飛船——載人航天的突破口

李大耀

現(xiàn)今世界上，雖然有不少國(guó)家和組織在從事載人航天技術(shù)的研究，進(jìn)行或參與載人航天器的發(fā)展，但只有俄羅斯（前蘇聯(lián)）和美國(guó)研制并發(fā)射了載人航天器。前蘇聯(lián)和美國(guó)在發(fā)展載人航天的過程中，都選擇載人飛船（簡(jiǎn)稱飛船）作為突破口。近10幾年間，曾有些國(guó)家和組織試圖跨過飛船去直接研制航天或空天飛機(jī)、空間站等高級(jí)、復(fù)雜的載人航天器，但經(jīng)過幾年的摸索后，終因技術(shù)基礎(chǔ)不扎實(shí)、所需投資過于龐大等緣故，不得不放棄了原先的計(jì)劃。實(shí)踐證明，載人航天從飛船起步，符合從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從小型到大型、從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展規(guī)律。

載人飛船用途多

在迄今出現(xiàn)的3種載人航天器——載人飛船、空間站和航天飛機(jī)的軌道器中，載人飛船出現(xiàn)最早、且一般來講規(guī)模最小和技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單。它是一種能保障少數(shù)航天員在太空軌道上執(zhí)行特定的航天任務(wù)，并能使航天員座艙以彈道式或彈道－升力式路徑再入稠密大氣層，最后在地球表面垂直著陸和安全回收的航天器。載人飛船在太空軌道上獨(dú)立飛行的時(shí)間一般為幾天到十幾天，內(nèi)部容積幾立方米，可乘坐1～3名航天員，不能重復(fù)使用（可重復(fù)使用的飛船尚處于概念研究中）。按運(yùn)行范圍，載人飛船分為衛(wèi)星式載人飛船、登月飛船，今后還可能出現(xiàn)登火星的載人飛船。迄今已出現(xiàn)的載人飛船，除一種曾用于載人登月外，其他都是往返于地面和近地球軌道之間的衛(wèi)星式載人飛船。

載人飛船不僅是人遨游太空的工具，而且是航天技術(shù)領(lǐng)域、特別是載人航天技術(shù)領(lǐng)域中一種多用途的航天器。

載人飛船技術(shù)上較易實(shí)現(xiàn)、所需投資較少、研制周期較短。人們常利用它來試驗(yàn)載人航天的基本技術(shù)和開展航天醫(yī)學(xué)、生理學(xué)等方面的研究。一般認(rèn)為，載人航天的基本技術(shù)有三項(xiàng)：一是載人入軌技術(shù)，即將航天員送入太空軌道的技術(shù)；二是載人在軌技術(shù)，包括航天員在太空軌道上生活和工作、將飛船與另一航天器在太空軌道上交會(huì)和對(duì)接、航天員出艙活動(dòng)等；三是載人返回技術(shù)，為使飛船上的航天員安全返回地面的技術(shù)。對(duì)載人航天來說，從飛船上升到空間站這3項(xiàng)技術(shù)是不可缺少的。

空間站是不載人發(fā)射的，也不具備自行返回地面的能力。它的乘員和所需的物資以及它在太空活動(dòng)的成果，要靠載人飛船、貨運(yùn)飛船或航天飛機(jī)送入站和接回地面。載人飛船是現(xiàn)今最成熟的一種與空間站相配套的運(yùn)人運(yùn)輸器。在其與空間站對(duì)接后，可用它來擴(kuò)大空間站的規(guī)模和作為空間站的救生艇。

載人飛船除了攜帶航天員外，一般還要裝載一些用于執(zhí)行特定航天任務(wù)的儀器設(shè)備。因此，可以通過載人飛船為空間站積累人如何在太空中參與工作的經(jīng)驗(yàn)、為擬用于空間站的有效載荷進(jìn)行試驗(yàn)研究；還可以用載人飛船進(jìn)行一些有科學(xué)價(jià)值、能產(chǎn)生效益的太空開發(fā)，如進(jìn)行軍事偵察、地球資源勘測(cè)、天文物理研究等。

載人飛船的組成

載人飛船是飛船載人系統(tǒng)的核心部分。飛船載人系統(tǒng)包括發(fā)射場(chǎng)、運(yùn)載火箭、測(cè)控網(wǎng)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保、應(yīng)用系統(tǒng)和載人飛船等各分系統(tǒng)。載人飛船本身又是一個(gè)由有效載荷、結(jié)構(gòu)平臺(tái)、服務(wù)與支持系統(tǒng)等組成的復(fù)雜系統(tǒng)。

載人飛船等載人航天器與人造地球衛(wèi)星等無人航天器的最大不同在于前者最重要的有效載荷是航天員。在世界萬物中，人是最寶貴的。為了確保航天員在太空軌道上生活、工作和能從太空軌道上安全返回地面，載人飛船的服務(wù)與支持系統(tǒng)，除了應(yīng)包括一般無人航天器均具備的熱控制分系統(tǒng)、姿態(tài)控制分系統(tǒng)、軌道控制分系統(tǒng)、無線電通信和測(cè)控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、信息與數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)外，還必須有密封艙環(huán)境控制分系統(tǒng)、生命保障分系統(tǒng)、航天員應(yīng)急救生分系統(tǒng)、儀表與照明分系統(tǒng)、返回著陸分系統(tǒng)。此外，載人飛船各分系統(tǒng)的可靠性和復(fù)雜程度也比一般無人航天器來得高。

載人飛船的結(jié)構(gòu)平臺(tái)一般分為航天員座艙、軌道艙、服務(wù)艙、氣閘艙、對(duì)接機(jī)構(gòu)和總裝直屬件等幾部分，登月飛船還有登月艙。

其中：航天員座艙為密封艙，是飛船在發(fā)射和返回過程中航天員乘坐的艙段，也是飛船的控制中心。因此，座艙也可稱為指令艙或返回艙。

軌道艙是航天員在軌道上工作和生活的場(chǎng)所，內(nèi)部裝有各種實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備。它可以是完全密封的，也可以是部分密封的。

服務(wù)艙通常安裝推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、電源和氣源等設(shè)備。因此，服務(wù)艙也可稱為設(shè)備艙或推進(jìn)艙。

氣閘艙用于航天員在太空軌道上出入艙時(shí)保證密封艙內(nèi)的氣體不會(huì)全部泄漏到太空中去。

對(duì)接裝置用來與空間站或其他航天器相對(duì)接。

登月艙用于登月活動(dòng)，一般由下降級(jí)和上升級(jí)等組成。

視任務(wù)的不同，上述這些艙段有的艙段，如軌道艙、氣閘艙、對(duì)接裝置、登月艙可能不存在，有些艙段如軌道艙和氣閘艙可能合并為一體。迄今為止已出現(xiàn)過的載人飛船或是2艙式（座艙＋服務(wù)艙）結(jié)構(gòu)，或是3艙式（座艙＋服務(wù)艙＋軌道艙或登月艙）結(jié)構(gòu)。俄羅斯“聯(lián)盟”號(hào)為一種典型的3艙式結(jié)構(gòu)的載人飛船（見圖1）。

載人飛船的發(fā)射

載人飛船一般是由2～3級(jí)串聯(lián)式或組合式（捆綁助推器式）運(yùn)載火箭發(fā)射入軌的。為了確保航天員在發(fā)射起飛和飛行初始階段的安全性，通常要在其頂部安裝逃逸救生塔（圖2）。

逃逸救生塔是載人飛船應(yīng)急救生系統(tǒng)的重要組成部分，由塔架、固體逃逸火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和分離火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等組成。其中，逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)采用多個(gè)傾斜噴管，以使其噴出的高溫燃?xì)獠恢苯記_刷飛船。當(dāng)運(yùn)載火箭在發(fā)射起飛段出現(xiàn)緊急情況時(shí)，點(diǎn)燃逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)，將飛船拖離危險(xiǎn)區(qū)，使航天員獲救。當(dāng)飛船不帶救生塔時(shí)，也可用彈射座椅的方法將航天員彈出座艙進(jìn)行救生。

運(yùn)載火箭的發(fā)射方向主要取決于發(fā)射點(diǎn)的地理緯度和飛船運(yùn)行軌道的傾角。向正東方向發(fā)射時(shí)（發(fā)射方向的角度為90°），軌道傾角等于發(fā)射點(diǎn)地理緯度，而且可以最大限度地利用地球自轉(zhuǎn)速度來提高火箭的運(yùn)載能力。

載人飛船的回收?qǐng)鍪鞘孪冗x定的。因此，對(duì)只進(jìn)行返回制動(dòng)、而不作其他機(jī)動(dòng)變軌的載人飛船，運(yùn)載火箭必須把飛船送到一條能在預(yù)定返回時(shí)刻飛經(jīng)回收?qǐng)錾峡盏某跏架壍馈?/p>

載人飛船的軌道運(yùn)行

載人飛船由運(yùn)載火箭送入預(yù)定的太空軌道后，就一邊沿軌道運(yùn)行、一邊在航天員的參與下執(zhí)行特定的航天任務(wù)。

太空為高真空、強(qiáng)輻射環(huán)境，背景溫度只有4°K。為此，必須對(duì)航天員座艙以及軌道艙內(nèi)的航天員工作區(qū)在結(jié)構(gòu)上采取嚴(yán)格的密封、抗輻射和熱控制措施，還必須通過環(huán)境控制系統(tǒng)和生命保障系統(tǒng)來維持密封艙內(nèi)有一個(gè)適合航天員生活和工作的大氣環(huán)境。

環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)的主要任務(wù)為：保證密封艙內(nèi)有合適的大氣總壓和氧氣分壓，提供航天員所需要的氧氣，排除航天員產(chǎn)生的二氧化碳?xì)?，將密封艙?nèi)微量有害氣體的濃度控制在安全范圍內(nèi)，控制密封艙內(nèi)氣體的溫度、濕度，提供航天員飲用水、食品，收集和處理航天員的廢棄物，提供能保障航天員生命活動(dòng)和工作能力的個(gè)人密封裝置（即航天服）。

載人飛船密封艙內(nèi)的大氣環(huán)境可以采用兩種不同的機(jī)制：一種為純氧機(jī)制，艙內(nèi)充1／3大氣壓的純氧，這是因?yàn)槿撕粑?個(gè)大氣壓的純氧會(huì)中毒，呼級(jí)1／3大氣壓的純氧不會(huì)出現(xiàn)問題；一種為標(biāo)準(zhǔn)大氣機(jī)制，艙內(nèi)充1個(gè)大氣壓的氧、氮混合氣、且氧、氮的比例與標(biāo)準(zhǔn)大氣相同。

載人飛船航天員裝備的航天服分艙內(nèi)航天服和艙外航天服，其構(gòu)成見圖3。艙內(nèi)航天服的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。航天員出艙活動(dòng)時(shí)，艙外航天服與便攜式生命維持系統(tǒng)相連，形成閉路循環(huán)系統(tǒng)，以維持航天員正常的生理活動(dòng)。

載人飛船沿太空軌道作無動(dòng)力慣性飛行時(shí)，其內(nèi)部是一個(gè)微重力的失重環(huán)境。航天員在這里的生活和工作與地面情況有很大不同。這里沒有上和下的概念，自然也就沒有慣常使用的床。航天員或躺在座椅上入眠或睡在掛在艙壁上的睡袋里。這里也沒有輕與重的分別，航天員如不勾住艙壁就會(huì)飄浮起來，稍稍一碰其他物體就會(huì)向相反的方向飛離而去。因此，航天員在乘飛船上天之前，必須在地面或空中模擬的失重環(huán)境中進(jìn)行專門訓(xùn)練。

載人飛船座艙的返回

載人飛船在太空完成了預(yù)定的任務(wù)后，航天員座艙就可以向地面返回。

與返回式衛(wèi)星座艙返回相類似，載人飛船座艙返回地面也需經(jīng)過離軌、過渡、再入稠密大氣層和著陸4個(gè)飛行階段（圖4）。當(dāng)然從技術(shù)上來講，飛船座艙的返回要比衛(wèi)星返回艙的返回更復(fù)雜和更困難。

離軌段利用服務(wù)艙內(nèi)的制動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)改變座艙的速度，將其轉(zhuǎn)入一條可進(jìn)入稠密大氣層的過渡軌道。

對(duì)于由軌道艙、座艙和服務(wù)艙組成的載人飛船，離軌段由第一次分離（分離軌道艙）、調(diào)姿（將座艙與服務(wù)艙組合體的姿態(tài)調(diào)整到返回姿態(tài)，即使制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管指向運(yùn)動(dòng)的前、上方）、制動(dòng)（制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，使座艙與服務(wù)艙組合體的速度由原來的運(yùn)行速度變成一個(gè)數(shù)值略有減小、方向朝地面偏轉(zhuǎn)了一個(gè)小角度的速度，由此組合體就轉(zhuǎn)入到一條能進(jìn)入稠密大氣層的過渡軌道）和第二次分離（分離服務(wù)艙）等幾個(gè)環(huán)節(jié)組成。

過渡段為座艙從離開原來的運(yùn)行軌道、直到開始進(jìn)入稠密大氣層的一段飛行。在此階段中，常需將座艙（一般為軸對(duì)稱外形）由小頭朝前的姿態(tài)調(diào)整到大頭朝前的姿態(tài)，以減輕再入到稠密大氣層內(nèi)飛行時(shí)，座艙所受到的氣動(dòng)加熱以及能使彈道－升力式再入座艙實(shí)現(xiàn)配平攻角狀態(tài)飛行。當(dāng)座艙沿過渡軌道下降到海拔80～100公里高度時(shí)，就開始再入稠密大氣層。到達(dá)再入點(diǎn)B時(shí)，座艙相對(duì)于地球的速度方向與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角稱為再入角。再入角以及再入速度的大小直接影響到座艙在稠密大氣層飛行中所受到的空氣動(dòng)力、氣動(dòng)加熱以及再入飛行的航程。為保證航天員的安全，座艙再入角不能大于3°。

再入段從再入點(diǎn)向下，空氣動(dòng)力對(duì)座艙的作用不能忽略。按再入到稠密大氣層內(nèi)飛行過程中所受到的空氣動(dòng)力特性的不同，可以將座艙分為彈道式再入座艙和彈道－升力式再入座艙。

彈道式再入座艙在再入段飛行中所受到的空氣動(dòng)力只有阻力、沒有升力或雖有升力、但升力不大且不加利用。這種座艙的再入運(yùn)動(dòng)軌跡如同彈頭回落時(shí)的單調(diào)下降彈道，故稱彈道式座艙。彈道式再入座艙也如同彈頭那樣為軸對(duì)稱外形、且把質(zhì)心配置在對(duì)稱軸上，但為了減低氣動(dòng)加熱其頭部應(yīng)為鈍形，如球形、鐘形、球頭形與正向或倒向的截錐形。這樣做，一方面可減小氣動(dòng)加熱總量，另一方面還可降低迎風(fēng)面的氣動(dòng)加熱速率。盡管如此，再入段飛行中傳給座艙的氣動(dòng)加熱總量仍足以使與座艙重量相同的鋼全部熔化。為此，還必須對(duì)座艙基體結(jié)構(gòu)采用燒蝕式為主的防熱措施，以保護(hù)基體結(jié)構(gòu)不受到熱損害。

彈道式再入比較簡(jiǎn)單，但有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是再入軌道無法控制，因而座艙落點(diǎn)的散布較大；二是再入軌道較為陡峭，因而再入過載加速度的峰值和氣動(dòng)加熱速度的峰值較高。為了彌補(bǔ)彈道式再入的不足，座艙可以采用彈道－升力再入法。

彈道－升力式再入座艙的外形也是軸對(duì)稱的，但其質(zhì)心不在對(duì)稱軸上、而是配置在對(duì)稱軸外的一定距離處。這樣，它在平衡狀態(tài)（即作用于座艙的空氣動(dòng)力對(duì)座艙質(zhì)心的力矩等于零的狀態(tài)）的飛行攻角就不等于零（順便說明，彈道再入式座艙平衡狀態(tài)的飛行攻角為零度）。這個(gè)不等于零值的攻角稱為配平攻角（圖5）。彈道－升力式再入座艙以配平攻角狀態(tài)飛行時(shí)，既受到氣動(dòng)阻力的作用，又受到氣動(dòng)升力的作用（阻力與升力的合力為F），但升阻比（氣動(dòng)升力與氣動(dòng)阻力之比）一般不超過05。由此，通過姿態(tài)控制系統(tǒng)使座艙繞對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以改變升力在當(dāng)?shù)劂U垂面和水平面內(nèi)的分量，從而能在一定程度內(nèi)調(diào)整座艙的再入軌道，使落點(diǎn)散布明顯減小。另外，由于有升力作用，故在再入條件相同的情況下，相對(duì)彈道式再入軌道來講，彈道－升力式再入座艙的再入軌道相對(duì)平緩，從而有助于降低再入過載加速度的峰值和氣動(dòng)加熱速率的峰值。但彈道－升力式再入座艙通過稠密大氣層的時(shí)間和航程較長(zhǎng)，因此所受到的氣動(dòng)加熱總量較大。

彈道－升力式再入座艙為了實(shí)現(xiàn)配平攻角狀態(tài)飛行，需采用大頭朝前的姿態(tài)。這種座艙雖能產(chǎn)生一定的升力，但其升力還不足以使它實(shí)現(xiàn)水平著陸。因此，彈道－升力式再入座艙與彈道式再入座艙都采用降落傘垂直著陸。

著陸段為從降落傘系統(tǒng)開始工作、直到座艙落在地球表面的一段飛行。隨著高度降低、速度變小，座艙的再入軌道逐步轉(zhuǎn)為與地面相垂直，座艙所受到的空氣動(dòng)力也與其重力漸趨平衡。就是說，座艙在著陸段將以平衡速度向地面下降。按座艙的重量和阻力特征，如只依靠它本身的氣動(dòng)阻力來減速，其著陸速度將達(dá)到60～90米／秒。為此，座艙在下降到海拔10公里左右時(shí)必須打開降落傘。而后，座艙借助于降落傘來增大所受到的氣動(dòng)阻力，使其在著陸前夕的速度達(dá)到安全的6～10米／秒。有時(shí)還可在著陸前點(diǎn)燃制動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使其著陸速度進(jìn)一步減小到2～3米／秒。在不采用座艙整體回收時(shí)，艙內(nèi)的航天員可通過彈射座椅彈出，再乘降落傘著陸。

當(dāng)回收著陸場(chǎng)海拔為0～1公里、大氣為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、降落傘阻力系數(shù)取作078時(shí)，為使座艙著陸前夕的速度達(dá)到8米／秒，重量3000公斤的座艙，其降落傘面積約為960～1110平方米。

世界載人飛船的發(fā)展簡(jiǎn)況

截至1999年年底，世界上只有前蘇聯(lián)（現(xiàn)俄羅斯）和美國(guó)發(fā)射了乘航天員的載人飛船。這兩個(gè)國(guó)家在進(jìn)行飛船載人飛行前，為檢驗(yàn)飛船載人系統(tǒng)、特別是載人飛船各分系統(tǒng)的可靠性和安全性，進(jìn)行了若干次飛船無人狀態(tài)下的飛行試驗(yàn)。除了上述情況外，中國(guó)已于1999年11月20～21日成功地完成了“神舟“號(hào)飛船的首次無人狀態(tài)的飛行試驗(yàn)。這個(gè)事實(shí)表明，中國(guó)能夠于21世紀(jì)初期實(shí)現(xiàn)飛船載人航天，中國(guó)將成為世界上第3個(gè)掌握載人飛船技術(shù)的國(guó)家。世界載人飛船的情況見簡(jiǎn)表?！?img align="center" src="https://cimg.fx361.com/images/2000/07/28/qkimageshkzshkzs2001hkzs200101-6-l.jpg">