飞船——载人航天的突破口

李大耀

现今世界上，虽然有不少国家和组织在从事载人航天技术的研究，进行或参与载人航天器的发展，但只有俄罗斯（前苏联）和美国研制并发射了载人航天器。前苏联和美国在发展载人航天的过程中，都选择载人飞船（简称飞船）作为突破口。近10几年间，曾有些国家和组织试图跨过飞船去直接研制航天或空天飞机、空间站等高级、复杂的载人航天器，但经过几年的摸索后，终因技术基础不扎实、所需投资过于庞大等缘故，不得不放弃了原先的计划。实践证明，载人航天从飞船起步，符合从简单到复杂、从小型到大型、从低级到高级的发展规律。

载人飞船用途多

在迄今出现的3种载人航天器——载人飞船、空间站和航天飞机的轨道器中，载人飞船出现最早、且一般来讲规模最小和技术相对简单。它是一种能保障少数航天员在太空轨道上执行特定的航天任务，并能使航天员座舱以弹道式或弹道－升力式路径再入稠密大气层，最后在地球表面垂直着陆和安全回收的航天器。载人飞船在太空轨道上独立飞行的时间一般为几天到十几天，内部容积几立方米，可乘坐1～3名航天员，不能重复使用（可重复使用的飞船尚处于概念研究中）。按运行范围，载人飞船分为卫星式载人飞船、登月飞船，今后还可能出现登火星的载人飞船。迄今已出现的载人飞船，除一种曾用于载人登月外，其他都是往返于地面和近地球轨道之间的卫星式载人飞船。

载人飞船不仅是人遨游太空的工具，而且是航天技术领域、特别是载人航天技术领域中一种多用途的航天器。

载人飞船技术上较易实现、所需投资较少、研制周期较短。人们常利用它来试验载人航天的基本技术和开展航天医学、生理学等方面的研究。一般认为，载人航天的基本技术有三项：一是载人入轨技术，即将航天员送入太空轨道的技术；二是载人在轨技术，包括航天员在太空轨道上生活和工作、将飞船与另一航天器在太空轨道上交会和对接、航天员出舱活动等；三是载人返回技术，为使飞船上的航天员安全返回地面的技术。对载人航天来说，从飞船上升到空间站这3项技术是不可缺少的。

空间站是不载人发射的，也不具备自行返回地面的能力。它的乘员和所需的物资以及它在太空活动的成果，要靠载人飞船、货运飞船或航天飞机送入站和接回地面。载人飞船是现今最成熟的一种与空间站相配套的运人运输器。在其与空间站对接后，可用它来扩大空间站的规模和作为空间站的救生艇。

载人飞船除了携带航天员外，一般还要装载一些用于执行特定航天任务的仪器设备。因此，可以通过载人飞船为空间站积累人如何在太空中参与工作的经验、为拟用于空间站的有效载荷进行试验研究；还可以用载人飞船进行一些有科学价值、能产生效益的太空开发，如进行军事侦察、地球资源勘测、天文物理研究等。

载人飞船的组成

载人飞船是飞船载人系统的核心部分。飞船载人系统包括发射场、运载火箭、测控网、医监医保、应用系统和载人飞船等各分系统。载人飞船本身又是一个由有效载荷、结构平台、服务与支持系统等组成的复杂系统。

载人飞船等载人航天器与人造地球卫星等无人航天器的最大不同在于前者最重要的有效载荷是航天员。在世界万物中，人是最宝贵的。为了确保航天员在太空轨道上生活、工作和能从太空轨道上安全返回地面，载人飞船的服务与支持系统，除了应包括一般无人航天器均具备的热控制分系统、姿态控制分系统、轨道控制分系统、无线电通信和测控分系统、电源分系统、信息与数据管理分系统外，还必须有密封舱环境控制分系统、生命保障分系统、航天员应急救生分系统、仪表与照明分系统、返回着陆分系统。此外，载人飞船各分系统的可靠性和复杂程度也比一般无人航天器来得高。

载人飞船的结构平台一般分为航天员座舱、轨道舱、服务舱、气闸舱、对接机构和总装直属件等几部分，登月飞船还有登月舱。

其中：航天员座舱为密封舱，是飞船在发射和返回过程中航天员乘坐的舱段，也是飞船的控制中心。因此，座舱也可称为指令舱或返回舱。

轨道舱是航天员在轨道上工作和生活的场所，内部装有各种实验仪器和设备。它可以是完全密封的，也可以是部分密封的。

服务舱通常安装推进发动机、电源和气源等设备。因此，服务舱也可称为设备舱或推进舱。

气闸舱用于航天员在太空轨道上出入舱时保证密封舱内的气体不会全部泄漏到太空中去。

对接装置用来与空间站或其他航天器相对接。

登月舱用于登月活动，一般由下降级和上升级等组成。

视任务的不同，上述这些舱段有的舱段，如轨道舱、气闸舱、对接装置、登月舱可能不存在，有些舱段如轨道舱和气闸舱可能合并为一体。迄今为止已出现过的载人飞船或是2舱式（座舱＋服务舱）结构，或是3舱式（座舱＋服务舱＋轨道舱或登月舱）结构。俄罗斯“联盟”号为一种典型的3舱式结构的载人飞船（见图1）。

载人飞船的发射

载人飞船一般是由2～3级串联式或组合式（捆绑助推器式）运载火箭发射入轨的。为了确保航天员在发射起飞和飞行初始阶段的安全性，通常要在其顶部安装逃逸救生塔（图2）。

逃逸救生塔是载人飞船应急救生系统的重要组成部分，由塔架、固体逃逸火箭发动机和分离火箭发动机等组成。其中，逃逸发动机采用多个倾斜喷管，以使其喷出的高温燃气不直接冲刷飞船。当运载火箭在发射起飞段出现紧急情况时，点燃逃逸发动机，将飞船拖离危险区，使航天员获救。当飞船不带救生塔时，也可用弹射座椅的方法将航天员弹出座舱进行救生。

运载火箭的发射方向主要取决于发射点的地理纬度和飞船运行轨道的倾角。向正东方向发射时（发射方向的角度为90°），轨道倾角等于发射点地理纬度，而且可以最大限度地利用地球自转速度来提高火箭的运载能力。

载人飞船的回收场是事先选定的。因此，对只进行返回制动、而不作其他机动变轨的载人飞船，运载火箭必须把飞船送到一条能在预定返回时刻飞经回收场上空的初始轨道。

载人飞船的轨道运行

载人飞船由运载火箭送入预定的太空轨道后，就一边沿轨道运行、一边在航天员的参与下执行特定的航天任务。

太空为高真空、强辐射环境，背景温度只有4°K。为此，必须对航天员座舱以及轨道舱内的航天员工作区在结构上采取严格的密封、抗辐射和热控制措施，还必须通过环境控制系统和生命保障系统来维持密封舱内有一个适合航天员生活和工作的大气环境。

环境控制和生命保障系统的主要任务为：保证密封舱内有合适的大气总压和氧气分压，提供航天员所需要的氧气，排除航天员产生的二氧化碳气，将密封舱内微量有害气体的浓度控制在安全范围内，控制密封舱内气体的温度、湿度，提供航天员饮用水、食品，收集和处理航天员的废弃物，提供能保障航天员生命活动和工作能力的个人密封装置（即航天服）。

载人飞船密封舱内的大气环境可以采用两种不同的机制：一种为纯氧机制，舱内充1／3大气压的纯氧，这是因为人呼吸1个大气压的纯氧会中毒，呼级1／3大气压的纯氧不会出现问题；一种为标准大气机制，舱内充1个大气压的氧、氮混合气、且氧、氮的比例与标准大气相同。

载人飞船航天员装备的航天服分舱内航天服和舱外航天服，其构成见图3。舱内航天服的结构较为简单。航天员出舱活动时，舱外航天服与便携式生命维持系统相连，形成闭路循环系统，以维持航天员正常的生理活动。

载人飞船沿太空轨道作无动力惯性飞行时，其内部是一个微重力的失重环境。航天员在这里的生活和工作与地面情况有很大不同。这里没有上和下的概念，自然也就没有惯常使用的床。航天员或躺在座椅上入眠或睡在挂在舱壁上的睡袋里。这里也没有轻与重的分别，航天员如不勾住舱壁就会飘浮起来，稍稍一碰其他物体就会向相反的方向飞离而去。因此，航天员在乘飞船上天之前，必须在地面或空中模拟的失重环境中进行专门训练。

载人飞船座舱的返回

载人飞船在太空完成了预定的任务后，航天员座舱就可以向地面返回。

与返回式卫星座舱返回相类似，载人飞船座舱返回地面也需经过离轨、过渡、再入稠密大气层和着陆4个飞行阶段（图4）。当然从技术上来讲，飞船座舱的返回要比卫星返回舱的返回更复杂和更困难。

离轨段利用服务舱内的制动火箭发动机改变座舱的速度，将其转入一条可进入稠密大气层的过渡轨道。

对于由轨道舱、座舱和服务舱组成的载人飞船，离轨段由第一次分离（分离轨道舱）、调姿（将座舱与服务舱组合体的姿态调整到返回姿态，即使制动发动机的喷管指向运动的前、上方）、制动（制动发动机点火工作，使座舱与服务舱组合体的速度由原来的运行速度变成一个数值略有减小、方向朝地面偏转了一个小角度的速度，由此组合体就转入到一条能进入稠密大气层的过渡轨道）和第二次分离（分离服务舱）等几个环节组成。

过渡段为座舱从离开原来的运行轨道、直到开始进入稠密大气层的一段飞行。在此阶段中，常需将座舱（一般为轴对称外形）由小头朝前的姿态调整到大头朝前的姿态，以减轻再入到稠密大气层内飞行时，座舱所受到的气动加热以及能使弹道－升力式再入座舱实现配平攻角状态飞行。当座舱沿过渡轨道下降到海拔80～100公里高度时，就开始再入稠密大气层。到达再入点B时，座舱相对于地球的速度方向与当地水平面的夹角称为再入角。再入角以及再入速度的大小直接影响到座舱在稠密大气层飞行中所受到的空气动力、气动加热以及再入飞行的航程。为保证航天员的安全，座舱再入角不能大于3°。

再入段从再入点向下，空气动力对座舱的作用不能忽略。按再入到稠密大气层内飞行过程中所受到的空气动力特性的不同，可以将座舱分为弹道式再入座舱和弹道－升力式再入座舱。

弹道式再入座舱在再入段飞行中所受到的空气动力只有阻力、没有升力或虽有升力、但升力不大且不加利用。这种座舱的再入运动轨迹如同弹头回落时的单调下降弹道，故称弹道式座舱。弹道式再入座舱也如同弹头那样为轴对称外形、且把质心配置在对称轴上，但为了减低气动加热其头部应为钝形，如球形、钟形、球头形与正向或倒向的截锥形。这样做，一方面可减小气动加热总量，另一方面还可降低迎风面的气动加热速率。尽管如此，再入段飞行中传给座舱的气动加热总量仍足以使与座舱重量相同的钢全部熔化。为此，还必须对座舱基体结构采用烧蚀式为主的防热措施，以保护基体结构不受到热损害。

弹道式再入比较简单，但有两个主要缺点：一是再入轨道无法控制，因而座舱落点的散布较大；二是再入轨道较为陡峭，因而再入过载加速度的峰值和气动加热速度的峰值较高。为了弥补弹道式再入的不足，座舱可以采用弹道－升力再入法。

弹道－升力式再入座舱的外形也是轴对称的，但其质心不在对称轴上、而是配置在对称轴外的一定距离处。这样，它在平衡状态（即作用于座舱的空气动力对座舱质心的力矩等于零的状态）的飞行攻角就不等于零（顺便说明，弹道再入式座舱平衡状态的飞行攻角为零度）。这个不等于零值的攻角称为配平攻角（图5）。弹道－升力式再入座舱以配平攻角状态飞行时，既受到气动阻力的作用，又受到气动升力的作用（阻力与升力的合力为F），但升阻比（气动升力与气动阻力之比）一般不超过05。由此，通过姿态控制系统使座舱绕对称轴转动，就可以改变升力在当地铅垂面和水平面内的分量，从而能在一定程度内调整座舱的再入轨道，使落点散布明显减小。另外，由于有升力作用，故在再入条件相同的情况下，相对弹道式再入轨道来讲，弹道－升力式再入座舱的再入轨道相对平缓，从而有助于降低再入过载加速度的峰值和气动加热速率的峰值。但弹道－升力式再入座舱通过稠密大气层的时间和航程较长，因此所受到的气动加热总量较大。

弹道－升力式再入座舱为了实现配平攻角状态飞行，需采用大头朝前的姿态。这种座舱虽能产生一定的升力，但其升力还不足以使它实现水平着陆。因此，弹道－升力式再入座舱与弹道式再入座舱都采用降落伞垂直着陆。

着陆段为从降落伞系统开始工作、直到座舱落在地球表面的一段飞行。随着高度降低、速度变小，座舱的再入轨道逐步转为与地面相垂直，座舱所受到的空气动力也与其重力渐趋平衡。就是说，座舱在着陆段将以平衡速度向地面下降。按座舱的重量和阻力特征，如只依靠它本身的气动阻力来减速，其着陆速度将达到60～90米／秒。为此，座舱在下降到海拔10公里左右时必须打开降落伞。而后，座舱借助于降落伞来增大所受到的气动阻力，使其在着陆前夕的速度达到安全的6～10米／秒。有时还可在着陆前点燃制动火箭发动机使其着陆速度进一步减小到2～3米／秒。在不采用座舱整体回收时，舱内的航天员可通过弹射座椅弹出，再乘降落伞着陆。

当回收着陆场海拔为0～1公里、大气为标准状态、降落伞阻力系数取作078时，为使座舱着陆前夕的速度达到8米／秒，重量3000公斤的座舱，其降落伞面积约为960～1110平方米。

世界载人飞船的发展简况

截至1999年年底，世界上只有前苏联（现俄罗斯）和美国发射了乘航天员的载人飞船。这两个国家在进行飞船载人飞行前，为检验飞船载人系统、特别是载人飞船各分系统的可靠性和安全性，进行了若干次飞船无人状态下的飞行试验。除了上述情况外，中国已于1999年11月20～21日成功地完成了“神舟“号飞船的首次无人状态的飞行试验。这个事实表明，中国能够于21世纪初期实现飞船载人航天，中国将成为世界上第3个掌握载人飞船技术的国家。世界载人飞船的情况见简表。■