“神舟12號”將赴中國空間站!中國“神舟”一步跨進第三代
2021年06月15日14:00

  來源:北京日報

  據中國載人航天工程辦公室消息,今年6月,我國將發射“神舟12號”載人飛船,把3名航天員送到空間站“天和”核心艙內生活工作3個月;今年10月,還將發射“神舟13號”載人飛船,把3名航天員送到“天和”核心艙內生活工作6個月。

  大戲開場之前,我們約請全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩和讀者聊聊世界載人飛船發展的那些事兒。

  蘇俄載人飛船:加加林成太空第一人

  問:蘇聯是世界上最早研製載人飛船的國家,能否介紹一下蘇俄載人飛船的發展情況?

  答:1961年4月12日,蘇聯航天員加加林乘坐世界第一艘載人飛船“東方1號”上天,成為世界太空第一人。

  蘇聯第一代載人飛船叫“東方”。它採用2艙式構型,由返回艙和推進艙組成,最長飛行時間為5天。從1961年4月到1963年6月,一共發射了6艘。不過,那時航天員採用跳傘方式落地。該飛船球形返回艙能乘坐1名航天員。艙內有可供飛行10晝夜的生命保障系統、彈射座椅和無線電、光學、導航等儀器設備。其推進艙位於座艙後面,艙內裝有化學電池、返回反推火箭和其他輔助設備。

  蘇聯第二代載人飛船叫“上升”。它是在“東方”基礎上改進而成的,即把笨重的彈射座椅改為3把普通的座椅,以便乘坐3人。1964年10月,“上升1號”飛船首次乘載包括科學家在內的3名不穿航天服的航天員繞地飛行。1965年3月發射的“上升2號”飛船使列昂諾夫成為世界太空行走第一人,為此,在“上升2號”的返回艙外增設了氣閘艙,供航天員空間出艙使用。由於這兩艘“上升”飛船還增加了著陸緩衝用的製動火箭,使返回艙可以軟著陸,所以從此航天員不用再以跳傘方式落地了。

  蘇俄第三代載人飛船叫“聯盟”。它於1967年開始使用,採用3艙式構型,即在返回艙前增加了1個軌道艙和交會對接機構,因此它不僅使航天員的生活和工作空間擴大了,還能與空間站對接,為空間站接送航天員和物資。與前兩代飛船相比,“聯盟”內部可居住容積增大了1倍,返回地面時的最大過載也由8~9g(重力加速度單位)減少到3~4g,這使航天員舒服多了。該飛船多次改型,包括聯盟T、TM、TMA、TMA-M、MG等,共發射了上百艘。這種第三代載人飛船至今仍活躍在世界載人航天的第一線,目前使用的“聯盟MS”能搭載最多3名航天員,停靠在空間站215天。

蘇聯“東方”載人飛船
蘇聯“東方”載人飛船
蘇俄“聯盟TMA”載人飛船
蘇俄“聯盟TMA”載人飛船

  美國載人飛船:“阿波羅”載人登月

  問:美國載人飛船曾載人登上月球,他們經曆了怎樣的發展過程?

  答:美國研製的第一代載人飛船叫“水星”。它是目前世界上唯一的1艙式飛船,於1961年4月至1963年6月使用,能乘坐1人。美國第一次載人軌道飛行是在1962年2月20日,航天員格林乘坐“水星6號”載人飛船繞地球飛行了3圈。

  美國第二代載人飛船叫“雙子星座”,於1965年投入使用,由返回艙和推進艙組成,可載2人,主要用途是為載人登月做準備。它先後完成了軌道機動、交會對接和航天員空間出艙等試驗任務。從1965年3月到1966年11月,“雙子星座”飛船共進行了10次載人飛行。雖然它與“水星”飛船外形相似,但其密封艙容積加大了;飛船各系統不再採用“堆積”方式裝在一起,而是按艙室形式安裝;增加了交會雷達……這些使飛船性能大為提高。

  美國第三代載人飛船叫“阿波羅”。它是目前世界上唯一的登月式飛船,總高29米,重約46噸,由指令艙、服務艙和登月艙組成,可乘坐3人。其中指令艙是航天員生活和工作的地方,為圓錐形,艙內充以34.3千帕的純氧,溫度保持在21~24℃;服務艙裝有變軌推進劑和主發動機、燃料電池,能把飛船從月球軌道送回地面;登月艙是這種飛船獨有的,由下降級和上升級組成,用於降落到月球表面和離開月面。共有6艘“阿波羅”飛船送12名航天員實現了登月。

  蘇俄載人飛船的返回地點均為本國陸地,目的是為了保密。而美國載人飛船的返回地點都在海面,在海面回收沒有障礙物,易被發現,且緩衝性能好一些,但要求座艙密封性能好,海面搜索能力強。

  值得一提的是,美國在發展載人飛船之外,還曾花費很大力氣發展航天飛機。航天飛機是一種用途廣、載重大、乘員多、較舒適的水平著陸有翼航天器,但成本高、較危險,所以美國在發射了135架次航天飛機後就讓它提前退役了,轉而重新研製載人飛船。目前,世界載人天地往返運輸系統只有載人飛船。

美國“水星”載人飛船模型
美國“水星”載人飛船模型
美國“阿波羅”載人登月飛船模型
美國“阿波羅”載人登月飛船模型

  中國載人飛船:“神舟”一步躍至第三代載人飛船水平

  問:中國是繼蘇美之後,世界第三個獨立發展載人航天器的國家,能否介紹一下我國載人飛船發展的情況?

  答:中國在2003年10月15日成功發射了第一艘載人飛船“神舟5號”,使航天員楊利偉成為中國太空第一人,並使中國成為世界第三個獨立發展載人航天器的國家。“神舟5號”採用3艙式構型,達到世界第三代載人飛船的水平。

  至今,我國已陸續成功發射了6艘“神舟”載人飛船,把11名航天員、14人次送上了太空,所以該載人飛船在技術上比較成熟。

  “神舟”飛船採用由軌道艙、返回艙和推進艙組成的3艙式構型,總長近9米,總重約8噸,乘員人數3人,飛船內航天員自由活動空間6立方米。飛船有效載荷質量在入軌時不小於300千克,返回時100千克。其可靠性為0.97,航天員的安全性為0.997。該飛船可自主飛行7天,停靠飛行180天。

  軌道艙位於飛船前部,呈圓柱形。其側壁有一內開式艙門。前端有交會對接裝置。該艙用於航天員入軌後的工作、吃飯、方便和睡覺。

  返回艙呈鍾形。外表為低密度燒融材料所包敷,設有兩個傘艙。大底裡裝有4台固體緩衝發動機。該艙是航天員往返時的座艙,也是飛船的控制中心,具有著陸後支援航天員陸上生存48小時、海上生存24小時的能力。軌道艙和返回艙均為密封壓力艙,艙內環境與地面基本一樣,航天員活動的地方,被稱為“一室一廳”。

  推進艙採用非密封結構,為飛船提供動力、電源、燃料等。尾部裝有4台2.5千牛的變軌發動機,側壁裝有姿控發動機和24平方米主太陽電池翼。

  “神舟”由系統總體和13個分系統組成。這些分系統涉及物理、醫學等數十種學科領域,所以具有技術多樣性和研製複雜性。

  為適應不同階段的任務變化,“神舟”飛船先後有三種技術狀態。一是初期試驗技術狀態,“神舟5號”“神舟6號”載人飛船採用這種技術狀態,特點是軌道艙上也裝有一對太陽電池翼,返回艙返回地面後,軌道艙可留軌利用半年。二是出艙活動試驗技術狀態,“神舟7號”載人飛船採用這種技術狀態,特點是取消了軌道艙的太陽電池翼,不留軌利用,並且具有氣閘艙的功能,增加了扶手,用於航天員空間出艙活動。三是天地往返運輸器技術狀態,軌道艙不留軌利用,前端增裝了交會對接裝置,“神舟8號”以後的載人飛船都採用這種技術狀態,用於為“天宮”提供載人天地往返運輸服務。

  “神舟”載人飛船有不少特點。例如,起點較高,沒走美蘇的老路,直接採用3艙式構型;可一船多用,有的飛船軌道艙可留軌利用半年,相當於免費發射了1顆衛星;智能化程度高,採用了信息技術的最新成果,太陽電池翼能自動對準太陽;防熱技術和降落傘都具有世界先進水平,等等。

中國“神舟5號”載人飛船
中國“神舟5號”載人飛船
中國“神舟11號”載人飛船
中國“神舟11號”載人飛船

  發展中的世界第四代載人飛船:中美俄各有高招兒

  問:目前,美國、中國和俄羅斯正在大力發展世界第四代載人飛船,三個國家這方面的進展情況怎樣?

  目前,美國、中國和俄羅斯正在或已經研製出世界第四代載人飛船。第四代載人飛船的特點是:用途廣,可一船多用,能飛往空間站,也可飛往月球甚至小行星和火星;能重複使用多次,以降低成本;運載能力增加,每次可以運送4~7人;採用2艙式構型,但直徑比較大,這樣能降低成本,提高可靠性。

  美國政府投資、洛馬公司研製的第四代載人飛船“獵戶座”主要用於載人深空探測。它由服務艙、乘員艙、發射中止系統以及飛船適配器組成,重約23噸,直徑約5米。乘員艙內部僅有10個儀表盤左右,能帶4~7名航天員;可重複使用10次。其服務艙來自歐洲貨運飛船自動轉移飛行器,用於向乘員艙提供能源、熱控制、燃料及動力。今年11月,美國計劃發射無人“獵戶座”到地月轉移軌道,用於為工程師評估該飛船的深空表現提供重要線索,為未來的載人月球任務提供基礎數據,為2024年航天員重返月球做好準備工作。

美國“獵戶座”載人飛船
美國“獵戶座”載人飛船

  美國商用飛船“載人龍”是世界第一種投入實用的第四代載人飛船,2021年至少升空3次。它由前椎體、加壓艙和服務艙三部分組成,最多可將7人送至近地軌道。加壓艙內部操控台由4塊可移動大型液晶觸摸控制屏組成,航天員可從天花板上拉下觸摸控制屏;沒有逃逸塔,採用首創的新型發射逃逸系統,自身裝配的超級天龍座發動機系統,可在乘員從進入飛船到入軌的全過程中提供逃逸能力,這不僅能使飛船著陸更方便,還使飛船能重複使用;沒有太陽電池翼,採用非加壓艙半包圍體裝式太陽能電池板,這樣可避免出現展不開的故障,而且比展開式太陽能電池翅膀使用率高,效能更好,因為無論哪個角度,只要有太陽光照,飛船就會吸收光輻射;可獨立飛行1周,能停靠飛行210天。

  美國波音公司正在研製另一種商用載人飛船“星際客船”,主要用於執行近地軌道任務。它由乘員艙和服務艙兩部分組成,直徑4.56米,長度5.03米,體積11立方米,發射質量13噸,乘員最多7名,可重複使用10次。其控製麵板不到一米寬,上面沒有很多按鈕開關,採用了波音發光二極管“天空照明”技術,與波音787“夢幻客機”所用技術相似。該飛船即將投入使用。

  俄羅斯正在研製第四代載人飛船“雄鷹”。它拋棄了“聯盟”的3艙式結構設計,採用全新的2艙式設計,將用於取代“聯盟”飛船執行近地軌道任務,可在軌自主飛行近30天,也能停靠在空間站上近一年,未來還可用於載人登月。其內部空間是“聯盟”的兩倍,可搭乘4名航天員和500千克貨物。它返回著陸前,將伸出4個裝有減震器的支架,使飛船不會有強烈的撞擊感。該飛船著陸精度要優於5千米,遠比“聯盟”25千米的著陸精度高,最大的特點就是可以多次重複使用,在地球軌道上或執行短期地月往返飛行時可重複使用10次,在執行長期與繞月軌道站對接任務時可重複使用不少於3次。

  2020年5月5日,我國新一代載人飛船試驗船升空,5月8日返回。它採用2艙式構型,由返回艙和服務艙組成;返回艙採用流暢的倒錐型鈍頭體氣動外形,每次可以運送4~7人,可重複使用多次;全長約9米,最大直徑4.5米,最大發射重量23噸;既可以在近地軌道飛行,也能完成載人月球探測等載人深空探測任務;除了繼承了“神舟”的可靠、安全等優點外,在舒適性、經濟性以及智能化程度等方面有了大幅提升;返回時採用了由2具減速傘和3具主傘組成“群傘減速”回收方案,返回艙落地前使用6個充氣氣囊幫助艙體平穩“軟著陸”,最大程度地保證了返回艙的安全、完整回收。試驗船飛行任務的圓滿成功,標誌著我國新一代載人飛船已具備雛形。

  載人飛船用途十分廣泛。例如,可用於突破和掌握載人航天基本技術;為空間站接送航天員和物資;作為空間站救生艇;進行太空旅遊等。為此,包括印度、日本和歐洲航天局也都準備發展載人飛船。

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