奠定了基本的技术基础。

美国和前苏联为实现登上月球的目标,分别研制了阿波罗飞船和联盟号飞船。但在这两型飞船的发展初期,均遭受到重大挫折。阿波罗1号飞船在进行地面试验时,由于采用纯氧大气,而舱门又不能迅速打开,导致三名航天员在一个电火花引起的火灾中丧生。此后直到1968年11月发射的阿波罗7号,才实现了阿波罗飞船的首次载人飞行。而俄罗斯的联盟1号飞船虽然在1967年4月23日正常发射入轨,却在返回过程中因为降落伞故障而迅速坠地,航天员科马洛夫不幸牺牲。在最初的挫折之后,两型飞船均进行了较大的改进,并且都在人类载人航天历史上留下了辉煌的篇章。

阿波罗飞船是为登月任务设计的,当不进行登月飞行时,由指令舱和服务舱组成,由土星1B运载火箭发射入轨。在开展登月活动时,会增加由上升段和下降段组成的登月舱,并由土星5号巨型运载火箭发射入轨。最重的阿波罗17号总重量达到约47吨。1968年12月,没有携带登月舱的阿波罗8号飞船实现了人类历史上第一次绕月飞行。1969年7月20日,乘坐阿波罗11号飞船的尼尔·阿姆斯特朗登上月球,标志着美国在登月竞赛中取得了全面胜利。此后一直到1972年12月,阿波罗飞船共进行了7次登月尝试,6次成功,将12名航天员送上月球。其间阿波罗13号飞船虽然因为服务舱的严重故障而未能成功登月,却在数千科学人员团队的努力下,采取各种抢救措施,成功挽救了3名航天员的生命,被誉为是“虽败犹荣”。

由于阿波罗飞船的机动能力非常强,在登月竞赛之后还被用做美国第一代空间站——天空实验室的天地往返运输系统,并在1975年与联盟19号飞船共同实现了人类第一次联合飞行任务。

虽然前苏联在登月竞赛中输给美国,但其间研制的联盟号飞船却在空间站时代大显身手,成为历代空间站的天地往返工具。联盟号安全飞行数十年,没有造成过船毁人亡的严重事故。联盟号飞船采用3舱构型,这是一种比较合理的布局形式,因此才能够以7吨的重量完成很多复杂的飞行任务。在联盟号的发展历程中,经历了联盟T、联盟TM、联盟TMA等多个系列的改型,不断提高性能,直到今天,依然是国际空间站最主要的交通工具。

航天飞机是人类历史上最引人注目的天地往返工具

由于采用技术过于复杂,维护和使用成本远远大于一次性运载火箭,以及运载效率极低、安全设计方面的不足等原因,航天飞机不得不退出载人航天历史舞台

美国研制的航天飞机是人类历史上最引人注目的天地往返工具。从1981年4月12日哥伦比亚号航天飞机的首次飞行,到2011年7月21日亚特兰蒂斯号航天飞机的谢幕之旅,航天飞机共进行了135次发射,取得了无数的科技与工程成果,在人类载人航天史上谱写了壮丽的诗篇,但由于挑战者号和哥伦比亚号两次巨大的灾难,也导致美国最终放弃了这种天地往返工具。

航天飞机在发展过程中采用了当时最先进的技术,例如可重复使用的防热材料等。它在返回过程中具有良好的机动性能,与飞船相比,可以利用机翼的升力在返回过程中进行更大范围的机动。而且航天飞机在发射与返回过程中的环境条件也不像飞船那样恶劣,使得很多普通人都有机会乘坐它进行太空旅行。航天飞机还具有很强的在轨操作能力,可以将8名航天员与有效载荷一同送上太空,并能将很大质量的载荷带回地面。这就使很多的太空维修任务和太空回收任务成为可能。

在航天飞机的飞行任务中,有发射卫星和行星探测器的任务,也有执行卫星维修与回收的任务,特别是航天飞机对哈勃号太空望远镜的数次维修,挽救并延长了它的任务寿命。航天飞机拥有可执行复杂操作的机械臂,有可敞开的巨大货舱,因此能够担当“太空工棚”的角色,复杂的国际空间站建设任务就是利用航天飞机的这一优势完成的。应当说,没有航天飞机,国际空间站巨大的桁架结构将很难构建。

然而,由于航天飞机所采用的技术过于复杂,导致其维护和使用成本远远大于一次性运载火箭。而且由于其采用了人货混合的运输方式,导致其运载效率极低:航天飞机的起飞重量接近土星五号巨型火箭的量级,其货物运载能力却只有大约24吨,再加上它在安全设计方面的不足,两次事故共14名宇航员丧生的巨大惨剧,导致美国不得不让它退出载人航天的历史舞台。

神舟系列载人飞船采用了当代更新的技术

是目前人类正在使用最重的载人天地往返运输工具,将成为未来我国空间站的天地往返运输系统,会朝着更加安全、可靠、舒适的方向发展

我国研制的神舟系列载人飞船,比俄罗斯的联盟号飞船略重,在美国的航天飞机退役之后,是目前人类正在使用的最重的人员天地往返运输工具。它采用由轨道舱、返回舱、推进舱组成的较为成熟的三舱构型,虽然在构型上和联盟号类似,却采用了大量更为先进的技术。例如,神舟飞船采用光电转换效率很高的三结砷化镓太阳能电池,其输出功率甚至比早期的礼炮号空间站都要大;采用铝锂合金的主结构,既轻巧又结实;与联盟号采用偏二甲肼不同,神舟飞船的统一双组元推进系统采用一甲基肼作为燃料,简化了增压系统的设计,工作更为可靠。神舟飞船的返回舱,也比联盟号更大更舒适一些。在神舟飞船的早期发展阶段,轨道舱还可在载人飞行任务结束后长期留轨,作为一颗科学试验卫星继续发挥作用。

神舟飞船在历次飞行任务中的出色表现,以及载人航天工程从一开始就完整考虑的前瞻性设计,使得神舟飞船足以胜任我国未来空间站的天地往返运输任务。在神舟飞船定型后,它可以在空间站上停靠半年,同时作为乘组长期驻留空间站期间的“救生船”。在航天员乘组轮换期间,可以有两艘神舟飞船同时对接在空间站上。

神舟飞船作为我国未来空间站的标准天地往返运输工具,采用了符合国际标准的导向瓣内翻式异体同构周边式对接机构。这样的设计在救援任务中特别有用,理论上也具备造访国际空间站的能力,而其他国家的载人航天器也可以经过较小改动后造访我国的空间站。这为将来开展载人航天国际合作,包括空间救援和飞船—空间站的互访,提供了极大的可行性。

可以预见,随着新技术的不断出现,神舟飞船也会不断改进,朝着更加安全、可靠、更加舒适的方向发展。

未来新一代载人飞船

美国新一代“猎户座”多用途乘员运输飞船,将用于执行登陆火星或小行星;

俄罗斯在积极设计自己的下一代载人飞船,提升未来新型载人飞船的乘组人数

在航天飞机退役之后,美国一方面通过租用俄罗斯联盟号飞船的舱位维持与国际空间站之间的人员运输,另一方面启动了商业轨道运输服务计划,将近地空间的天地往返运输服务交给轨道科学公司和太空探索公司等私人企业,执行了“龙”飞船任务等针对国际空间站的运输服务。此外,美国宇航局保留了已取消的“星座”计划中研制新型载人飞船的任务。

新一代的“猎户座”多用途乘员运输飞船可以乘坐4—6名航天员,在充分继承阿波罗飞船的构型形式基础上,各个分系统均采用了目前最先进的技术。它最终将用于执行登陆火星或小行星的飞行任务。预计在2030年左右实现登陆火星的任务。

俄罗斯也在积极设计自己的下一代载人飞船。由于受联盟号飞船只能乘坐3人的限制,国际空间站目前的利用率不高。未来新型载人飞船的乘组人数均有较大提升,这也是天地往返运输从探索阶段走向成熟阶段的标志。

    科学家们也对未来太阳系内载人飞行任务的途径进行了研究。目前普遍的观点认为:必须采用核动力火箭来突破化学燃料火箭带来的瓶颈。这是因为化学燃料所包含的能量非常有限,而核反应堆可以在很长时间内提供巨大的能量。科学家们提出的载人登陆木星的卫星,甚至土星和太阳系边缘的飞行任务,都是在这一假设下提出的,而这样的任务或许在本世纪内有望实现。

人类必然走向更深更远的空间。由于目前载人航天活动主要依赖化学燃料的火箭技术,即使往返火星也需要一年半左右的时间。这样的飞行任务还有很多的航天器工程技术、生命保障技术乃至心理因素等方面的问题需要解决。

(原标题:我神十成人类最重飞船 比美苏争霸飞船更先进)

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