书城工业科技与发展
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第10章 航天科技的发展(2)

至今,人类已先后研究制出三种构型的宇宙飞船,即单舱型、双舱型和三舱型。其中单舱式最为简单,只有宇航员的座舱,美国第1个宇航员格伦就是乘单舱型的“水星号”飞船上天的;双舱型飞船是由座舱和提供动力、电源、氧气和水的服务舱组成,它改善了宇航员的工作和生活环境,世界第一个男女宇航员同乘的前苏联“东方号”飞船、世界第一个出舱宇航员乘坐的前苏联“上升号”飞船以及美国的“双子星座号”飞船均属于双舱型;最复杂的就是三舱型飞船,它是在双舱型飞船基础上或增加一个轨道舱,用于增加活动空间、进行科学实验等,或增加一个登月舱,用于在月面着陆或离开月面,前苏联/俄罗斯的联盟系列和美国“阿波罗号”飞船是典型的三舱型。

以下为世界上著名的几种宇宙飞船:

1.“东方号”宇宙飞船

“东方1号”宇宙飞船,由乘员舱和设备舱及末级火箭组成,总重6.17吨,长7.35米。乘员舱呈球形,直径2.3米,重2.4吨,外侧覆盖有耐高温材料,能承受再入大气层时因摩擦产生的摄氏5000℃左右的高温。乘员舱只能载一人,有三个舱口,一个是宇航员出入舱口,另一个是与设备舱连接的舱口,再一个是返回时乘降落伞的舱口,宇航员可通过舷窗观察或拍摄舱外情景。宇航员的座椅装有弹射装置,在发生意外事故时可紧急弹出脱险。同时在飞船下降到距离地面7000米的地方,宇航员连同座椅一起弹出舱外,并张开降落伞下降,在达到4000米高度时,宇航员与座椅分离,只身乘降落伞返回地面。设备舱为顶锥圆筒形,长2.25米,重2.27吨,在飞船返回大气层之前,与乘员分离,弃留太空成为无用之物。“东方1号”宇宙飞船打开了人类通往太空的道路。

2.“上升号”宇宙飞船

“上升号”宇宙飞船重5.32吨,球形乘员舱直径与“东方号”飞船大体相同,改进之处是提高了舱体的密封性和可靠性。宇航员在座舱内可以不穿宇航服,返回时不再采用弹射方式,而是随乘员舱一起软着陆。“上升1号”载三名宇航员,在太空飞行24小时17分钟;“上升2号”载两名宇航员,在太空飞行26小时2分钟。

3.“联盟号”宇宙飞船

“联盟号”飞船由轨道舱、指令舱和设备舱三部分组成,总重量约6.5吨,全长约7米。宇航员在轨道舱中工作和生活;设备舱呈圆柱形,长2.3米,直径2.3米,重约2.6吨,装有遥测、通信、能源、温控等设备;指令舱呈钟形,底部直径3米,长约2.3米,重约2.8吨。飞船在返回大气层之前,将轨道舱和设备舱抛掉,指令舱装载着宇航员返回地面。从“联盟10号”飞船开始,前苏联的宇宙飞船转到与空间站对接载人飞行,把载人航天活动推向了更高的阶段。

4.“进步号”货运飞船

“进步号”系列货运飞船执行向空间站定期补给食品、货物、燃料和仪器设备等任务。到1993年底,已发展两代,共发射“进步号”42艘,“进步M号”20艘。它与空间站对接完成装卸任务后即自行进入大气层烧毁。这种飞船由仪器舱、燃料舱和货舱组成,货舱容积6.6立方米,可运送1.3吨货物,燃料舱带1吨燃料。它可自行飞行4天,与空间站对接飞行可达2个月。

航天飞机

航天飞机是一种为穿越大气层和太空的界线而设计的火箭动力飞机。它是一种有翼、可重复使用的航天器,由辅助的运载火箭发射脱离大气层,作为往返于地球与外层空间的交通工具,航天飞机结合了飞机与航天器的性质,像有翅膀的太空船,外形像飞机。航天飞机的翼在回到地球时提供空气刹车作用,以及在降落跑道时提供升力。航天飞机升入太空时跟其他单次使用的载具一样,是用火箭动力垂直升入。

航天飞机除了可以在天地间运载人员和货物之外,凭着它本身的容积大、可多人乘载和有效载荷量大的特点,还能在太空进行大量的科学实验和空间研究工作。它可以把人造卫星从地面带到太空去释放,或把在太空失效的或毁坏的无人航天器,如低轨道卫星等人造天体修好,再投入使用,甚至可以把欧空局研制的“空间实验室”装进舱内,进行各项科研工作。

航天飞机的飞行过程大致有上升、轨道飞行、返回三个阶段。起飞命令下达后,航天飞机在助推火箭的推动下垂直上升,直至进入预定轨道,完成上升。进入轨道后,航天飞机的主发动机熄火,由两台小型火箭发动机控制飞行。到达预定地点后,航天飞机开始工作。航天飞机完成任务后,便开始重新启动发动机,向着地球飞行。进入大气层后,航天飞机速度开始放慢,并像普通滑翔机一样滑翔着陆。

1969年4月,美国宇航局首先提出建造一种可重复使用的航天运载工具的计划。1972年1月,美国正式把研制航天飞机空间运输系统列入计划,确定了航天飞机的设计方案,即由可回收重复使用的固体火箭助推器,不回收的两个外挂燃料贮箱和可多次使用的轨道器三个部分组成。经过5年时间,1977年2月研制出一架“创业”号航天飞机轨道器,由波音747飞机驮着进行了机载试验。1977年6月18日,首次载人用飞机背上天空试飞,参加试飞的是宇航员海斯和富勒顿两人。8月12日,航天飞机的飞行试验圆满完成。又经过4年,第一架载人航天飞机终于出现在太空舞台,这是航天技术发展史上的又一个里程碑。

虽然世界上也有许多国家都陆续进行过航天飞机的开发,但只有美国与前苏联实际成功发射并回收过这种交通工具。下面介绍的便是美国和前苏联的几艘航天飞机概况。

1.美国“企业”号航天飞机

“企业”号航天飞机是为美国航天局建造的第一架航天飞机。实际上它是一个纯粹的测试平台,没有发动机,没有设备,没有任何功能。本来“企业”号是准备作为“哥伦比亚”号之后的第二架航天飞机的,而后来“奋进”号又被建造出来,“企业”号就再也没有上天的机会了。

2.美国“哥伦比亚”号航天飞机

“哥伦比亚”号航天飞机,1981年4月12日首次发射,是美国第一架正式服役航天飞机,“哥伦比亚”号机舱长18米,能装运36吨重的货物,外形象一架大型三角翼飞机。2003年2月1日美国东部时间上午9时,美国“哥伦比亚”号航天飞机在得克萨斯州北部上空解体坠毁,7名宇航员全部遇难。

3.美国“挑战者”号航天飞机

“挑战者”号航天飞机是美国正式使用的第二架航天飞机。开发初期原本是被作为高拟真结构测试体,但在“挑战者”号完成初期测试任务后,被改装成正式的轨道载具,并于1983年4月4日正式进行任务首航。1986年1月28日,“挑战者”号在进行第10次太空任务时,因为右侧固态火箭推进器上面的一个O形环失效,导致一连串的连锁反应,并且在升空后73秒时,爆炸解体坠毁,机上的7名宇航员都在该次意外中丧生。

4.美国“发现”号航天飞机

“发现号”航天飞机是美国第三架实际执行太空飞行任务的航天飞机,首次飞行是在1984年8月30日,负责进行各种科学研究与作为国际太空站计划的支持。“发现”号已于2011年3月9日退役。“发现”号在其不到27年的飞行生涯中,创造了执行39次太空任务、飞行2.37亿千米、绕地球轨道5830圈、在太空停留365天的最高纪录,在美国先后拥有的6架航天飞机中“出勤率”最高。

5.美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机

“亚特兰蒂斯”号航天飞机与“发现”号是姊妹机,属于NASA第二批制造的航天飞机。1985年10月3日首飞,2011年7月8日最后一次飞行,在执行外12天的任务之后,“亚特兰蒂斯”号航天飞机正式退役。

6.美国“奋进”号航天飞机

“奋进”号航天飞机是一艘“拼装航天飞机”,它是以“发现”号和“亚特兰提斯”号的建造合约中一批同时生产的备用结构零件为基础,额外组装出来以便取代“挑战者”号意外坠毁后留下来的任务空缺。

7.前苏联“暴风雪”号航天飞机

1988年11月16日莫斯科时间清晨6时整,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,47分钟后进入距地面250千米的圆形轨道。它绕地球飞行两圈,在太空遨游3小时后,按预定计划于9时25分安全返航,准确降落在离发射地点12千米外的混凝土跑道上,完成了一次无人驾驶的试验飞行。

“暴风雪”号航天飞机大小与普通大型客机相差无几,外形同美国航天飞机极其相仿,机翼呈三角形。机长36米,高16米,翼展24米,机身直径5.6米,起飞重量105吨,返回后着陆重量为82吨。它有一个长18.3米,直径4.7米的大型货舱,能将30吨货物送上近地轨道,将20吨货物运回地面。头部有一容积70立方米的乘员座舱,可乘10人。科学家们认为,这次完全靠地面控制中心遥控机上的电脑系统,在无人驾驶的条件下自动返航并准确降落在狭长跑道上,其难度比1981年美国航天飞机有人驾驶试飞大得多。

然而航天飞机虽然战果累累,功绩辉煌,但是仍然不能掩盖其在人类航天史上留下的噩梦。

1986年1月28日,美国“挑战者”号航天飞机在第10次发射升空后,因助推火箭发生事故凌空爆炸,舱内7名宇航员(包括一名女教师)全部遇难。直接造成经济损失12亿美元,航天飞机停飞近3年,成为人类航天史上最严重的一次载人航天事故,使全世界对征服太空的艰巨性有了一个新的明确认识。

无独有偶,美国当地时间2003年2月1日,载有七名宇航员的美国“哥伦比亚”号航天飞机在结束了为期16天的太空任务之后,返回地球,但在着陆前发生意外,航天飞机解体坠毁。

2011年7月21日美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机于美国东部时间21日晨5时57分在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆,结束其“谢幕之旅”,这意味着人类的航天飞机计划暂时告一段落。

空间站

人类并不满足于在太空作短暂的旅游,为了开发太空,则需要建立长期生活和工作的基地。于是,随着航天技术的进步,在太空建立新居所的条件逐渐成熟,而空间站的出现使这种想法成为现实。

空间站是一种在近地轨道长时间运行,可供多名航天员在其中生活工作和巡访的载人航天器。小型的空间站可一次发射完成,较大型的可分批发射组件,在太空中组装成为整体。在空间站中要有人能够生活的一切设施,不再返回地球。

空间站的结构特点是体积比较大,在轨道飞行时间较长,有多种功能,能开展的太空科研项目也多而广。空间站的基本组成是以一个载人生活舱为主体,再加上有不同用途的舱段,如工作实验舱、科学仪器舱等。空间站外部必须装有太阳能电池板和对接舱口,以保证站内电能供应和实现与其他航天器的对接。

空间站另一个特点就是经济性。空间站在太空接纳航天员进行实验,可以使载人飞船成为只运送航天员的工具,从而简化了其内部的结构和减轻其在太空飞行时所需要的物质。这样既能降低其工程设计难度,又可减少航天费用。另外,空间站在运行时可载人,也可不载人,只要航天员启动并调试后它可照常进行工作,定时检查,到时就能取得成果。这样能缩短航天员在太空的时间,减少许多消费,当空间站发生故障时可以在太空中维修、换件,延长航天器的寿命。增加使用期也能减少航天费用。因为空间站能长期的飞行,故保证了太空科研工作的连续性和深入性,这对研究的逐步深化和提高科研质量有重要作用。下面是航天史上几个著名的空间站。

1.前苏联“礼炮号”空间站

1971年4月19日,前苏联发射了第一座空间站“礼炮1号”,从而使载人太空飞行进入一个新的阶段。“礼炮1号”空间站由轨道舱、服务舱和对接舱组成,呈不规则的圆柱形,总长约12.5米,最大直径4米,总重约18.5吨。它在约200多千米高的轨道上运行,站上装有各种试验设备,照相摄影设备和科学实验设备。它与“联盟号”载人飞般对接组成居住舱,容积100立方米,可住6名宇航员。“礼炮1号”空间站在太空运行6个月,相继与“联盟10号”,“联盟11号”两艘飞船对接组成轨道联合体,每艘飞船各载3名宇航员,共在空间站上停留26天。“礼炮1号”完成使命后于同年10月11日在太平洋上空坠毁。

前苏联一共发射了7座“礼炮号”空间站,前5座只有一个对接口,即只能与一艘飞船对接飞行。因站上携带的食品、氧气、燃料等储备有限,在太空寿命都不很长。经过改进的“礼炮6号”和“礼炮7号”空间站,增加了一个对接口,除接待“联盟号”载人飞船外,还可与“进步号”货运飞船对接,用以补给宇航员生活所需的名种用品。