飛船——載人航天的突破口

李大耀

現今世界上，雖然有不少國家和組織在從事載人航天技術的研究，進行或參與載人航天器的發展，但只有俄羅斯（前蘇聯）和美國研制并發射了載人航天器。前蘇聯和美國在發展載人航天的過程中，都選擇載人飛船（簡稱飛船）作為突破口。近10幾年間，曾有些國家和組織試圖跨過飛船去直接研制航天或空天飛機、空間站等高級、復雜的載人航天器，但經過幾年的摸索后，終因技術基礎不扎實、所需投資過于龐大等緣故，不得不放棄了原先的計劃。實踐證明，載人航天從飛船起步，符合從簡單到復雜、從小型到大型、從低級到高級的發展規律。

載人飛船用途多

在迄今出現的3種載人航天器——載人飛船、空間站和航天飛機的軌道器中，載人飛船出現最早、且一般來講規模最小和技術相對簡單。它是一種能保障少數航天員在太空軌道上執行特定的航天任務，并能使航天員座艙以彈道式或彈道－升力式路徑再入稠密大氣層，最后在地球表面垂直著陸和安全回收的航天器。載人飛船在太空軌道上獨立飛行的時間一般為幾天到十幾天，內部容積幾立方米，可乘坐1～3名航天員，不能重復使用（可重復使用的飛船尚處于概念研究中）。按運行范圍，載人飛船分為衛星式載人飛船、登月飛船，今后還可能出現登火星的載人飛船。迄今已出現的載人飛船，除一種曾用于載人登月外，其他都是往返于地面和近地球軌道之間的衛星式載人飛船。

載人飛船不僅是人遨游太空的工具，而且是航天技術領域、特別是載人航天技術領域中一種多用途的航天器。

載人飛船技術上較易實現、所需投資較少、研制周期較短。人們常利用它來試驗載人航天的基本技術和開展航天醫學、生理學等方面的研究。一般認為，載人航天的基本技術有三項：一是載人入軌技術，即將航天員送入太空軌道的技術；二是載人在軌技術，包括航天員在太空軌道上生活和工作、將飛船與另一航天器在太空軌道上交會和對接、航天員出艙活動等；三是載人返回技術，為使飛船上的航天員安全返回地面的技術。對載人航天來說，從飛船上升到空間站這3項技術是不可缺少的。

空間站是不載人發射的，也不具備自行返回地面的能力。它的乘員和所需的物資以及它在太空活動的成果，要靠載人飛船、貨運飛船或航天飛機送入站和接回地面。載人飛船是現今最成熟的一種與空間站相配套的運人運輸器。在其與空間站對接后，可用它來擴大空間站的規模和作為空間站的救生艇。

載人飛船除了攜帶航天員外，一般還要裝載一些用于執行特定航天任務的儀器設備。因此，可以通過載人飛船為空間站積累人如何在太空中參與工作的經驗、為擬用于空間站的有效載荷進行試驗研究；還可以用載人飛船進行一些有科學價值、能產生效益的太空開發，如進行軍事偵察、地球資源勘測、天文物理研究等。

載人飛船的組成

載人飛船是飛船載人系統的核心部分。飛船載人系統包括發射場、運載火箭、測控網、醫監醫保、應用系統和載人飛船等各分系統。載人飛船本身又是一個由有效載荷、結構平臺、服務與支持系統等組成的復雜系統。

載人飛船等載人航天器與人造地球衛星等無人航天器的最大不同在于前者最重要的有效載荷是航天員。在世界萬物中，人是最寶貴的。為了確保航天員在太空軌道上生活、工作和能從太空軌道上安全返回地面，載人飛船的服務與支持系統，除了應包括一般無人航天器均具備的熱控制分系統、姿態控制分系統、軌道控制分系統、無線電通信和測控分系統、電源分系統、信息與數據管理分系統外，還必須有密封艙環境控制分系統、生命保障分系統、航天員應急救生分系統、儀表與照明分系統、返回著陸分系統。此外，載人飛船各分系統的可靠性和復雜程度也比一般無人航天器來得高。

載人飛船的結構平臺一般分為航天員座艙、軌道艙、服務艙、氣閘艙、對接機構和總裝直屬件等幾部分，登月飛船還有登月艙。

其中：航天員座艙為密封艙，是飛船在發射和返回過程中航天員乘坐的艙段，也是飛船的控制中心。因此，座艙也可稱為指令艙或返回艙。

軌道艙是航天員在軌道上工作和生活的場所，內部裝有各種實驗儀器和設備。它可以是完全密封的，也可以是部分密封的。

服務艙通常安裝推進發動機、電源和氣源等設備。因此，服務艙也可稱為設備艙或推進艙。

氣閘艙用于航天員在太空軌道上出入艙時保證密封艙內的氣體不會全部泄漏到太空中去。

對接裝置用來與空間站或其他航天器相對接。

登月艙用于登月活動，一般由下降級和上升級等組成。

視任務的不同，上述這些艙段有的艙段，如軌道艙、氣閘艙、對接裝置、登月艙可能不存在，有些艙段如軌道艙和氣閘艙可能合并為一體。迄今為止已出現過的載人飛船或是2艙式（座艙＋服務艙）結構，或是3艙式（座艙＋服務艙＋軌道艙或登月艙）結構。俄羅斯“聯盟”號為一種典型的3艙式結構的載人飛船（見圖1）。

載人飛船的發射

載人飛船一般是由2～3級串聯式或組合式（捆綁助推器式）運載火箭發射入軌的。為了確保航天員在發射起飛和飛行初始階段的安全性，通常要在其頂部安裝逃逸救生塔（圖2）。

逃逸救生塔是載人飛船應急救生系統的重要組成部分，由塔架、固體逃逸火箭發動機和分離火箭發動機等組成。其中，逃逸發動機采用多個傾斜噴管，以使其噴出的高溫燃氣不直接沖刷飛船。當運載火箭在發射起飛段出現緊急情況時，點燃逃逸發動機，將飛船拖離危險區，使航天員獲救。當飛船不帶救生塔時，也可用彈射座椅的方法將航天員彈出座艙進行救生。

運載火箭的發射方向主要取決于發射點的地理緯度和飛船運行軌道的傾角。向正東方向發射時（發射方向的角度為90°），軌道傾角等于發射點地理緯度，而且可以最大限度地利用地球自轉速度來提高火箭的運載能力。

載人飛船的回收場是事先選定的。因此，對只進行返回制動、而不作其他機動變軌的載人飛船，運載火箭必須把飛船送到一條能在預定返回時刻飛經回收場上空的初始軌道。

載人飛船的軌道運行

載人飛船由運載火箭送入預定的太空軌道后，就一邊沿軌道運行、一邊在航天員的參與下執行特定的航天任務。

太空為高真空、強輻射環境，背景溫度只有4°K。為此，必須對航天員座艙以及軌道艙內的航天員工作區在結構上采取嚴格的密封、抗輻射和熱控制措施，還必須通過環境控制系統和生命保障系統來維持密封艙內有一個適合航天員生活和工作的大氣環境。

環境控制和生命保障系統的主要任務為：保證密封艙內有合適的大氣總壓和氧氣分壓，提供航天員所需要的氧氣，排除航天員產生的二氧化碳氣，將密封艙內微量有害氣體的濃度控制在安全范圍內，控制密封艙內氣體的溫度、濕度，提供航天員飲用水、食品，收集和處理航天員的廢棄物，提供能保障航天員生命活動和工作能力的個人密封裝置（即航天服）。

載人飛船密封艙內的大氣環境可以采用兩種不同的機制：一種為純氧機制，艙內充1／3大氣壓的純氧，這是因為人呼吸1個大氣壓的純氧會中毒，呼級1／3大氣壓的純氧不會出現問題；一種為標準大氣機制，艙內充1個大氣壓的氧、氮混合氣、且氧、氮的比例與標準大氣相同。

載人飛船航天員裝備的航天服分艙內航天服和艙外航天服，其構成見圖3。艙內航天服的結構較為簡單。航天員出艙活動時，艙外航天服與便攜式生命維持系統相連，形成閉路循環系統，以維持航天員正常的生理活動。

載人飛船沿太空軌道作無動力慣性飛行時，其內部是一個微重力的失重環境。航天員在這里的生活和工作與地面情況有很大不同。這里沒有上和下的概念，自然也就沒有慣常使用的床。航天員或躺在座椅上入眠或睡在掛在艙壁上的睡袋里。這里也沒有輕與重的分別，航天員如不勾住艙壁就會飄浮起來，稍稍一碰其他物體就會向相反的方向飛離而去。因此，航天員在乘飛船上天之前，必須在地面或空中模擬的失重環境中進行專門訓練。

載人飛船座艙的返回

載人飛船在太空完成了預定的任務后，航天員座艙就可以向地面返回。

與返回式衛星座艙返回相類似，載人飛船座艙返回地面也需經過離軌、過渡、再入稠密大氣層和著陸4個飛行階段（圖4）。當然從技術上來講，飛船座艙的返回要比衛星返回艙的返回更復雜和更困難。

離軌段利用服務艙內的制動火箭發動機改變座艙的速度，將其轉入一條可進入稠密大氣層的過渡軌道。

對于由軌道艙、座艙和服務艙組成的載人飛船，離軌段由第一次分離（分離軌道艙）、調姿（將座艙與服務艙組合體的姿態調整到返回姿態，即使制動發動機的噴管指向運動的前、上方）、制動（制動發動機點火工作，使座艙與服務艙組合體的速度由原來的運行速度變成一個數值略有減小、方向朝地面偏轉了一個小角度的速度，由此組合體就轉入到一條能進入稠密大氣層的過渡軌道）和第二次分離（分離服務艙）等幾個環節組成。

過渡段為座艙從離開原來的運行軌道、直到開始進入稠密大氣層的一段飛行。在此階段中，常需將座艙（一般為軸對稱外形）由小頭朝前的姿態調整到大頭朝前的姿態，以減輕再入到稠密大氣層內飛行時，座艙所受到的氣動加熱以及能使彈道－升力式再入座艙實現配平攻角狀態飛行。當座艙沿過渡軌道下降到海拔80～100公里高度時，就開始再入稠密大氣層。到達再入點B時，座艙相對于地球的速度方向與當地水平面的夾角稱為再入角。再入角以及再入速度的大小直接影響到座艙在稠密大氣層飛行中所受到的空氣動力、氣動加熱以及再入飛行的航程。為保證航天員的安全，座艙再入角不能大于3°。

再入段從再入點向下，空氣動力對座艙的作用不能忽略。按再入到稠密大氣層內飛行過程中所受到的空氣動力特性的不同，可以將座艙分為彈道式再入座艙和彈道－升力式再入座艙。

彈道式再入座艙在再入段飛行中所受到的空氣動力只有阻力、沒有升力或雖有升力、但升力不大且不加利用。這種座艙的再入運動軌跡如同彈頭回落時的單調下降彈道，故稱彈道式座艙。彈道式再入座艙也如同彈頭那樣為軸對稱外形、且把質心配置在對稱軸上，但為了減低氣動加熱其頭部應為鈍形，如球形、鐘形、球頭形與正向或倒向的截錐形。這樣做，一方面可減小氣動加熱總量，另一方面還可降低迎風面的氣動加熱速率。盡管如此，再入段飛行中傳給座艙的氣動加熱總量仍足以使與座艙重量相同的鋼全部熔化。為此，還必須對座艙基體結構采用燒蝕式為主的防熱措施，以保護基體結構不受到熱損害。

彈道式再入比較簡單，但有兩個主要缺點：一是再入軌道無法控制，因而座艙落點的散布較大；二是再入軌道較為陡峭，因而再入過載加速度的峰值和氣動加熱速度的峰值較高。為了彌補彈道式再入的不足，座艙可以采用彈道－升力再入法。

彈道－升力式再入座艙的外形也是軸對稱的，但其質心不在對稱軸上、而是配置在對稱軸外的一定距離處。這樣，它在平衡狀態（即作用于座艙的空氣動力對座艙質心的力矩等于零的狀態）的飛行攻角就不等于零（順便說明，彈道再入式座艙平衡狀態的飛行攻角為零度）。這個不等于零值的攻角稱為配平攻角（圖5）。彈道－升力式再入座艙以配平攻角狀態飛行時，既受到氣動阻力的作用，又受到氣動升力的作用（阻力與升力的合力為F），但升阻比（氣動升力與氣動阻力之比）一般不超過05。由此，通過姿態控制系統使座艙繞對稱軸轉動，就可以改變升力在當地鉛垂面和水平面內的分量，從而能在一定程度內調整座艙的再入軌道，使落點散布明顯減小。另外，由于有升力作用，故在再入條件相同的情況下，相對彈道式再入軌道來講，彈道－升力式再入座艙的再入軌道相對平緩，從而有助于降低再入過載加速度的峰值和氣動加熱速率的峰值。但彈道－升力式再入座艙通過稠密大氣層的時間和航程較長，因此所受到的氣動加熱總量較大。

彈道－升力式再入座艙為了實現配平攻角狀態飛行，需采用大頭朝前的姿態。這種座艙雖能產生一定的升力，但其升力還不足以使它實現水平著陸。因此，彈道－升力式再入座艙與彈道式再入座艙都采用降落傘垂直著陸。

著陸段為從降落傘系統開始工作、直到座艙落在地球表面的一段飛行。隨著高度降低、速度變小，座艙的再入軌道逐步轉為與地面相垂直，座艙所受到的空氣動力也與其重力漸趨平衡。就是說，座艙在著陸段將以平衡速度向地面下降。按座艙的重量和阻力特征，如只依靠它本身的氣動阻力來減速，其著陸速度將達到60～90米／秒。為此，座艙在下降到海拔10公里左右時必須打開降落傘。而后，座艙借助于降落傘來增大所受到的氣動阻力，使其在著陸前夕的速度達到安全的6～10米／秒。有時還可在著陸前點燃制動火箭發動機使其著陸速度進一步減小到2～3米／秒。在不采用座艙整體回收時，艙內的航天員可通過彈射座椅彈出，再乘降落傘著陸。

當回收著陸場海拔為0～1公里、大氣為標準狀態、降落傘阻力系數取作078時，為使座艙著陸前夕的速度達到8米／秒，重量3000公斤的座艙，其降落傘面積約為960～1110平方米。

世界載人飛船的發展簡況

截至1999年年底，世界上只有前蘇聯（現俄羅斯）和美國發射了乘航天員的載人飛船。這兩個國家在進行飛船載人飛行前，為檢驗飛船載人系統、特別是載人飛船各分系統的可靠性和安全性，進行了若干次飛船無人狀態下的飛行試驗。除了上述情況外，中國已于1999年11月20～21日成功地完成了“神舟“號飛船的首次無人狀態的飛行試驗。這個事實表明，中國能夠于21世紀初期實現飛船載人航天，中國將成為世界上第3個掌握載人飛船技術的國家。世界載人飛船的情況見簡表。■