新一代載人航天器

沈羨云

2009年9月18日，美國(guó)航空航天局正式宣布，2010年美國(guó)現(xiàn)存的3架航天飛機(jī)將全部退役，在此之前，它們將進(jìn)行6架次飛行，主要完成空間站的基本組裝任務(wù)，美國(guó)航空航天局同時(shí)公布了執(zhí)行最后一次飛行任務(wù)的6名“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天員名單。

美國(guó)自以為豪的航天飛機(jī)為什么要退役呢?在制定航天飛機(jī)計(jì)劃時(shí)，人們贊揚(yáng)它是一種集火箭、衛(wèi)星和飛船技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一身的、最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的新型航天器；同時(shí)也一致認(rèn)為它是一種“巧奪天工”的航天技術(shù)大飛躍。但是，經(jīng)過(guò)27年的飛行實(shí)踐證明，盡管它在載人航天的發(fā)展中起到不可磨滅的作用，可也不是一種理想的天地往返運(yùn)輸工具，尤其是“挑戰(zhàn)者”號(hào)和“哥倫比亞號(hào)”的爆炸，5架航天飛機(jī)只剩下了3架后，人們普遍認(rèn)為航天飛機(jī)在很多方面都沒(méi)有達(dá)到原定的設(shè)計(jì)要求，特別是沒(méi)有能大幅度降低載人航天的費(fèi)用，而且它的致命弱點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜、機(jī)上結(jié)構(gòu)件和設(shè)備老舊、安全可靠性很低，使美國(guó)人對(duì)航天飛機(jī)完全喪失了信心。所以，美國(guó)航空航天局早就有淘汰航天飛機(jī)、發(fā)展新一代乘員航天器的想法。

那么，接替航天飛機(jī)任務(wù)的將是誰(shuí)呢?誰(shuí)來(lái)完成今后空間站的運(yùn)送任務(wù)和月球、火星的探險(xiǎn)任務(wù)呢?對(duì)于采用什么類(lèi)型的乘員航天器，美國(guó)航空航天局也有一個(gè)認(rèn)識(shí)的過(guò)程，經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段是在1986年“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)爆炸事故發(fā)生后數(shù)周，美國(guó)總統(tǒng)里根提出了發(fā)展空天飛機(jī)作為航天飛機(jī)的替換品?？仗祜w機(jī)是一種能夠以普通飛機(jī)的方式起飛，既能在30千米～100千米高的大氣層中飛行，執(zhí)行航空任務(wù)，也能直接進(jìn)入低地球軌道，完成航天任務(wù)的飛行器。由于空天飛機(jī)的技術(shù)難度大，所需投資多，研制周期長(zhǎng)，美國(guó)航空航天局沒(méi)有成功的把握，因此于1994年取消了這項(xiàng)計(jì)劃。第二階段是起始于1996年6月，美國(guó)航空航天局提出了發(fā)展x－33航天器的計(jì)劃。這種航天器與航天飛機(jī)很相似，只是它靠自身發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)置燃料，無(wú)需外掛燃料箱就能進(jìn)入軌道，其優(yōu)點(diǎn)是不僅能節(jié)省大量人力物力，同時(shí)還能節(jié)省約90％的發(fā)射費(fèi)用和縮短兩次任務(wù)之間的準(zhǔn)備時(shí)間。但此計(jì)劃也因技術(shù)困難和經(jīng)費(fèi)超支，在經(jīng)過(guò)5年的研究、耗資12.6億美元后，于2001年中止了此計(jì)劃。第三個(gè)階段是在“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)發(fā)生事故后，美國(guó)航空航天局又宣布了發(fā)展軌道載人航天器的計(jì)劃，這個(gè)軌道航天器比現(xiàn)在的航天飛機(jī)小巧，僅能乘坐4名航天員，優(yōu)點(diǎn)是其準(zhǔn)備升空的時(shí)間較短。主要執(zhí)行兩項(xiàng)任務(wù)：一是運(yùn)送航天員到國(guó)際空間站，=是充當(dāng)備用救生船，以便空間站發(fā)生緊急情況時(shí)航天員逃生使用。2003年，當(dāng)軌道載人航天器正在緊張研制之際，對(duì)于新一代載人航天器是采用太空艙式結(jié)構(gòu)還是采用帶機(jī)翼的飛機(jī)式結(jié)構(gòu)發(fā)生了爭(zhēng)論。經(jīng)過(guò)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的比較，人們普遍認(rèn)為俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)飛船是目前世界上最安全的飛船，飛行36年僅發(fā)生過(guò)兩起重大事故，因此很多人轉(zhuǎn)向建造太空艙式載人航天器的一面，最終的結(jié)果是決定采用飛船式的結(jié)構(gòu)。為了重返月球，一些人提出采用類(lèi)似于阿波羅飛船的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是阿波羅飛船結(jié)構(gòu)不僅簡(jiǎn)單和安全，生產(chǎn)和使用的成本都比較低。而且，阿波羅飛船經(jīng)過(guò)登月的實(shí)踐考驗(yàn)，是一種比較成熟的技術(shù)，采用這種技術(shù)可以大大縮短開(kāi)發(fā)研制的周期和經(jīng)費(fèi)。最后，在2006年8月31日，美國(guó)航空航天局正式宣布選用洛克希德一馬丁公司提出的新一代載人航天器“奧賴(lài)恩”，這個(gè)圓錐狀的飛行器將承擔(dān)美國(guó)航天員未來(lái)重返月球乃至登陸火星的飛行任務(wù)，此舉標(biāo)志著美國(guó)新一階段載人航天計(jì)劃正式啟動(dòng)。

新一代載人航天器“奧賴(lài)恩”是一個(gè)混血兒，它采用了“水星”飛船的火箭發(fā)射和返回方式、“阿波羅”號(hào)飛船的外形、航天飛機(jī)可重復(fù)使用的技術(shù)。它在繼承了其前輩優(yōu)點(diǎn)的情況下，融入了計(jì)算機(jī)、電子、生命支持、推進(jìn)系統(tǒng)及熱防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域諸多的最新技術(shù)，在性能、可靠性和軌道工作能力等方面明顯技高一籌。與它的前輩比，它有以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：

1更可靠、安全

與現(xiàn)在的航天飛機(jī)相比，“奧賴(lài)恩”的安全性能大大提高。首先，在發(fā)射時(shí)，“奧賴(lài)恩”是將乘員艙安置在航天器的頂部，遠(yuǎn)離了容易出現(xiàn)問(wèn)題的推力引擎和燃料箱，這樣航天員就不用擔(dān)心發(fā)射過(guò)程中泡沫絕緣體或是其他脫落碎片撞擊航天器而引起航天器的爆炸了。第二，在這種新型的航天器里有一個(gè)“發(fā)射中斷系統(tǒng)”，如果航天器在發(fā)射過(guò)程中發(fā)生爆炸或者故障，地面指揮中心的一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將能夠自動(dòng)發(fā)射一枚火箭撞擊航天器，使乘載著航天員的太空艙彈離航天器。接著，這個(gè)太空艙會(huì)垂直降落，一段時(shí)間后艙上的降落傘將自動(dòng)打開(kāi)，使太空艙濺落在海面上或者降落在陸地上，從而大大增強(qiáng)航天員生存的機(jī)會(huì)。第三，它的外形為圓錐狀，這種形狀被認(rèn)為是航天器重返地球大氣層時(shí)最為安全可靠的外形設(shè)計(jì)。美國(guó)航空航天局認(rèn)為，采用這些措施后，“奧賴(lài)恩”的安全系數(shù)將是現(xiàn)在航天飛機(jī)的10倍。航天飛機(jī)的失敗幾率是1:200，而“奧賴(lài)恩”是1:2000。

2、性能更強(qiáng)

“奧賴(lài)恩”的外表看上去與當(dāng)年登月的“阿波羅”號(hào)飛船很相似，故有人說(shuō)它是2.0版的“阿波羅”飛船。但是，它們之間是有很大差別的，“奧賴(lài)恩”只是選擇性地吸取了阿波羅計(jì)劃中可取的部分，而在很多方面進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，表現(xiàn)在：1)“奧賴(lài)恩”號(hào)有5米寬，重量達(dá)到25噸，最多可容納6名航天員，而“阿波羅”飛船則遠(yuǎn)比它小，一次只能搭乘3名航天員；2)“奧賴(lài)恩”配備了太陽(yáng)能電池板，這將大大減少飛行器對(duì)燃料電池和普通電池的需求；3)“奧賴(lài)恩”使用了降落傘和氣囊相結(jié)合的降落設(shè)計(jì)，使載人艙在落地后還可重復(fù)使用，另外也節(jié)省了在海上降落的昂貴搜救成本，“阿波羅”飛船只能濺落在海上；4)“奧賴(lài)恩”由高科技合成材料制成，重量降低，運(yùn)載量更大，生存和生活環(huán)境更優(yōu)越；5)“奧賴(lài)恩”攜帶的燃料比“阿波羅”多，這樣航天員可以到月球表面的任何地方，而“阿波羅”僅攜帶了可在月球赤道著陸的燃料；6)“奧賴(lài)恩”上的計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)勁，其內(nèi)裝的自動(dòng)駕駛儀可保障飛行器自動(dòng)繞月運(yùn)行，所有4名航天員均能降落到月球表面；7)“阿波羅”飛船只能使用一次，但“奧賴(lài)恩”按照設(shè)計(jì)方案可重復(fù)使用10次，這樣大大降低了每次發(fā)射的成本。

3、可承擔(dān)多種探險(xiǎn)任務(wù)

“阿波羅”只能完成登月任務(wù)，而“奧賴(lài)恩”不僅可以接替航天飛機(jī)完成運(yùn)送航天員和貨物到國(guó)際空間站的任務(wù)、在軌道上完成對(duì)衛(wèi)星以及哈勃太空望遠(yuǎn)鏡檢修，而且更重要的是承擔(dān)了飛往月球和火星的任務(wù)。為完成后一種任務(wù)，需要更大推力的運(yùn)載火箭。“戰(zhàn)神I”型火箭是美國(guó)航空航天局開(kāi)發(fā)的新一代載人火箭，它升空時(shí)的推進(jìn)力可高迭2.13萬(wàn)馬力。火箭第一級(jí)僅用2分鐘就可以把高近百米的“戰(zhàn)神I”型火箭送達(dá)58千米高的軌道。自2015年起，“奧賴(lài)恩”飛船將配備“戰(zhàn)神”火箭執(zhí)行載人航天任務(wù)。按照美國(guó)總統(tǒng)布什2004年提出的太空新計(jì)劃，美國(guó)2020年之前將再次實(shí)現(xiàn)載人登月。隨后，美國(guó)將使用改進(jìn)后的“奧賴(lài)恩”飛船和推力更大的運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)火星登陸，并飛往更遙遠(yuǎn)的太空。

據(jù)悉，這個(gè)新型的栽人探險(xiǎn)飛行器的造價(jià)達(dá)到1040億美元，美國(guó)航空航天局最初計(jì)劃在2015年3月前啟用“奧賴(lài)恩”載人飛船，執(zhí)行載人航天任務(wù)。但由于美國(guó)的3架現(xiàn)役航天飛機(jī)——“奮進(jìn)”號(hào)、“阿特蘭蒂斯”號(hào)和“發(fā)現(xiàn)”號(hào)都將于2010年退役，因此他們希望把“奧賴(lài)恩”的首飛時(shí)間提前至2013年9月，以縮短新舊載人航天器之間的“斷檔”期。但是由于資金短缺和技術(shù)難題，最近美國(guó)航空航天局宣布將放棄新一代載人航天器“奧賴(lài)恩”在2013年提前首飛的計(jì)劃，希望能在2014年9月前實(shí)現(xiàn)“奧賴(lài)恩”的首飛，把航天員送到國(guó)際空間站。如果一切進(jìn)展順利，到2020年前“奧賴(lài)恩”還將首次執(zhí)行飛往月球的載人飛行任務(wù)。如果用“奧賴(lài)恩”進(jìn)行登月計(jì)劃，那么它的發(fā)射任務(wù)將分為兩部分進(jìn)行。航天員乘坐的太空艙將通過(guò)一枚火箭送上太空，而登月艙和助推火箭則將通過(guò)另一枚推力更大的火箭送上太空。進(jìn)入既定軌道后，太空艙、登月艙和助推火箭將在太空實(shí)現(xiàn)對(duì)接，然后繼續(xù)飛往月球，太空艙最終將借助降落傘返回地球。在實(shí)現(xiàn)登月后，“奧賴(lài)恩”還將飛往火星，但目前需要解決的是發(fā)動(dòng)機(jī)燃料問(wèn)題?！皧W賴(lài)恩”號(hào)目前使用的是傳統(tǒng)的自燃式液體燃料，如果條件成熟，未來(lái)飛往火星的飛船將使用甲烷當(dāng)燃料，一方面推力更大，另一方面這種燃料可以由航天員在火星上提取制造。(文章代碼：2210)

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