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“神舟”接班航天飞机?
中国是美、俄之后世界上第三个能够独立将人类送入太空的国家。目前,研制中的“神舟八号”飞船和货运飞船,具有运送、储存5.5吨货物能力的货运飞船。当美国航天飞机退役后,中国的“神舟”飞船将有机会成为俄罗斯“联盟”号与“进步”号飞船执行飞往国际空间站任务的候补力量。但实现月球登陆等更高层次的任务还言之过早。
“神舟”飞船运载宇航员的能力与联盟号持平,但续航力7天仅为美国航天飞机的一半不到。

几千年来,人类从未停止对星空的梦想和探索。在近代科幻作家的笔下,人们终于开始用科学的方法思索如何进入太空。“2010年,中国宇宙飞船‘钱学森号’抢先登陆木卫二‘欧罗巴’……”这是美国人阿瑟·克拉克20世纪60年代在著名小说《2001太空漫游》的续集里预测的场景。

而随着人类航天科技和工业的发展,人类终于借助宇宙飞船、航天飞机等运载器,进入了太空,并且能在太空停留。太空环境极为恶劣,面对高真空、高缺氧、宇宙辐射、温度差异等不利的环境因素,载人航天器提供了一个基本与外界隔绝的密闭环境,用来保护航天员安全完成任务,自1961年人类第一艘载人飞船上天以来,载人航天器已有近50年的发展历史。

本文将对各国的载人航天器,做一个简要的介绍和对比。

中国“神舟”飞船:可利用空间最大

1999年11月21日,中国发射的第一艘试验飞船“神舟”号在完成了空间飞行试验后成功着陆。

在冷战的政治军事需要下,美、苏两个超级大国早在1960年代就实现了载人航天,1969年就将人类送上了月球。中国也曾在60、70年代也提出和执行过载人飞船的研制计划——“曙光号”飞船,这个计划后来由于种种原因无疾而终,使中国的载人航天大大落后于其他航天大国。改革开放之后,载人航天重回中国航天人的视野,经过漫长的论证和决策过程,根据中国的经济和科技发展水平,最终从宇宙飞船、不带主动力的小型航天飞机、带主动力的航天飞机、两级火箭飞机和空天飞机这几种方案里选定了宇宙飞船方案,就是后来的“神舟”系列飞船。

在攻克了载人航天的航天员、空间应用、飞船、火箭、发射场、测控通信、着陆场等七大分系统个字的难题之后,中国第一艘实验飞船“神舟”一号于1999年11月20日发射成功,一天后成功返回,实现了中国航天史上零的突破,此后的“神舟”系列飞船任务如下:

2001年1月10日,神舟二号飞船进行了6天的飞行。这是中国第一艘正样无人飞船,首次在飞船上进行了微重力环境下空间生命科学、空间材料、空间天文和物理等领域的实验。

2002年3月25日,神舟三号飞船运行108圈,它是一艘正样无人飞船,飞船上装有人体代谢模拟装置、验证了与载人航天直接相关的座舱内环境控制和生命保障系统。

2002年12月30日,中国第一艘可载人的处于无人状态的飞船神舟四号成功发射并返回。

中国首位航天员杨利伟在太空中展示了中国国旗和联合国旗。

2003年10月15日9时,神舟五号飞船把航天员杨利伟送入预定轨道,这一次的任务主要是考察航天员在太空环境中的适应性,首次增加了故障自动检测系统和逃逸系统,设定了几百种故障模式。

2005年10月12日9时神舟六号进入太空,航天员费俊龙 聂海胜进行了首次多人多天实验,神舟六号是三舱式飞船,轨道舱可以在无人值守的状态下,作为卫星继续运行半年。

2008年9月27日,执行神舟七号载人航天飞行出舱活动任务的航天员翟志刚在舱外挥动中国国旗。

2008年9月25日神舟七号飞船发射,航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏,进入太空,实现了中国的首次太空漫步,飞船轨道舱在原有基础上,增加了气闸舱功能,作为出舱活动的过度舱段。

至今,“神舟”系列飞船已经成功反射并返回达7次,中国成为世界上第三个拥有独立将人类送入太空的能力的国家。目前,中国的载人飞船系统正在大力开发研制神舟八号飞船和货运飞船,具有运送、储存5.5吨货物能力的货运飞船,将为空间实验室和空间站提供推进剂补加,补充水、气,提供废弃物存放条件。由于美国的航天飞机即将退役,中国的“神舟”飞船有望在必要情况下成为俄罗斯“联盟”号与“进步”号飞船执行飞往国际空间站任务的候补力量。此前也曾传出美国欲在“猎户座”飞船2015年试飞之前租用中国的“神舟”飞船,把宇航员送往国际空间站。

神舟飞船模型。

神舟七号飞船座舱内部结构示意图。

神舟系列载人飞船是中国自行研制的第一种太空载人工具。虽然飞船是上世纪60年代就已经出现的航天载具,但是“神舟”系列飞船在研制之初,就不以美、苏早期飞船的翻版为定位,而是以超越当时俄罗斯的联盟系列飞船为目标。其中“神舟七号”是目前世界上可利用空间最大的飞船,另具有一船多用、不经动物实验,直接搭载航天员的鲜明中国特色。

在参考国外早期的飞船发展历史的基础上,神舟飞船的设计发展越过了单人飞船、双人飞船的阶段,直接采用多舱组成的飞船,采用三舱两段式结构,从下至上依次由推进舱、返回舱、轨道舱和附加段构成,总长9.2米,整船重约8吨,最大直径约2.8米。

推进舱也称动力舱,呈圆柱形,为飞船在轨飞行和返回地面提供能源和动力,并为航天员提供氧气和水。而返回舱是密闭座舱,形似中国古代大钟,舱门与轨道舱相连,舱高2.2米,最大内直径2.5米,它同时也是飞船的指挥控制中心,是飞船唯一返回地球的舱段。舱体表面由高分子材料组成,可以承受几千度的高温。

轨道舱是航天员在太空生活和工作的地方,舱内安装了大量的空间试验装置和仪器设备,它是航天员在太空飞行(轨道)中,进行科学实验、进餐、体育锻炼、睡觉和休息的空间。一般认为“神舟”系列飞船参考了俄罗斯的“联盟”飞船,但是独具特色的是,神舟飞船的轨道舱具有自己的太阳能电池阵列,导航和推进系统。与飞船分离后,轨道舱仍然可继续在轨工作半年以上。上次发射的轨道舱可以同与下一个飞船进行交会对接,这样就节省了交会对接的发射次数,降低了载人航天计划的总体费用。

附加段也叫过渡段,是为将来与另一艘飞船或空间站交会对接做准备用的。在载人飞行及交会对接前,也可以安装各种仪器用于空间探测。

在飞船的最前部有一个逃逸救生塔,高8米。在运载飞船的火箭起飞前900秒到起飞后160秒期间,一旦发生紧急情况,这个救生塔将紧急启动,拽着飞船的返回舱和轨道舱与火箭分离,迅速逃离险地,并利用降落伞降落到安全地带。

这样的结构组合使得飞船内空间较大,与国外飞船相比增加了留轨功能。除此之外,神舟系列飞船最突出的优势就是安全,“零故障、零缺陷”的目标贯穿整个设计、生产、测试、发射的各个环节,目前已经发射的7次都成功返回,安全的设计理念也体现在了细节上:例如神舟飞船的舱门无论从里面还是从外面,不超过3秒钟就能迅速打开(吸取了阿波罗1号火灾的血的教训);神舟飞船的降落伞主伞面积1200平方米,是目前世界上最大的一种;神舟飞船的落点范围精确也达到正负10公里左右。

此外,飞船用一次性火箭发射,经济实惠,结构简单,不仅可作为天地往返运输工具,还可作为空间站的救生艇。预计在明年,神舟八号飞船将发射升空,与“天宫一号”实验空间站进行对接,测试其对接能力。

从“水星”到“阿波罗”

在航天飞机之前,美国先后发射了“水星”、“双子星座”、“阿波罗”3种载人飞船,水星计划、双子星计划和阿波罗计划是一脉相承的,在将美国人送上太空不久,就完成了将人类送上月球的壮举。

水星计划(Project Mercury)是美国国家航空航天局与1959年至1963年进行的航天飞行计划,主要目标是遏制前苏联在航天竞赛中领先的势头,实现运载单人进入太空并将其安全送回的目的。水星飞船可以说麻雀虽小,五脏俱全,它的外形呈圆锥状,长2米,锥底直径1.9米,锥顶装有小圆柱体。根据任务的不同,安装在助推火箭顶端的飞船重量可在1043千克到1360千克之间。飞船的上部有一个紧急逃生塔,飞船的底部有一块隔热罩和一台减速发动机,隔热罩可以保护太空舱重返大气层时不被烧坏,减速发动机则是一些小型的火箭助推器,它们的作用是在飞船重返大气层时使其减速。

“水星”计划于1963年结束,共完成25次飞行试验,其中包括4次动物飞行,2次载人弹道飞行,4次载人轨道飞行,耗资约4亿美元。

“双子星座”飞船的结构图(左)及工作中的模样

“双子星座”计划是美国的第二个载人航天计划,筹划较早,1961年12月7日正式宣布航行。那时已在实施“阿波罗”载人登月计划,“双子星座”计划的目的,就是在“水星”计划的基础上,进一步为载人登月服务,主要任务是研究人在失重条件下长期太空飞行的种种问题,以及发展轨道机动、会合和对接技术,还有航天员的舱外活动能力。

“双子星座”飞船由再入舱和设备舱组成,全长5.74米,底部直径3.05米,顶部直径 0.98米。再入舱由座舱段、对接段和回收段组成,高3.32米。

在飞船技术方面,“双子星座” 安装了几个火箭发动机,使它可以在轨道上做向前、向后和侧向的运动,以改变轨道。为了满足更长时间工作的需求,燃料电池被应用在飞船上;同时,双子星座飞船还通过简化的直接加压、泄压的设计,实现了宇航员的太空出舱;在回收方面,飞船在返回前在轨道上抛掉设备舱,然后发动机舱的4台反推制动火箭点燃,将飞船推入载入轨道,最后再抛掉发动机舱,座舱像水星飞船一样单独再入大气层,下降到低空时打开降落伞,航天员和座舱一道在海上溅落。

“双子星座飞船”在1965到1966年之间密集的进行了10次成功的载人飞行,为阿波罗计划完成了重要的铺垫。

阿波罗17号登月。

阿波罗任务的徽标。

人类飞船史上值得大书特书的一笔,就是美国的“阿波罗”飞船,它是迄今为止人类唯一的离开过地球轨道的载人航天器。

阿波罗计划在开始提出时目标并不十分明确,直到肯尼迪总统提出美国人要在20世纪60年代登上月球的计划,这使得阿波罗飞船的设计与运行在地球轨道上的载人飞船颇有不同,最大的特点在于它由指令舱、服务舱和登月舱组成,登月舱可以载着航天员安全登月,并再次启动离开月球。

1969年7月16日,阿波罗11号飞船成功的将两名人类成员送上了月球并安 全返回,此后阿波罗飞船又进行了5次登月发射,除了阿波罗13号因事故放弃任务外,其他的发射都完成了登月的任务,阿波罗飞船被证明是一种可靠性很好的飞船。

航天飞机:一根鸡肋

阿波罗计划之后,美国在载人航天方面走上了航天飞机之路,航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器,由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成,具有重复发射、运载量大等等优点,但系统复杂、可靠性低、发射成本昂贵,检修繁琐。全球历次载人航天失事一共造成22位宇航员丧生,而在美国两次航天飞机失事中丧生的宇航员就占了14位,事实证明航天飞机并未达到当初设想的目标。尽管如此,航天飞机在它近30年的服役时间里,依然完成了大量的天地往返任务,为人类的航天事业做出了独特的贡献。

除了前苏联的“暴风雪号”航天飞机,世界上其他七架航天飞机都是美国制造,试验雏型机有企业号和开拓者号两架,正式服役的成型机有5架:除了坠毁的挑战者号和哥伦比亚号,还有奋进号、亚特兰蒂斯号、发现号。

航天飞机退役前夕,NASA启动了新一代载人航天器“猎户座”计划,首飞时间定于2015年,可同时向国际空间站输送6名宇航员,并能够同时向月球输送4名宇航员,其太空舱是“阿波罗”可居住空间的2.5倍。预计能够接替航天飞机成为天地运输工具,以及执行远景规划的重返月球任务,但是“猎户座”计划由于政治经济因素的影响,目前已经交由洛克希德.马丁公司负责,前景尚不明朗。

“猎户座”飞船与国际空间站对接的想象图

俄罗斯“联盟号”飞船:直通国际空间站

从1961年起到现在,前苏联已经发射了“东方号”、“上升号”、“联盟号”3种载人飞船。

前苏联第一代飞船东方号的结构很简单,是两舱式,飞船只载1个人。第二代飞船上升号多了一个出舱用的气闸舱,且能载2~3人。

俄罗斯“联盟号”太空飞船

第三代飞船联盟号联盟号飞船是苏联在积累了多年经验之后,所开发出来的一种最成熟的载人航天器,飞船是三舱式结构,这种飞船的最前端是对接机构,可以进行飞船之间,飞船与空间站之间的对接。由联盟号飞船衍生出的其它航天器包括:联盟-T,这是联盟号的直接升级物和替代品;联盟-TM,相对联盟T进行了更多的改进,主要执行向和平号空间站和国际空间站运送宇航员工作组的任务;联盟-TMA,联盟系列的最新产物,是俄罗斯航天部门现在拥有的唯一一种可载人航天器,也是可以向国际空间站输送宇航员的仅有的两种工具之一(另一种是美国的航天飞机)。在航天飞机屡次发生事故的情况下,联盟-TMA的意义变得更为重大。

为适应为空间站运送货物的需要,从1978年开始,苏联把“联盟”飞船的环境与生命保障系统返回着陆、应急救生等与人有关的系统去掉,改装成货运飞船,改装后的货运飞船称为“进步”飞船,每次可以为空间站运送2吨货物。从第五艘“进步”M飞船开始,还可以带回一个再入小舱,以便运回在空间站上生产的材料样品以及其他科学资料。

2001年,新型货运飞船“进步”M1投入使用,其燃料储备比“进步”M增加一倍,载货量大大提高,通信联系功能更强,与空间站对接后飞行时间也增加到180天。

俄罗斯“暴风雪”号航天飞机在安-225运输机背上。

在研制载人飞船的同时,前苏联也总共制成了5艘航天飞机,其中两艘完全完工,一艘命名为“暴风雪”,另一艘命名为“小鸟”。1988年11月15日,前苏联的暴风雪号航天飞机从拜科努尔航天中心首次发射升空,它绕地球飞行两圈后,完成了一次无人驾驶的试验飞行。1991年12月25日苏联解体,政治与经济生活发生了巨大变化,在技术和安全的双重压力下,“暴风雪”号计划被搁浅。而这架航天飞机最终在一次工棚坍塌中毁灭,给人们留下了无尽的遗憾。

俄罗斯下一代载人飞船“快船”号设计图。

俄罗斯已经向公众展示了下一代载人飞船“快船”号的全尺寸、高保真模型。“快船”是俄罗斯在“联盟”号载人飞船基础上从 2000 年就开始研制的一种新型载人飞船,研制,尺寸是 “ 联盟”号载人飞船的两倍,可容纳 6 名宇航员,并装有可重复使用舱段,能搭载 700千克货物,设计发射重量为14.5 吨。若经费充足,研制 “ 快船 ” 飞船需要 5 ~ 6 年时间,预计在 2012年后开始飞行。按照设计思想,“快船”不仅可以用来飞往国际空间站,而且可以用来探索太阳系,飞往包括火星在内的其他行星。

欧日印等国纷纷试水载人航天

除了上述的几个已经拥有独立发展载人航天计划能力的国家外,世界上一些其他的国家也拥有自己的载人航天计划。其中日本已有多名宇航员在NASA受训并随航天飞机升空、进行太空行走。

日本宇航员进行舱外活动。

世纪70年代,日本制定的宇宙开发发展计划由于种种原因,其中的载人航天计划一直被搁置, 但中国的“神舟”飞船成功发射、美国火星探测器成功抵达火星表面,对日本的震动很大。2003年,时任日本首相宣布,将重新审视在航天开发领域政策上的“基本构架”,尽早启动载人航天计划。2005年,日本宇宙开发机构(JAXA)公布了《2005~2025年航空航天规划》也将载人航天列为要点。期望在20年内,要以确立可独自载人在太空驻留、活动的技术为目标,利用人和机器人的协作,开发并采用循环式的环境控制、生命保障、高效能源系统和柔性轻型的空间结构等,降低航天员在太空活动所必需的水、空气、电力和物资等资源的耗量和补给量,获得高精度、安全、高效和高水平地开展载人航天活动的技术。

印度同样是一个具有载人航天雄心的国家,2009年第一季度,印度公布了载人飞船的设计细节 外,印度政府还正式批准了载人航天计划:将把2名宇航员送入275千米高的轨道飞行7天,整项计划预计耗资25亿美元,包括建立长期的载人航天设施的费用,运载火箭费用,以及项目启动资金。

另外印度太空研究组织(ISRO)公布了印度载人飞船研发细节。飞船重3吨,能够携带3名宇航员。飞船还将包括必要时紧急任务异常中断系统和乘员营救准备等,乘员舱设计为可返回式,服务舱则用于任务管理。飞船将搭乘ISRO静地卫星运载火箭GSLV -2发射。

然而印度目前还有一些载人航天的关键能力需要研发,包括:安全性和可靠性增强的载人运载火 箭、生命支持系统、营救和返回系统、机器人操作器以及新任务管理和控制系统。印度在这些方面将得到俄罗斯的一定帮助。

欧空局新一代IXV载人飞船的效果图。

欧洲空间局的载人空间站示意图。

长期没有载人航天的能力是使欧洲航空局感到尴尬的 事情,欧洲在发展自主载人航天的道路上一波三折,由于经费和各国意见不一等问题放弃了一些计划。不过欧空局已经开始实施第一代载人宇宙实验飞船--“中型试验宇宙飞船”(Intermediate eXperimental Vehicle,简称IXV)计划,预计将于2012年发射。在欧洲航空局拟定的未来的太空飞船发射计划项目中,有许多都是利用了可重复使用的重返启动系统,为此,2012年的发射将是检验该飞船的重返启动系统及技术的运行情况的一次最大考验。欧洲科学家表示,欧空局将最大化地实现其该飞船的太空能力。此次的中型试验宇宙飞船IXV就是为了实现欧空局载人航天宏伟蓝图而迈出的新的一步。

在更为宏观的欧空局“曙光女神”计划中,表达了2024 年首先登陆月球,2033年以前,将欧洲航天员送上火星的目标。

结语

从上述的材料和分析可以看出,美国、俄罗斯、中国是世界上具有载人航天能力的仅有的三个国家。当美国航天飞机退役后,中国的“神舟”飞船能够在必要情况下成为俄罗斯“联盟”号与“进步”号飞船执行飞往国际空间站任务的候补力量。但相对于美、俄,中国的载人航天器还比较初级,任务还不够多,没有得到密集任务的考验,由于尚未实现空间对接(2011年将由神州八号飞船进行测试),另外在空间停留的时间还不是很长,所以能够执行的任务有限,至于载人航天的至于由多段飞船进行组合,实现月球登陆等更高层次的任务的能力,神舟系列目前来说还言之过早。

综合的看,神舟系列飞船到目前为止,还只能说是处在实验的阶段,但是也有它自身的特色和优点,它采用了21世纪的电子技术,轨道舱可以无人留轨运行多天,相当于一颗卫星,另外在发展思路上的延续性比较好,发射的虽然少,但每次都取得了一步的成果,同时吸取了美、苏/俄的失败教训,避免了很多挫折。

综合实力:★★★★ (文/王依)

 
 

第一期 大推力火箭之梦

虽然中国的运载火箭虽然可靠性比较高,发射纪录良好,但从运载能力来看仍与欧美火箭强国存在相当差距。

第二期 低纬发射,始于文昌

2013年海南文昌发射基地建成后,中国将拥有极具竞争力的低纬度发射优势,并有望藉此在发射场地这一领域上超越俄罗斯。

第三期 探月谱上的排名

目前中、日、印等国的探月水平基本处于同一起跑线。这使得国家意志在“谁率先载人登月”上将起到决定作用。

第四期 深空探测“未完成”

当中国开始探月时,美国的“旅行者”1号已经接近到达太阳系的边缘。比月球更遥远的深空探测,中国仍一片空白。

第五期 神舟接班航天飞机?

当美国航天飞机退役后,中国的神舟飞船可能成为俄罗斯“联盟”号与“进步”号飞船执行飞往国际空间站任务的候补力量。

第六期 宇航员培训学苏俄

中国曾经派出航天员到俄罗斯进行学习,并租用俄罗斯的设备进行失重实验,这些航天员后来成为了中国航天员的教员。

第七期 构筑“天宫”

中国即将成为世界上第三个独立发射组装空间站的国家。但“天宫一号”从结构上仅与上世纪70年代苏联的礼炮号类似。

第八期:中国航天体制仍处转型期

中国航天由于长期受苏联模式和计划经济影响,体制上仍然处于转型期,种种航天机构呈现相当分散的局面,且对民众过于封闭。

第九期:航天民用,有名无实?

在中国人能享受到的航天科技成果中,绝大部分是国外的成就。市场上很多号称源自航天的商品,大多只是商家的自我包装。

第十期:火星,2030

美国人在2030年之后有望登陆火星。到时,中国的国力和科技实力若是允许,可能也会和美国形成竞争。如果不是竞争,那一定是合作伙伴。