书城工业载人航天器的故事(征服太空之路丛书)
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第7章 进入太空的飞船(4)

轨道舱前端设有对接机构,供飞船与其他飞船或空间站对接使用。早期的“联盟”飞船完成对接后,对接机构无法移开,乘员不能直接从飞船内通过。1969年1月6日,在“联盟”4号与“联盟”5号的对接中,“联盟”5号的两名航天员只能从轨道舱侧面的舱门爬出舱外,从外面进入“联盟”4号。到“联盟”10号,前苏联的技术人员改进了对接机构,飞船在轨道上对接后,航天员可以移开对接机构,直接进入对方的飞船。

航天员在完成太空任务后,由主发动机提供推力,使飞船开始脱离轨道,返回地球。在进入大气层前大约140000千米高度,轨道舱和设备舱分别与返回舱分离,并在再入过程中焚毁,而返回舱携带航天员返回地球。“联盟”飞船的返回舱采用了钟形结构,由上、下两个圆球切块,中间一个圆锥面平滑过渡构成。再入时底部的圆球切面冲前。由于底部受大气分子的冲击最厉害,温度最高,所以采用了可分离的烧蚀复合材料。

返回舱下降到大约83000千米高度时,通过分布在返回舱外壁的6台小发动机调整飞船穿过大气层时的姿态,会使升力大小有所变化,从而在一定的范围内控制返回舱的运动轨迹,调整着落点,可以控制着陆点偏差在30000千米以内。返回舱下降到10000千米左右的高度时,减速伞舱盖弹出,拉出引导伞,再拉出减速伞。8500千米左右时,拉出主降落伞。离地面还有1米时,返回舱底部的缓冲发动机启动,进一步减小落地速度。为了减小返回舱落地时对航天员的冲击,航天员的座椅下专门安装了减震装置,飞船着陆前,减震器升起,缓和了着陆对航天员的冲击力。

“联盟”家庭

从1967年4月“联盟”1号飞船的升空到1981年5月的14年中,“联盟”号共进行了40次载人飞行,主要目的是为前苏联发展轨道空间站进行服务。实现这40次载人飞行的“联盟”号飞船具体包括了6种改型——7K-OK、7KT-OK、7K-T、7K-T/A9、ASTP和7K-MF6。

7K-OK是“联盟”飞船的最初型号,共发射了9次,主要目的是为建立轨道站复合体做技术准备。“联盟”1号的飞行是很糟糕的,进入太空后飞船左侧的太阳翼没有展开,造成电力不足,接着在整个飞行中接二连三地出现其他故障,返回时又因减速伞未能打开,出现了机毁人亡的惨剧。1969年1月14日和15日,“联盟”4号、“联盟”5号分别发射,在轨道中实现联盟号的第一次对接,对接后两艘飞船工作间的总容积达到18立方米,建立了世界上第一个轨道空间站的雏形。1969年10月“联盟”6号、“联盟”7号、“联盟”8号的编队飞行进行了大量复杂的机动,并验证了在太空焊接材料的可行性。

7KT-OK是7K-OK的改进型,除了减轻对接机构的重量,还在对接机构上创造了航天员可以直接进入另一飞船的通道。但不幸的是,该型号飞船只进行了两次载人飞行。1971年6月29日,“联盟”11号在结束飞行返回时,座舱突然漏气,由于航天员没有穿航天服,3名航天员最终缺氧窒息而死。

此后,前苏联的载人航天活动中断两年多,设计人员对“联盟”飞船进行了一系列的改进。直到1973年9月27日,“联盟”12号即7K-T型太空飞行成功,前苏联才恢复载人航天活动。7K-T在安全方面作了重大改进。拆除返回舱内3人座椅中的一个,并在取消的座椅位置上增加生命保障系统。另外,用化学电池代替太阳能电池,防止再次出现“联盟”1号太阳翼不能展开的故障。改进后的7K-T共进行了19次载人飞行,直到1981年联盟T系列投入正式使用才被代替。在7K-T的基础上,为了配合前苏联军用空间站“钻石”计划的研究,还发展了7K-T/A9型飞船。

ASTP主要是为实现阿波罗号—联盟号对接而改进的,共飞行了两次。ASTP共制造3艘,第3艘后来经过改装,在对接机构的位置安装了德国的多光谱照相机MF6,在其环绕地球飞行8天里,拍摄了大量地球照片,该艘飞船被称为7K-MF6。

“联盟T”

“联盟”T飞船于1980年6月5日首次发射,能乘坐3名航天员,设计寿命14天,于“礼炮”号空间站停靠180天,总长度7.5米,最大直径2.7米,航天员活动空间9立方米,总重量6850千克,总推进剂700千克。返回舱能乘坐3名航天员,长2.2米,最大直径2.2米,航天员活动空间4立方米,总重量3000千克。轨道舱长3米,最大直径2.3米,航天员活动空间5立方米,总重量1100千克。

“联盟”T系列是“联盟”号的改进型。虽然飞船外形、容量和质量与联盟号大体相同,但技术上做了许多改进,主要的改进包括:恢复了两个太阳能电池板;主推进系统重新设计,推进剂贮箱有了更大的载量,使用与“礼炮”6号空间站上的发动机同样的推进剂;飞船的姿态控制喷管重新配置;采用了更轻、更结实的舱体材料。这些改进使“联盟”T能进行更长时间的飞行和拥有更好的机动能力。

此外,飞船的生命保障系统、飞行控制系统和返回着陆系统进行了更为可靠、更为自动化的设计,当飞船出现故障时,内部的计算机会对故障作出迅速的判断,并采取相应的应急措施。所有这些措施都保证了航天员的安全,而且经过长期的飞行试验及改进,设计人员又恢复了飞船的三人制的座舱。1979年12月26日,“联盟”T首次进行不载人飞行试验。从1980~1986年共完成了14次载人飞行。

“联盟”TM

它是“联盟”T的改进型,改进主要涉及飞船的对接系统、通信系统、推进系统、应急救生系统和降落伞系统。飞船起飞质量7070千克,返回质量约2900千克;可送达的有效载荷100千克以下,可返回的有效载荷20~50千克;飞行持续时间:自主飞行5昼夜,加入空间站飞行180昼夜;工作轨道参数:倾角51.6°,高度300~400千米;飞船外型尺寸:长约7米,最大直径2.7米,太阳电池翼翼展10.7米;生活舱总容积约103立方米;太阳电池功率约1千瓦。

它的主要任务是把航天员送入“和平”号空间站,待航天员完成任务后再把航天员送回地面。

1986年5月21日,“联盟”TM首次试飞时不载人。截止到2002年4月,“联盟”TM飞船总共进行了33次载人飞行,创造了载人到空间站上长期生活的一系列新纪录。1994年1月8日,乘第18艘“联盟”TM升空的俄罗斯航天员波利亚科夫,在“和平”号上创造了连续逗留438天的世界纪录。

由于“联盟”飞船的可靠性,“联盟”TM-31~“联盟”TM-34已经开始作为国际空间站的运输飞船及救生艇。2002年10月29日,俄罗斯发射了新型的改进飞船“联盟”TMA-1代替空间站上的“联盟”TM-34。“联盟”TMA采用了更人性化的设计,座舱内空间增大,可以运送个子更高、体重更大的航天员。“联盟”TM能运送身高164~182厘米、体重56~85千克的航天员,而“联盟”TMA可以运送身高150~190厘米、体重50~95千克的航天员。设计人员还改进了座椅结构、降落伞、操纵模块和呼救信号装置等,即使坐在左右两侧的航天员体重相差45千克也能在降落时保持平衡,落地更加“柔软”。2003年4月26日,“联盟”TMA-2发射升空,两天后与空间站对接。

从1967年4月“联盟”1号首次飞行到今天,30多年的实践证明,“联盟”飞船是一种经久耐用、性能良好的运输飞船,这棵“常青树”还将在整个人类的航天事业中继续发挥作用。

知识点机动变轨的方式

在火箭发动机推力作用下,使宇宙飞行器从一个运行轨道转移到另一运行轨道的过程。有两种:

(1)共面变轨。指最终轨道面与初始轨道面重合的变轨;

(2)空间变轨。指改变轨道面的变轨。变轨需考虑能量耗损和变轨时间。

“神舟”飞船:中华民族的骄傲

1994年初,“神舟”这个名字最终从众多的方案中脱颖而出。从此,我国自主制造的载人飞船有了名字——“神舟”。从字面上看,“神舟”意为“神奇的天河之舟”,又是“神州”的谐音,象征着飞船研制得到了全国人民的支持,是四面八方、各行各业大协作的产物;同时,“神舟”又有神气、神采飞扬之意,预示着整个中华民族都将为飞船的诞生而无比骄傲与自豪。

中国载人航天工程于1992年立项,经过7年的艰苦努力,初步建立了载人航天科学。技术与工程体系突出了主要关键技术,载人准备工作进展顺利。经过多年充分的研究论证,我国的科学家对于载人航天的目标及其途径形成了明确意见。由于“神舟”飞船设计起点高,系统复杂,所以在正式载人飞行前进行了多次无人飞行实验来验证其设计可靠性,以确保飞行安全。

“神舟”载人飞船全长8.86米,最大处直径2.8米,总重量达到7790千克。“神舟”飞船采用的是典型的“三舱一段”式结构。从构型上来说,它由返回舱、轨道舱和推进舱以及一个附加段组成。

返回舱是载人飞船唯一返回地球的舱段,飞船起飞、上升到入轨及返回着陆时,航天员都在返回舱内。“神舟”飞船的返回舱是一个钟的形状,其舱门与轨道舱相连,航天员通过这个舱门可以进入轨道舱。

“神舟”飞船的轨道舱呈圆桶形状,是航天员工作、生活和休息的地方。轨道舱的后端底部设有舱门,与返回舱相连接,航天员通过这个舱门可以进入返回舱。轨道舱外部两侧装有两个像小鸟翅膀一样的太阳电池翼,轨道舱所需要的电能就是由这两个电池翼提供的。

推进舱又称设备舱,其形状是圆柱形的,舱内安装发动机和推进剂,其使命是为飞船提供姿态调整和进行轨道维持所需的动力,飞船电源、环境控制和通信等系统的一部分设备也安装在这里。推进舱外部两侧安装了两个太阳电池翼,为飞船提供所需的电能。加上轨道舱上的两个太阳电池翼,“神舟”飞船上共有四个太阳电池翼。

1999年11月20日,“神舟”1号实验飞船成功进入太空,在轨道运行了14圈后顺利按照预定程序返回,并准确着陆。其后,“神舟”2号~“神州”4号又顺利升空,中国载人航天向载人飞行迈出了重要的一步。

2003年10月15日,我国自主研制的“神舟”5号飞船载着中国第一名航天员杨利伟顺利升入太空。在飞船的返回舱内还搭载有一面具有特殊意义的中国国旗、一面北京2008年奥运会会徽旗、一面联合国国旗、人民币主币票样、中国首次载人航天飞行纪念邮票、中国载人航天工程纪念封和来自祖国宝岛台湾的农作物种子等。

“神舟”5号飞船的发射成功,使我国成为世界上第三个能独立进行载人航天飞行的国家,也让我国正式成为太空俱乐部的一员。

2005年10月12日,“神舟”六号飞船搭载航天员费俊龙和聂海胜发射升空,于10月17日成功返回。

“神舟”六号飞船有以下特点:起点很高,飞船具有承载3名航天员的能力;一船多用,航天员返回后,轨道仓可以在无人值守的状态下,作为卫星继续利用半年,甚至可以在今后进行交会对接实验;返回舱的直径大,直径是2.5米;飞船返回非常安全,这方面已经进行过全面的测试。

在飞行中,航天员进入了轨道船舱,在失重状态下进行了多项人体生理实验,第一次获得了“真正”的数据。此次飞行标志着我国载人航天工程第二步的开始。

2008年9月25日,“神舟”7号飞船载3名航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏成功升空,并且在轨道运行中实现一名航天员出舱行走。我国真正意义上在太空中留下了中华民族的脚印,也为今后的载人航天后续工程及其以后的探月工程和远地外太空探测,打下了坚实的基础。

“奥赖恩”:飞向更遥远的太空

2006年8月31日,美国宇航局正式宣布,选定洛克希德—马丁公司为其设计、制造名为“奥赖恩”的新一代载人航天器,送宇航员重返月球乃至登陆火星。此举也标志着美国新一阶段载人航天计划正式启动。

“奥赖恩”在英文中是“猎户星座”的意思,猎户星座是天空中最明亮的星座之一,是大家十分熟悉而且极易辨认的星座。2010年,“奋进”号、“阿特兰蒂斯”号和“发现”号航天飞机都将退役,“奥赖恩”将成为美国载人太空探索的主要工具。

新设计的“奥赖恩”融入了计算机、电子、生命支持、推进系统及热防护系统等领域的诸多最新技术。它的外形为圆锥状,这种形状被认为是航天器重返地球大气层时最为安全可靠的外形设计。

“奥赖恩”的内部空间是40年前“阿波罗”飞船的2.5倍,最多可容纳6名宇航员。它的首次亮相飞行将不晚于2015年,届时宇航员将乘坐它飞往国际空间站。接下来至2020年前,“奥赖恩”将首次执行飞往月球的任务。

在实现登月后,“奥赖恩”还将飞往火星,但目前需要解决的是发动机燃料问题。“奥赖恩”号目前使用的是传统的自燃式液体燃料,如果条件成熟,未来飞往火星的飞船将使用甲烷当燃料,一方面推力更大,另一方面这种燃料可以由宇航员在火星上提取制造。