“天船”是個什么船？

▲ “天船”飛往國際空間站的想象圖

印度為自己的載人飛船起了一個名字叫做gaganyaan，翻譯過來就是“天空之船”的意思，我們在下文中就簡稱它為“天船”。

矛盾的總體設計

對于“天船”的基本數(shù)字，維基百科的描述有著一定的矛盾之處。按照它給出的數(shù)字，“天船”是一種發(fā)射質量7800千克的飛行器，其中也包括了服務艙。維基百科在數(shù)據(jù)表中將它描述為一種可以載3人飛行7天的飛船，但在另外一處又稱它類似于美國“水星”飛船，而“水星”飛船只能載兩人。至于返回艙和服務艙各自的質量是多少，文獻給出的數(shù)字存在著矛盾。

印度空間研究組織目前尚未發(fā)布關于“天船”的精確設計參數(shù)，但是在2014年進行的“載人艙氣動再入試驗器”（CARE）試驗中，用來實施回收技術試驗的飛船發(fā)射質量為3735千克。從內部結構照片來看，船內的座椅、儀表、氣瓶、電氣設備等都還沒有安裝，因此實際飛行的“天船”返回艙質量恐怕增加很多。但是“天船”的外部尺寸應該是確定下來了：高2.7米、大底直徑3.1米。它采用了美國式的設計風格，外殼為圓臺型，而不是“聯(lián)盟”和“神舟”的鐘型。所以，它的內部空間不會太大，載兩人這個數(shù)字可能是比較可靠的。

2017年，印度國家科學院先進研究所的三位科研人員在國際宇航聯(lián)合會上發(fā)表論文，討論了載人航天在政治和技術上對印度的意義，文中稱印度考慮“發(fā)射一種能載兩人的飛船進入低地球軌道并且安全返回地球”。

維基百科推測“天船”返回艙內部容積2.88立方米。相比之下，俄羅斯早期的“聯(lián)盟”飛船內部容積為4立方米，中國“神舟”飛船更是達到了6立方米。印度如果僅僅是為了突破載人航天技術，不追求世界領先，選擇這樣的低配小飛船方案也是明智的選擇。

以印度的航天工業(yè)基礎，只要給夠錢，造出載人飛船來還是有希望的。所以我們現(xiàn)在來看一看撥款的問題。2008年批準項目的時候，印度政府為“天船”撥出了1000萬美元作為啟動資金。當時考慮用7年時間實現(xiàn)載人飛行，總投資30億美元。在印度的第11個五年計劃中，計劃委員會為載人航天安排了10億美元的預算。

不過在莫迪宣布2022年這個節(jié)點后，ISRO又表示，整個載人航天計劃的開支不會超過14.3億美元。然而這個數(shù)字可能有點樂觀了，載人航天在技術發(fā)展早期不是一件可以能省就省的事情。如果因為缺錢而跳過某些必要的步驟，可能會導致災難性事故，進而帶來更大的浪費。從“天船”現(xiàn)有的飛行計劃來看，這種風險還是不小的。

▲ “天船”的零高度救生試驗取得成功

CARE的基本情況

“天船”的研制并不是近期才開展的。早在2006年，印度空間研究機構就以“軌道飛行器”的名義提出了方案。2008年，ISRO完成了基本設計，提交給印度政府申請資金。2009年2月，載人航天計劃的撥款案得到了批準，但印度政界對它的支持度卻不高，所以撥款額度很有限。當時曾經計劃，要在2013年進行第一次不載人試飛，但因為經費問題而沒有實現(xiàn)，推遲1年后才實施了一次亞軌道飛行，代號為CARE。

2014年的亞軌道飛行也是GSLV MARKIII火箭的首次飛行，其實已經揭示了印度載人航天的基本方案，但當時“天船”的設計還遠沒有完成。

首先看飛行過程。GSLV MARKIII火箭攜帶CARE從薩迪什·達萬基地起飛后，飛行了5分鐘，抵達了距離地面126公里的位置，并且在這個高度釋放了CARE。CARE樣船隨后再入大氣層，通過100牛頓推力的甲基肼-四氧化二氮燃料發(fā)動機控制逐步減速，降落到80公里的高度。然后發(fā)動機關閉，CARE靠氣動減速繼續(xù)下降。其間靠飛船表面敷設的碳酚醛樹脂和所謂的“中密度燒蝕材料”來實現(xiàn)熱防護，據(jù)說表面溫度一度達到1600攝氏度。在進入黑障之前，CARE下傳了有關飛行數(shù)據(jù)。這是因為ISRO擔心，如果回收失敗，這些數(shù)據(jù)就丟失了。不過他們擔心的事情并沒有發(fā)生，CARE在距離地面15.4公里的高度把速度降低到了馬赫數(shù)0.8。它拋掉傘艙蓋，打開了降落傘，成功降落在孟加拉灣，并且成功回收，

對印度來說，這是一個重要的里程碑。飛船的軌道進入、分離、再入系統(tǒng)得到了驗證，艙段分離、熱防護系統(tǒng)、氣動減速、降落傘、濺落流程、水上浮囊等分系統(tǒng)也正常工作。應該說，僅僅就CARE試驗來說，干得還不錯。

可問題也就在這里，除了上面說的這些，其他必要分系統(tǒng)——包括推進艙在內——全都不存在?；蛟S是因為結構分系統(tǒng)的設計還沒有最終完成，CARE用鋁合金梁構成了一個內外兩層的框架，內層框架的頂部設計了一個收納空間，用來容納降落傘包。在傘包下方是一個環(huán)形的電子設備安裝板，裝有300多個傳感器。

從飛船體積和人體尺寸的對比來看，CARE的內部空間很有限，哪怕僅有現(xiàn)在的這些設備，也很難坐進兩個人。再把飛船的其他必要分系統(tǒng)裝進去，恐怕就會把內部空間完全塞滿，沒有地方安排航天員和他們的座椅了?？偛荒茏寖擅教靻T施展瑜伽術，卡在設備的縫隙里熬過這空間飛行的7天吧。

或許，ISRO打算先用這個結構來完成回收技術驗證，然后再重新設計飛船結構，去掉內層框架，并且重新布置所有的分系統(tǒng)，給兩名航天員留下能生存7天的空間。ISRO也需要尋找更好的材料和工藝來制造降落傘，大幅度壓縮它們的體積。CARE一共有兩套降落傘，各自包括三副傘：直徑2.3米的引導傘、直徑6.2米的減速傘和直徑31米的主傘。從內部結構照片上看，這些降落傘收納起來以后，所占的內部空間體積比例要比“神舟”“聯(lián)盟”的傘包體積占比大得多，改進余地還是很大的。但“天船”的降落傘艙蓋設置在錐頂正中，而不是“神舟”那樣安裝在頂部側面，這就給艙內空間構造設定了一個不算太理想的邊界條件。

但“天船”有一個優(yōu)勢，它的預定著陸場設置在海上，因此就不需要設計著陸緩沖發(fā)動機和防熱大底。只要設計體積相對比較小的浮囊就可以了。

▲ “天船”的示意圖，與LVM3試驗的尺寸似乎有些不符

▲ CARE模擬飛船試驗回收取得成功

逃逸救生試驗

2018年7月5日，“天船”又進行了一次重要的試驗：逃逸救生。這是為了預防在發(fā)射過程中，火箭在較低高度發(fā)生故障，為航天員逃離火箭而設置的分系統(tǒng)。試驗在地面零高度進行，逃逸塔點火，把整套系統(tǒng)帶入高空，再拋掉整流罩，飛船返回艙分離后開傘著陸。

“天船”的這次試驗中，模擬飛船、整流罩和逃逸塔總質量達到了12.6噸。當?shù)貢r間早上7點，逃逸塔點火，7個固體火箭發(fā)動機帶著飛船直沖天空，抵達了大約2.7公里的高度。根據(jù)傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)，飛行中的過載并沒有超過安全極限。259秒后，模擬飛船緩緩降落在孟加拉灣附近。ISRO派出3艘船只將它拖回。

跳級生的考試？

從上面的描述來看，“天船”的研制基本上還是很順利的，特別是7月5日的這一次。當然，這些成果對真正的載人飛行來說還遠遠不夠。絕大多數(shù)分系統(tǒng)還沒有經歷過空間飛行，甚至沒有地面試驗的消息傳出。

另外，2014年CARE飛行中，飛船是頭下腳上，倒立著安裝在運載火箭適配器上的。這樣，在飛船分離之后，可以立刻進入返回姿態(tài)。但實際載人飛行當中，當飛船要返回地面的時候，必須先進行調姿，然后再實現(xiàn)返回艙和推進艙分離。這項技術，ISRO還沒有實施過空間飛行，哪怕類似的試驗也不曾做過。另外，CARE飛行的高度只有126公里，與火箭分離時速度只有5327米/秒。但“天船”的設計軌道高度是400公里，中間這200多公里的落差不僅僅意味著勢能變化，更意味著巨大的速度增量。換言之，如果把CARE從400公里高度、以7.9公里/秒的第一宇宙速度再入，氣動加熱要嚴重得多，減速需求也高得多?，F(xiàn)在這套系統(tǒng)能不能工作還是個未知數(shù)。

可以打個比方，如果以ISRO現(xiàn)在掌握的技術，要在2022年實現(xiàn)第一次載人飛行，就相當于讓一個初中生直接去考研究生，跨度實在大了一些。我們并不知道ISRO是如何向印度政府描述研制進展的，但是很顯然，印度政府就此擁有了充分的信心。根據(jù)GSLV MARKIII的發(fā)射計劃，到2022年第一次載人飛行之前，不會再安排不載人的飛行試驗了?；蛟S，印度可以直接從俄羅斯進口缺少的分系統(tǒng)，包括環(huán)控和生保系統(tǒng)、航天服、先進的降落傘等等。這樣或許會有效加快研制進度。