漫談無人飛船

梁寶林

無人飛船即無人駕駛的飛船，按用途分為兩種，一種專供載人飛船試驗用，結構與載人飛船相同，另一種專門用來向空間站運送貨物。

載人飛船代表了科學技術領域多方面的發(fā)展水平，如火箭推進、制導、遙控遙測網絡、飛船制造材料、工藝和基地建設、專業(yè)人才等。飛船上有了人，還需要生命保障系統(tǒng)工程、航天醫(yī)學工程作保證?？梢哉f，載人飛船的研制是一個龐大的系統(tǒng)工程，需要一個比較長的發(fā)展過程，而無人飛船在其中扮演著開路先鋒的重要角色。

無人飛船是載人飛船系列中的成員，在發(fā)射最初的載人飛船之前，都要發(fā)射與載人飛船結構一樣的無人飛船；或者是某一系列飛船為了新的功能而進行改型，在發(fā)射改型載人飛船之前，也要發(fā)射無人飛船。其目的就是要確保飛船和發(fā)射系統(tǒng)絕對可靠和確保航天員的生命安全。

載人航天初期的無人飛船

前蘇聯(lián)為了把人送入太空，從40年代末到50年代末發(fā)射了一系列高空生物火箭，并進行了小狗"萊依卡"乘坐生物衛(wèi)星的太空飛行。直到1960年5月15日，前蘇聯(lián)才發(fā)射了第一艘無人飛船，這就是"東方"號飛船的初型。飛船乘有假人，在太空飛行了4天，鑒定與考驗了飛船各系統(tǒng)的性能，達到了預期的目的。再入大氣層時，飛船定向系統(tǒng)出了故障未能回收。1960年8月19日和12月1日，前蘇聯(lián)又先后發(fā)射了兩艘載有狗的無人飛船。兩艘飛船均在太空飛行了一天，進一步試驗了生命保障系統(tǒng)并進行了廣泛的太空生物學試驗。一艘飛船成功返回地面，另一艘飛船因返回時反推點火自動穩(wěn)定系統(tǒng)失靈，飛船再入角過大，在大氣層中燒毀。1961年3月9日和3月25日，為了進一步鑒定即將發(fā)射的"東方"號飛船的結構和各分系統(tǒng)的性能，前蘇聯(lián)又先后發(fā)射了兩艘無人飛船。它們分別在太空飛行了1小時45分和1小時46分，收到了良好效果。在無人飛船進行如此大量鑒定與試驗的基礎上，"東方"號飛船終于在1961年4月12日把人類第一個航天員送入了太空。"東方"號和前兩艘無人飛船一樣，在太空飛行了1小時48分。

美國于1961年4月發(fā)射第一艘"水星"號無人飛船，在此前10多年時間里，也發(fā)射了許多高空生物火箭，進行了亞軌道和彈道飛行的宇宙生物學研究，考驗了火箭和飛船本體。1961年4月25日到11月29日，美國先后發(fā)射了三艘無人飛船，其中兩艘乘有假人，一艘乘有靈長類動物黑猩猩。乘有假人的一艘無人飛船在太空飛行一圈后，因發(fā)生故障造成飛行失敗。其他兩艘飛船在檢驗飛船結構、地面跟蹤遙測和回收系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)等方面都獲得了滿意的結果，并成功回收。1962年2月20日，美國第一位完成軌道飛行的航天員格倫，乘"水星"號載人飛船在太空軌道飛行4小時50分，并成功返回地面。

無人飛船中的假人和動物

前蘇聯(lián)和美國在最初發(fā)射的無人飛船內，都有假人和動物作為試驗對象。假人重量同真人，能像真人那樣在體積上占據一個真航天員的空間位置，甚至可以穿上航天服進行試驗。還有的假人被航天工程師和航天醫(yī)學專家設計得幾乎與真人相同，它能呼吸消耗氧氣，排出二氧化碳，而且它也需要有一定的氣壓才能"生存"。這種假人在航天業(yè)界被稱作為"代謝假人"（人體呼吸與代謝模擬裝置），被用來考驗人體的生存能力和鑒定人體生命保障系統(tǒng)的可靠性。也有的假人還能對周圍特殊環(huán)境，如振動、噪聲、輻射、重力等因素作出反應，同時將測量的參數變化記錄下來，傳回地面遙測網絡，供控制指揮人員和科研人員參考。如果無人飛船中的氧氣供應不足，或者假人排出的二氧化碳等有害氣體過多又不能及時很好地處理，或者環(huán)境物理因素超過了人體耐受標準等，影響到假人的"健康"，甚至危及其"生命"時，這些信息也會傳回地面指揮系統(tǒng)。該指揮系統(tǒng)就可以作出中止飛行的指令。

狗、猴和猩猩等動物在無人飛船中，除需要占據一定的空間外，它們的生理變化以及對氧氣、水、食物、壓力和溫度、濕度等方面的需求與人體是相同的，只是在量上有些差異。猩猩等動物在無人飛船中是很重要的試驗對象，特別是在人尚未進入太空之前就顯得尤為重要。因為它們是活體，如果載人艙中環(huán)境有誤或者生命保障系統(tǒng)失靈，危及它們的生命安全時，就能很快地被發(fā)現(xiàn)和記錄下來。它們的健康狀況好壞和是否死亡，決定了無人飛船飛行試驗的成敗。當然，載人航天已有近40年，人在太空不僅能生存下來，而且還能做眾多科學實驗等多項工作，并且有的航天員已能在太空生活一年以上。因此，如果再把動物放在無人飛船中去做實驗，就顯得必要性不大了。所以，我國無人飛船中沒有猴和猩猩等動物的試驗項目也就不難理解了。

定型前的無人飛船

前蘇聯(lián)和美國在第一種載人飛船發(fā)射成功之后，為了執(zhí)行新的航天任務而設計了多種新的飛船。在新型號載人飛船沒發(fā)射之前，都要先發(fā)射無人飛船進行驗證。

美國"雙子星座"系列飛船的飛行任務主要是使人體能較長期（最長14天）在太空停留，并能在太空與其他航天器交會對接，以形成更大的軌道復合體。飛船包括座艙和設備艙，乘員2人。它的研制是為給"阿波羅"登月飛船打下技術基礎。"雙子星座"飛船共發(fā)射12艘，其中前兩艘是無人飛船。第一艘稱為"雙子星座"1號的無人飛船于1964年4月8日發(fā)射成功。發(fā)射該飛船是為了試驗飛船發(fā)射系統(tǒng)、運載工具及飛船整體結構的可靠性。第二艘無人飛船于1965年1月19日發(fā)射，除對飛船整體考驗外，重點是試驗飛船再入大氣層系統(tǒng)的可靠性。在無人飛船多次試驗的基礎上，直到1965年3月23日美國才發(fā)射了稱為"雙子星座"3號的第一艘載人飛船。因為"雙子星座"飛船的重點任務是太空對接，因此除發(fā)射10艘載人飛船外，還另外發(fā)射了5艘稱為"阿吉納"的不載人軌道飛行器供對接試用。

美國"阿波羅"登月飛船由指揮艙、服務艙和登月艙三部分組成，可乘載3名航天員。為了考驗飛船的性能和確保航天員的安全，在發(fā)射載人飛船之前，共發(fā)射了6艘無人飛船。1966年2月26日、7月5日和8月25日，分別發(fā)射了"阿波羅"1、2、3號無人飛船，除考驗飛船整體結構外，還重點對飛船的在軌飛行進行了液氧燃料的壓力試驗和在失重條件下液體推進劑的儲存等試驗。第四艘飛船按原計劃是發(fā)射載人飛船，但在地面試驗時，飛船內的三名航天員因失火被燒死，后改為繼續(xù)發(fā)射無人飛船。于是從1967年1月到1968年4月4日，又發(fā)射了"阿波羅"4、5、6號三艘無人飛船，在地球軌道上考驗其登月艙上升和下降段的火箭發(fā)動機點火、重新啟動和火箭分離程序，對飛船各系統(tǒng)的功能及熱屏障性能進行了試驗。到1968年10月11日才發(fā)射"阿波羅"7號載人飛船，繼續(xù)進行登月的飛行試驗。

前蘇聯(lián)在"東方"號發(fā)射成功之后，對該飛船進行了改裝和新的設計，研制出了可乘2～3人、并能進行出艙活動的"上升"號飛船。這個型號的載人飛船只發(fā)射了兩艘。"上升"1號飛船是1964年10月12日發(fā)射成功的，完成了三名航天人員的乘載任務。三名航天人員有一名工程師和一名航天醫(yī)學專家。第二艘是在1965年3月18日發(fā)射成功的，乘載2名航天員。他們進行了出艙活動并在太空行走了5分鐘。這兩艘飛船分別在載人航天史上創(chuàng)造出了多人飛行、非職業(yè)性航天乘員進太空（醫(yī)生和工程師）和第一次人在太空行走的三個太空"第一"。就在發(fā)射這兩艘"上升"號載人飛船之前，前蘇聯(lián)于1964年2月到8月先后發(fā)射了兩艘無人飛船，檢驗和鑒定飛船的整體結構與各系統(tǒng)的可靠性。

前蘇聯(lián)的第三代載人飛船名為"聯(lián)盟"號，能乘載2～3名航天員。其最初計劃是為登月作準備，后因技術不成熟和美國已先行登月等情況，改為給空間站運送航天員。飛船具有軌道機動、交會和對接能力，并能自主長期飛行。該飛船在長期發(fā)展過程中又進行了兩次改進，稱"聯(lián)盟"T型飛船和"聯(lián)盟"TM型飛船（題圖）。無論何種"聯(lián)盟"號飛船，在載人空間飛行之前都有發(fā)射無人飛船的記錄。如果不進行無人飛船的試驗，有時會釀成慘禍。

1967年4月23日發(fā)射的"聯(lián)盟"1號是一艘載人飛船，只乘載一個航天員。在返回時因降落傘發(fā)生故障，飛船墜毀，航天員死亡。接受教訓的前蘇聯(lián)人將2號飛船改為不載人飛船，作為第三艘"聯(lián)盟"號飛船--"聯(lián)盟"3號的靶船，于1968年10月25日發(fā)射入軌，在太空與"聯(lián)盟"3號對接成功。"聯(lián)盟"號飛船共發(fā)射40艘。此后，前蘇聯(lián)對"聯(lián)盟"號飛船進行了改進，在飛船上安裝了新的太陽能電池組和新的通信、導航系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)，稱為"聯(lián)盟"T飛船。改進后首先于1979年12月26日發(fā)射了一艘無人飛船，即"聯(lián)盟"T－1號飛船，為的是考驗新型飛船的性能，以提出進一步改進意見。相隔發(fā)射"聯(lián)盟"T－1號無人飛船半年之后，前蘇聯(lián)才發(fā)射"聯(lián)盟"T－2號載人飛船。這個型號的飛船共發(fā)射15艘。"聯(lián)盟"TM型飛船是在"聯(lián)盟"T型飛船的基礎上改進的。飛船本體采用強度更高重量更輕的特種材料制造，提高了推進系統(tǒng)的性能，可以將飛船推向更高的地球軌道。這種飛船在載人之前也同樣發(fā)射了一艘稱為"聯(lián)盟"TM－1號的無人飛船，對其整體結構和新改裝的各個分系統(tǒng)進行了驗證，而"聯(lián)盟"TM－2號載人飛船則是在1987年2月6日發(fā)射的。該型飛船至今仍在服役。

運貨的無人飛船

在載人航天活動中，除上述各種無人飛船外，還有一種專門運貨的無人飛船，這就是前蘇聯(lián)"進步"號無人駕駛貨運飛船。其主要任務是給長期停留在太空的"禮炮"6號和7號以及"和平"號空間站運送貨物。1978年1月到1981年3月前蘇聯(lián)"禮炮"6號空間站飛行期間，有12艘"進步"號無人貨運飛船與之對接。1982年5月到1985年6月，又向"禮炮"7號空間站發(fā)射了12艘"進步"號無人飛船。

圖示-“進步”號無人貨運飛船結構示意圖

圖示-“進步”M型飛船外形圖（下圖），沒示出對接返回裝置。

"進步"號貨運飛船在"聯(lián)盟"號載人飛船基礎上作了改型，例如將"聯(lián)盟"號的返回艙改為一個運送燃料的艙段。燃料艙還可以將航天員的生活用水以及壓縮空氣等送到空間站。"進步"號貨運飛船因沒有再入返回裝置，在把貨物送進空間站后，即墜入地球大氣層燒毀。

在"禮炮"7號空間站飛行期間，蘇聯(lián)還向其對接了一些試驗型無人飛船，如"宇宙"－1443。這是一種多功能無人飛船。它本身有太陽能電池組供電系統(tǒng)，并可從空間站攜帶500公斤貨物返回地球。

前蘇聯(lián)的"和平"號空間站是1986年2月20日發(fā)射到太空的，至今已有10余年，當前俄羅斯已決定讓其超期服役。從地球發(fā)往"和平"號空間站的"進步"號和"進步"M無人貨運飛船已有幾十艘，目前仍在服役。"進步"M是由"聯(lián)盟"TM型載人飛船改進而來，1989年8月23日第一艘該型飛船飛往"和平"號空間站。該型飛船包括"聯(lián)盟"TM型載人飛船的交會/對接系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、計算機和太陽能電池帆板等。此外，該飛船還增設了返加地面的裝置。■