美國新一代載人飛船

2004年1月14日，美國總統(tǒng)布什宣布要發(fā)展獵戶座飛船，以取代現(xiàn)在的航天飛機，作為美國未來的載人航天運輸工具，也是美國21世紀(jì)新航天計劃（即星座計劃）的重要組成部分。

獵戶座飛船，原稱為“乘員探測飛行器”，外形與美國早期的阿波羅飛船基本相似，能乘載4名～6名航天員。美國航宇局計劃2010年在航天飛機退役以后用它來承擔(dān)國際空間站的人員運輸任務(wù)，以后在美國重返月球和載人火星飛行計劃中，承擔(dān)星際空間人員的來回運輸任務(wù)。

為什么要用飛船取代航天飛機

1986年發(fā)生挑戰(zhàn)者號事故，2003年又發(fā)生哥倫比亞號事故，兩起事故發(fā)生后，五架航天飛機只剩下三架，使美國人對航天飛機完全喪失了信心。多年的實踐證明，航天飛機并不是一種理想的天地往返運輸工具，它技術(shù)復(fù)雜、機上的結(jié)構(gòu)件和設(shè)備老舊、安全可靠性很低，很多方面都沒有達(dá)到原定的設(shè)計要求，特別是沒有能大幅度降低載人航天的費用，美國航宇局早就計劃發(fā)展新一代航天飛機，用以取代目前的航天飛機。

1986年，挑戰(zhàn)者號航天飛機爆炸事故發(fā)生后數(shù)周，美國總統(tǒng)里根就提出發(fā)展國家空天飛機，作為航天飛機的替換品。空天飛機是世界上第一艘能單級入軌的載人航天器，里根稱它為“新的東方快車”。這種航天器能夠以普通飛機的方式起飛，能在30千米～100千米高的大氣層中飛行，能加速到25倍音速，也能直接進(jìn)入低地球軌道，完成航空航天任務(wù)后再返回大氣層，并能水平著陸。但是由于空天飛機的技術(shù)難度大，所需投資多，研制周期長，航宇局沒有成功的把握，因此于 1994年將這項計劃取消。

1996年6月，美國航宇局又提出發(fā)展X-33可完全重復(fù)使用的新一代航天器的計劃。像第一代航天飛機一樣，X-33采取垂直發(fā)射和水平降落的形式，它靠自身發(fā)動機和內(nèi)置燃料，無需外掛燃料箱就能進(jìn)入軌道，不但能節(jié)省大量人力物力，同時還能縮短兩次任務(wù)之間的準(zhǔn)備時間。美國航宇局希望它能比老一代航天飛機節(jié)省90%的發(fā)射費用。但也是由于技術(shù)困難和經(jīng)費超支，在經(jīng)過5年的研究、耗資12.6億美元后，航宇局于2001年不得不中止了這項計劃。

在哥倫比亞號航天飛機事故以后，美國航宇局又宣布發(fā)展軌道航天機的計劃。這種新型航天機將于2010年起替換現(xiàn)在的航天飛機。軌道航天機有兩項任務(wù)：一是將航天員運送到國際空間站再運送回地球；二是充當(dāng)備用救生船，以便空間站發(fā)生緊急情況時航天員逃生使用。軌道航天機比現(xiàn)在的航天飛機小巧，僅能乘坐4名航天員。它的另一個優(yōu)點是其準(zhǔn)備升空的時間較短。航宇局計劃投入48億美元進(jìn)行研發(fā)，預(yù)計2010年可升空。

2003年，當(dāng)軌道航天機正在緊張研制之際，美國出現(xiàn)了關(guān)于新一代載人航天器是采用太空艙式結(jié)構(gòu)還是采用帶機翼的飛機式結(jié)構(gòu)的爭論。經(jīng)過對兩種結(jié)構(gòu)的大量比較研究，特別是俄羅斯聯(lián)盟號飛船的成功經(jīng)驗，很多人轉(zhuǎn)向支持太空艙式結(jié)構(gòu)。俄羅斯的聯(lián)盟號飛船號稱為世界上最安全的飛船，飛行36年，僅發(fā)生過兩起重大事故，與美國的航天飛機相比，真是名不虛傳。不過由于要重返月球，因此一些人提出這種太空艙式結(jié)構(gòu)應(yīng)該是相似于阿波羅飛船的結(jié)構(gòu)。阿波羅飛船結(jié)構(gòu)不僅簡單和安全，而且生產(chǎn)和使用的成本都比較低。另外，阿波羅飛船經(jīng)過實踐的考驗，曾將美國人安全地送上月球和返回地球，阿波羅飛船是一種比較成熟的技術(shù)，采用這種技術(shù)可以大大縮短開發(fā)研制的周期。

獵戶座飛船的組成和結(jié)構(gòu)

獵戶座飛船由四部分組成：乘員艙、服務(wù)艙、飛船結(jié)合段和發(fā)射終止系統(tǒng)。乘員艙呈圓錐形，服務(wù)艙呈圓筒形，兩者結(jié)合起來跟美國以前的阿波羅飛船指令艙和服務(wù)艙非常相似，真是如出一轍。

乘員艙跟阿波羅飛船的指令艙外形完全一樣，呈70°的圓錐體，艙內(nèi)可乘坐6名航天員，而阿波羅飛船的指令艙最多只能乘坐3名航天員。雖然獵戶座飛船外形上與阿波羅飛船相似，但里面的系統(tǒng)和設(shè)備則是現(xiàn)代的，而且相當(dāng)先進(jìn)。例如儀表部分采用波音787飛機的數(shù)字式系統(tǒng)；控制部分既可自控又可手控，在應(yīng)急情況下航天員可用手控取代自控；廢物處理系統(tǒng)采用國際空間站上的男女通用的廁所；艙內(nèi)使用1個大氣壓力的氮氧混合大氣，以便航天員在里面更舒適。此外，飛船的推力系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、環(huán)控生保系統(tǒng)和防熱系統(tǒng)都是采用21世紀(jì)最先進(jìn)的技術(shù)。

獵戶座飛船乘員艙的最大特點是采用了降落傘與反推火箭相結(jié)合的回收系統(tǒng)，從而使乘員艙能像俄羅斯的聯(lián)盟號飛船一樣在陸地上著陸。還有一個特點是這種乘員艙能部分重復(fù)使用，每一個乘員艙最多能重復(fù)使用10次。防熱系統(tǒng)比航天飛機的更好、更安全可靠。

獵戶座飛船乘員艙的最大直徑是5米，艙內(nèi)加壓部分的容積是20立方米，可供航天員使用的容積是11立方米，飛船凈重14噸，推進(jìn)劑重量9.35噸，飛船著陸重量7.4噸，能從月球上帶回來的有效載荷的重量為100千克，服務(wù)艙發(fā)動機的推力33362牛頓。

獵戶座飛船的服務(wù)艙呈圓筒形，比阿波羅飛船的更大、更短、更輕。艙的兩側(cè)有兩個圓形太陽電池板。艙內(nèi)裝有飛船的主發(fā)動機，這種發(fā)動機是AJ-10火箭發(fā)動機，使用自燃推進(jìn)劑。艙內(nèi)還裝有環(huán)控生保系統(tǒng)，向航天員提供新鮮的氧氣、飲用水和冷卻用水，另外廢物處理系統(tǒng)還可將廢水和尿過濾和再生成冷卻用水。在飛船發(fā)射時，乘員艙和服務(wù)艙外都安裝有玻璃纖維防護(hù)罩，在發(fā)射2分半鐘后被拋棄。

飛船的發(fā)射終止系統(tǒng)，以前稱為發(fā)射逃逸系統(tǒng)，是在發(fā)射架上或在飛船的上升段發(fā)生事故時，將乘員艙與運載火箭分離。該系統(tǒng)安裝在飛船的最前端。

獵戶座飛船在完成國際空間站的運輸任務(wù)中，能在軌道上保持與國際空間站的對接狀態(tài)長達(dá)6個月，目的是保證國際空間站上的航天員可以隨時返回地球。在完成航天員登月任務(wù)中，能在無人照料的情況下在月球軌道上停留6個月，等待航天員從月面返回。獵戶座飛船也可以完成貨運任務(wù)，在這種情況下可以無人駕駛。獵戶座飛船在完成國際空間站的運輸任務(wù)中可乘坐6名航天員，而在完成航天員登月任務(wù)中只能乘坐4名航天員。

在研制和設(shè)計獵戶座飛船的過程中，美國航宇局曾對原計劃作了幾次重大修改。例如飛船主發(fā)動機使用的推進(jìn)劑，原來是用液體甲烷，后來才改為用自燃推進(jìn)劑。使用液體甲烷的優(yōu)點是，將來可以就地取材。將來飛船飛到月球、火星或其它天體后，可以從月球、火星或其它天體上就地開采和提取液體甲烷。不過這種用液體甲烷做推進(jìn)劑的技術(shù)目前尚不成熟，研發(fā)這種技術(shù)可能會耽誤時間，為安全穩(wěn)妥起見，航宇局后來決定改用自燃推進(jìn)劑。

美國航宇局計劃于2012年實現(xiàn)首次無人飛行，2014年9月實現(xiàn)首次載人飛行，2019年實現(xiàn)首次登月飛行，2020年開始載人火星飛行的準(zhǔn)備工作。

在美國21世紀(jì)太空探索的星座計劃中，對獵戶座飛船的發(fā)展分為三個階段：

第一階段：完成獵戶座飛船的研發(fā)工作，在航天飛機退役以后，負(fù)責(zé)國際空間站的人員運輸任務(wù)；

第二階段：提高獵戶座飛船的飛行能力，能完成長達(dá)幾個月的飛行，能將航天員送到月球并安全返回；

第三階段：在2020年以后，提高獵戶座飛船在星際空間的飛行能力，能將航天員運送到火星、小行星或太陽系的其它天體附近。

阿瑞斯運載火箭

阿瑞斯運載火箭是美國航宇局為其星座計劃正在研發(fā)的一種新型火箭，它用希臘神話中的戰(zhàn)神阿瑞斯的名字命名，分為兩種型號：阿瑞斯I號載人火箭和阿瑞斯V號載貨火箭。獵戶座飛船用阿瑞斯I號載人火箭發(fā)射；其它航天設(shè)備和航天器（如登月艙和飛離地球級等）用阿瑞斯V號載貨火箭發(fā)射。

阿瑞斯I號載人火箭由第一級和上面級兩部分組成。第一級是一種單級的固體火箭助推器，由航天飛機的固體火箭助推器演變而來。上面級使用液氧／液氫J-2X火箭發(fā)動機，這是由阿波羅計劃的土星V號火箭的J-2發(fā)動機演變而來。阿瑞斯I號載人火箭高72.7米，起飛質(zhì)量900噸，能將24.75噸的有效載荷發(fā)射到低軌道上。

阿瑞斯V號載貨火箭也是兩級火箭，第一級是在航天飛機巨大的外燃料箱的基礎(chǔ)上再增大尺寸，在燃料箱的下面裝有5臺RS-68型液氧／液氫火箭發(fā)動機，另外在燃料箱的兩側(cè)還捆綁著兩枚固體燃料的火箭助推器。上面級也是用J-2X火箭發(fā)動機。阿瑞斯V號載貨火箭高108米，起飛質(zhì)量3240噸，能將128.7噸的有效載荷發(fā)射到低軌道上。

在完成月球運輸任務(wù)中，阿瑞斯I號載人火箭和阿瑞斯V號載貨火箭都要使用。首先用阿瑞斯V號載貨火箭將登月艙和脫離地球級發(fā)射到低地球軌道，然后再用阿瑞斯I號載人火箭將載有航天員的獵戶座飛船發(fā)射到低地球軌道，在低軌道上飛船與登月艙和脫離地球級對接。對接成三位一體后再用脫離地球級將飛船和登月艙推進(jìn)到月球軌道。到達(dá)月球軌道以后，航天員將乘坐登月艙的下降器下降到月面上，這時獵戶座飛船就停留在月球軌道上。航天員在完成月球探測任務(wù)后，乘坐登月艙的上升器返回到月球軌道，最后換乘獵戶座飛船返回地球。