漫談無人飛船

梁寶林

無人飛船即無人駕駛的飛船，按用途分為兩種，一種專供載人飛船試驗(yàn)用，結(jié)構(gòu)與載人飛船相同，另一種專門用來向空間站運(yùn)送貨物。

載人飛船代表了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域多方面的發(fā)展水平，如火箭推進(jìn)、制導(dǎo)、遙控遙測網(wǎng)絡(luò)、飛船制造材料、工藝和基地建設(shè)、專業(yè)人才等。飛船上有了人，還需要生命保障系統(tǒng)工程、航天醫(yī)學(xué)工程作保證。可以說，載人飛船的研制是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，需要一個(gè)比較長的發(fā)展過程，而無人飛船在其中扮演著開路先鋒的重要角色。

無人飛船是載人飛船系列中的成員，在發(fā)射最初的載人飛船之前，都要發(fā)射與載人飛船結(jié)構(gòu)一樣的無人飛船；或者是某一系列飛船為了新的功能而進(jìn)行改型，在發(fā)射改型載人飛船之前，也要發(fā)射無人飛船。其目的就是要確保飛船和發(fā)射系統(tǒng)絕對可靠和確保航天員的生命安全。

載人航天初期的無人飛船

前蘇聯(lián)為了把人送入太空，從40年代末到50年代末發(fā)射了一系列高空生物火箭，并進(jìn)行了小狗"萊依卡"乘坐生物衛(wèi)星的太空飛行。直到1960年5月15日，前蘇聯(lián)才發(fā)射了第一艘無人飛船，這就是"東方"號(hào)飛船的初型。飛船乘有假人，在太空飛行了4天，鑒定與考驗(yàn)了飛船各系統(tǒng)的性能，達(dá)到了預(yù)期的目的。再入大氣層時(shí)，飛船定向系統(tǒng)出了故障未能回收。1960年8月19日和12月1日，前蘇聯(lián)又先后發(fā)射了兩艘載有狗的無人飛船。兩艘飛船均在太空飛行了一天，進(jìn)一步試驗(yàn)了生命保障系統(tǒng)并進(jìn)行了廣泛的太空生物學(xué)試驗(yàn)。一艘飛船成功返回地面，另一艘飛船因返回時(shí)反推點(diǎn)火自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)失靈，飛船再入角過大，在大氣層中燒毀。1961年3月9日和3月25日，為了進(jìn)一步鑒定即將發(fā)射的"東方"號(hào)飛船的結(jié)構(gòu)和各分系統(tǒng)的性能，前蘇聯(lián)又先后發(fā)射了兩艘無人飛船。它們分別在太空飛行了1小時(shí)45分和1小時(shí)46分，收到了良好效果。在無人飛船進(jìn)行如此大量鑒定與試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，"東方"號(hào)飛船終于在1961年4月12日把人類第一個(gè)航天員送入了太空。"東方"號(hào)和前兩艘無人飛船一樣，在太空飛行了1小時(shí)48分。

美國于1961年4月發(fā)射第一艘"水星"號(hào)無人飛船，在此前10多年時(shí)間里，也發(fā)射了許多高空生物火箭，進(jìn)行了亞軌道和彈道飛行的宇宙生物學(xué)研究，考驗(yàn)了火箭和飛船本體。1961年4月25日到11月29日，美國先后發(fā)射了三艘無人飛船，其中兩艘乘有假人，一艘乘有靈長類動(dòng)物黑猩猩。乘有假人的一艘無人飛船在太空飛行一圈后，因發(fā)生故障造成飛行失敗。其他兩艘飛船在檢驗(yàn)飛船結(jié)構(gòu)、地面跟蹤遙測和回收系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)等方面都獲得了滿意的結(jié)果，并成功回收。1962年2月20日，美國第一位完成軌道飛行的航天員格倫，乘"水星"號(hào)載人飛船在太空軌道飛行4小時(shí)50分，并成功返回地面。

無人飛船中的假人和動(dòng)物

前蘇聯(lián)和美國在最初發(fā)射的無人飛船內(nèi)，都有假人和動(dòng)物作為試驗(yàn)對象。假人重量同真人，能像真人那樣在體積上占據(jù)一個(gè)真航天員的空間位置，甚至可以穿上航天服進(jìn)行試驗(yàn)。還有的假人被航天工程師和航天醫(yī)學(xué)專家設(shè)計(jì)得幾乎與真人相同，它能呼吸消耗氧氣，排出二氧化碳，而且它也需要有一定的氣壓才能"生存"。這種假人在航天業(yè)界被稱作為"代謝假人"（人體呼吸與代謝模擬裝置），被用來考驗(yàn)人體的生存能力和鑒定人體生命保障系統(tǒng)的可靠性。也有的假人還能對周圍特殊環(huán)境，如振動(dòng)、噪聲、輻射、重力等因素作出反應(yīng)，同時(shí)將測量的參數(shù)變化記錄下來，傳回地面遙測網(wǎng)絡(luò)，供控制指揮人員和科研人員參考。如果無人飛船中的氧氣供應(yīng)不足，或者假人排出的二氧化碳等有害氣體過多又不能及時(shí)很好地處理，或者環(huán)境物理因素超過了人體耐受標(biāo)準(zhǔn)等，影響到假人的"健康"，甚至危及其"生命"時(shí)，這些信息也會(huì)傳回地面指揮系統(tǒng)。該指揮系統(tǒng)就可以作出中止飛行的指令。

狗、猴和猩猩等動(dòng)物在無人飛船中，除需要占據(jù)一定的空間外，它們的生理變化以及對氧氣、水、食物、壓力和溫度、濕度等方面的需求與人體是相同的，只是在量上有些差異。猩猩等動(dòng)物在無人飛船中是很重要的試驗(yàn)對象，特別是在人尚未進(jìn)入太空之前就顯得尤為重要。因?yàn)樗鼈兪腔铙w，如果載人艙中環(huán)境有誤或者生命保障系統(tǒng)失靈，危及它們的生命安全時(shí)，就能很快地被發(fā)現(xiàn)和記錄下來。它們的健康狀況好壞和是否死亡，決定了無人飛船飛行試驗(yàn)的成敗。當(dāng)然，載人航天已有近40年，人在太空不僅能生存下來，而且還能做眾多科學(xué)實(shí)驗(yàn)等多項(xiàng)工作，并且有的航天員已能在太空生活一年以上。因此，如果再把動(dòng)物放在無人飛船中去做實(shí)驗(yàn)，就顯得必要性不大了。所以，我國無人飛船中沒有猴和猩猩等動(dòng)物的試驗(yàn)項(xiàng)目也就不難理解了。

定型前的無人飛船

前蘇聯(lián)和美國在第一種載人飛船發(fā)射成功之后，為了執(zhí)行新的航天任務(wù)而設(shè)計(jì)了多種新的飛船。在新型號(hào)載人飛船沒發(fā)射之前，都要先發(fā)射無人飛船進(jìn)行驗(yàn)證。

美國"雙子星座"系列飛船的飛行任務(wù)主要是使人體能較長期（最長14天）在太空停留，并能在太空與其他航天器交會(huì)對接，以形成更大的軌道復(fù)合體。飛船包括座艙和設(shè)備艙，乘員2人。它的研制是為給"阿波羅"登月飛船打下技術(shù)基礎(chǔ)。"雙子星座"飛船共發(fā)射12艘，其中前兩艘是無人飛船。第一艘稱為"雙子星座"1號(hào)的無人飛船于1964年4月8日發(fā)射成功。發(fā)射該飛船是為了試驗(yàn)飛船發(fā)射系統(tǒng)、運(yùn)載工具及飛船整體結(jié)構(gòu)的可靠性。第二艘無人飛船于1965年1月19日發(fā)射，除對飛船整體考驗(yàn)外，重點(diǎn)是試驗(yàn)飛船再入大氣層系統(tǒng)的可靠性。在無人飛船多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，直到1965年3月23日美國才發(fā)射了稱為"雙子星座"3號(hào)的第一艘載人飛船。因?yàn)?雙子星座"飛船的重點(diǎn)任務(wù)是太空對接，因此除發(fā)射10艘載人飛船外，還另外發(fā)射了5艘稱為"阿吉納"的不載人軌道飛行器供對接試用。

美國"阿波羅"登月飛船由指揮艙、服務(wù)艙和登月艙三部分組成，可乘載3名航天員。為了考驗(yàn)飛船的性能和確保航天員的安全，在發(fā)射載人飛船之前，共發(fā)射了6艘無人飛船。1966年2月26日、7月5日和8月25日，分別發(fā)射了"阿波羅"1、2、3號(hào)無人飛船，除考驗(yàn)飛船整體結(jié)構(gòu)外，還重點(diǎn)對飛船的在軌飛行進(jìn)行了液氧燃料的壓力試驗(yàn)和在失重條件下液體推進(jìn)劑的儲(chǔ)存等試驗(yàn)。第四艘飛船按原計(jì)劃是發(fā)射載人飛船，但在地面試驗(yàn)時(shí)，飛船內(nèi)的三名航天員因失火被燒死，后改為繼續(xù)發(fā)射無人飛船。于是從1967年1月到1968年4月4日，又發(fā)射了"阿波羅"4、5、6號(hào)三艘無人飛船，在地球軌道上考驗(yàn)其登月艙上升和下降段的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、重新啟動(dòng)和火箭分離程序，對飛船各系統(tǒng)的功能及熱屏障性能進(jìn)行了試驗(yàn)。到1968年10月11日才發(fā)射"阿波羅"7號(hào)載人飛船，繼續(xù)進(jìn)行登月的飛行試驗(yàn)。

前蘇聯(lián)在"東方"號(hào)發(fā)射成功之后，對該飛船進(jìn)行了改裝和新的設(shè)計(jì)，研制出了可乘2～3人、并能進(jìn)行出艙活動(dòng)的"上升"號(hào)飛船。這個(gè)型號(hào)的載人飛船只發(fā)射了兩艘。"上升"1號(hào)飛船是1964年10月12日發(fā)射成功的，完成了三名航天人員的乘載任務(wù)。三名航天人員有一名工程師和一名航天醫(yī)學(xué)專家。第二艘是在1965年3月18日發(fā)射成功的，乘載2名航天員。他們進(jìn)行了出艙活動(dòng)并在太空行走了5分鐘。這兩艘飛船分別在載人航天史上創(chuàng)造出了多人飛行、非職業(yè)性航天乘員進(jìn)太空（醫(yī)生和工程師）和第一次人在太空行走的三個(gè)太空"第一"。就在發(fā)射這兩艘"上升"號(hào)載人飛船之前，前蘇聯(lián)于1964年2月到8月先后發(fā)射了兩艘無人飛船，檢驗(yàn)和鑒定飛船的整體結(jié)構(gòu)與各系統(tǒng)的可靠性。

前蘇聯(lián)的第三代載人飛船名為"聯(lián)盟"號(hào)，能乘載2～3名航天員。其最初計(jì)劃是為登月作準(zhǔn)備，后因技術(shù)不成熟和美國已先行登月等情況，改為給空間站運(yùn)送航天員。飛船具有軌道機(jī)動(dòng)、交會(huì)和對接能力，并能自主長期飛行。該飛船在長期發(fā)展過程中又進(jìn)行了兩次改進(jìn)，稱"聯(lián)盟"T型飛船和"聯(lián)盟"TM型飛船（題圖）。無論何種"聯(lián)盟"號(hào)飛船，在載人空間飛行之前都有發(fā)射無人飛船的記錄。如果不進(jìn)行無人飛船的試驗(yàn)，有時(shí)會(huì)釀成慘禍。

1967年4月23日發(fā)射的"聯(lián)盟"1號(hào)是一艘載人飛船，只乘載一個(gè)航天員。在返回時(shí)因降落傘發(fā)生故障，飛船墜毀，航天員死亡。接受教訓(xùn)的前蘇聯(lián)人將2號(hào)飛船改為不載人飛船，作為第三艘"聯(lián)盟"號(hào)飛船--"聯(lián)盟"3號(hào)的靶船，于1968年10月25日發(fā)射入軌，在太空與"聯(lián)盟"3號(hào)對接成功。"聯(lián)盟"號(hào)飛船共發(fā)射40艘。此后，前蘇聯(lián)對"聯(lián)盟"號(hào)飛船進(jìn)行了改進(jìn)，在飛船上安裝了新的太陽能電池組和新的通信、導(dǎo)航系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為"聯(lián)盟"T飛船。改進(jìn)后首先于1979年12月26日發(fā)射了一艘無人飛船，即"聯(lián)盟"T－1號(hào)飛船，為的是考驗(yàn)新型飛船的性能，以提出進(jìn)一步改進(jìn)意見。相隔發(fā)射"聯(lián)盟"T－1號(hào)無人飛船半年之后，前蘇聯(lián)才發(fā)射"聯(lián)盟"T－2號(hào)載人飛船。這個(gè)型號(hào)的飛船共發(fā)射15艘。"聯(lián)盟"TM型飛船是在"聯(lián)盟"T型飛船的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。飛船本體采用強(qiáng)度更高重量更輕的特種材料制造，提高了推進(jìn)系統(tǒng)的性能，可以將飛船推向更高的地球軌道。這種飛船在載人之前也同樣發(fā)射了一艘稱為"聯(lián)盟"TM－1號(hào)的無人飛船，對其整體結(jié)構(gòu)和新改裝的各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，而"聯(lián)盟"TM－2號(hào)載人飛船則是在1987年2月6日發(fā)射的。該型飛船至今仍在服役。

運(yùn)貨的無人飛船

在載人航天活動(dòng)中，除上述各種無人飛船外，還有一種專門運(yùn)貨的無人飛船，這就是前蘇聯(lián)"進(jìn)步"號(hào)無人駕駛貨運(yùn)飛船。其主要任務(wù)是給長期停留在太空的"禮炮"6號(hào)和7號(hào)以及"和平"號(hào)空間站運(yùn)送貨物。1978年1月到1981年3月前蘇聯(lián)"禮炮"6號(hào)空間站飛行期間，有12艘"進(jìn)步"號(hào)無人貨運(yùn)飛船與之對接。1982年5月到1985年6月，又向"禮炮"7號(hào)空間站發(fā)射了12艘"進(jìn)步"號(hào)無人飛船。

圖示-“進(jìn)步”號(hào)無人貨運(yùn)飛船結(jié)構(gòu)示意圖

圖示-“進(jìn)步”M型飛船外形圖（下圖），沒示出對接返回裝置。

"進(jìn)步"號(hào)貨運(yùn)飛船在"聯(lián)盟"號(hào)載人飛船基礎(chǔ)上作了改型，例如將"聯(lián)盟"號(hào)的返回艙改為一個(gè)運(yùn)送燃料的艙段。燃料艙還可以將航天員的生活用水以及壓縮空氣等送到空間站。"進(jìn)步"號(hào)貨運(yùn)飛船因沒有再入返回裝置，在把貨物送進(jìn)空間站后，即墜入地球大氣層燒毀。

在"禮炮"7號(hào)空間站飛行期間，蘇聯(lián)還向其對接了一些試驗(yàn)型無人飛船，如"宇宙"－1443。這是一種多功能無人飛船。它本身有太陽能電池組供電系統(tǒng)，并可從空間站攜帶500公斤貨物返回地球。

前蘇聯(lián)的"和平"號(hào)空間站是1986年2月20日發(fā)射到太空的，至今已有10余年，當(dāng)前俄羅斯已決定讓其超期服役。從地球發(fā)往"和平"號(hào)空間站的"進(jìn)步"號(hào)和"進(jìn)步"M無人貨運(yùn)飛船已有幾十艘，目前仍在服役。"進(jìn)步"M是由"聯(lián)盟"TM型載人飛船改進(jìn)而來，1989年8月23日第一艘該型飛船飛往"和平"號(hào)空間站。該型飛船包括"聯(lián)盟"TM型載人飛船的交會(huì)/對接系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和太陽能電池帆板等。此外，該飛船還增設(shè)了返加地面的裝置。■