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今年6—8月，神舟十號飛船將擇機(jī)發(fā)射，與天宮一號目標(biāo)飛行器再次進(jìn)行有人交會對接，三名航天員將在太空中工作、生活一段較長的時間。這也是神舟飛船開展首次應(yīng)用飛行。
神舟飛船的首次應(yīng)用飛行，其重大意義在于：神舟八號、神舟九號和神舟十號的狀態(tài)基本是一致的，本次任務(wù)取得成功后，這種狀態(tài)的神舟飛船和長征2F運(yùn)載火箭將構(gòu)成我國標(biāo)準(zhǔn)的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不但能夠用于空間實(shí)驗(yàn)室的航天員往返運(yùn)輸，未來也將作為我國空間站的運(yùn)輸工具，承擔(dān)航天員天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)和空間站救生船的職能。
在人類奔向太空的50余年歷史中，天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)始終支撐和書寫著太空之旅的傳奇故事。我們特邀中國航天科工集團(tuán)公司二院研究員楊宇光博士撰文，為讀者介紹人類天地往返工具的發(fā)展歷程。
回顧人類載人航天歷程，太空時代的到來，就是從載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的研制與試驗(yàn)開始的。在太空競賽時期，前蘇聯(lián)和美國分別研制了三個系列的載人飛船，即東方號、上升號、聯(lián)盟號和水星號、雙子星號、阿波羅號。聯(lián)盟號飛船經(jīng)過不斷改進(jìn)，直到今天仍作為天地往返運(yùn)輸工具在使用。美國研制并使用了航天飛機(jī)，未來各航天大國還將研制新一代載人飛船。
研究這些載人天地往返運(yùn)輸工具的歷史，可以更清楚地讓我們了解人類航天技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，并且更好地把握未來，讓航天技術(shù)更加有效地為人類造福。
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早期的天地往返運(yùn)輸工具
回答了“人能否進(jìn)入太空”的問題，最大意義在于開創(chuàng)了載人航天的新紀(jì)元
1961年4月12日，前蘇聯(lián)航天員尤里·加加林乘坐東方一號飛船，從位于哈薩克斯坦的拜科努爾航天中心飛上太空，宣告了人類載人航天時代的到來。雖然加加林乘坐東方一號飛船僅環(huán)繞地球飛行一周，卻完整地驗(yàn)證了天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)射入軌、在軌運(yùn)行、生命保障、測控通信、安全返回所需要的關(guān)鍵技術(shù)，證明了人類有能力實(shí)現(xiàn)可靠的天地往返。
東方號飛船是由前蘇聯(lián)航天技術(shù)的先驅(qū)謝爾蓋·科羅廖夫領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研制成功的，它由載人艙和設(shè)備艙構(gòu)成，東方一號的重量大約4.7噸。載人艙是一個直徑約2.3米的球體，也是在天地往返過程中唯一回收的艙段，因此在表面涂有燒蝕材料，確保返回過程中的高溫不會傳到飛船內(nèi)部。而設(shè)備艙承載了飛船在軌姿態(tài)控制和返回所需的火箭、電源、測控設(shè)備和為航天員提供類似地面大氣環(huán)境的氣瓶等。實(shí)踐證明，東方號飛船的這種分艙設(shè)計(jì)理念是比較合理的技術(shù)途徑，除了美國最早的水星號飛船外，后來的載人飛船都采用了分艙設(shè)計(jì)。
東方號的發(fā)展歷程并不順利，前蘇聯(lián)在加加林進(jìn)入太空前進(jìn)行了多次飛船發(fā)射試驗(yàn)，有時還攜帶試驗(yàn)用的狗進(jìn)入太空。從1960年開始，在經(jīng)歷了多次飛行試驗(yàn)失敗后，終于取得了連續(xù)兩次無人飛行試驗(yàn)成功，才決定由加加林進(jìn)行首次載人飛行。東方號飛船一共執(zhí)行了6次載人飛行任務(wù)。其中包括人類首次編隊(duì)飛行的東方三號和東方四號，以及乘坐東方六號的人類歷史上第一位女航天員瓦連金娜·捷列什科娃的飛行任務(wù)。
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美國的第一代載人飛船是在前蘇聯(lián)取得巨大成就的情況下奮起直追的產(chǎn)物。當(dāng)時美國運(yùn)載火箭的能力還遠(yuǎn)不如蘇聯(lián)，所以第一艘和第二艘載人的水星號飛船只能用經(jīng)過改造的紅石彈道導(dǎo)彈送到亞軌道，不能環(huán)繞地球，只能在上升到最高點(diǎn)后像彈道導(dǎo)彈一樣返回地球。1961年5月5日，艾倫B·謝潑德乘坐水星3號，成為美國第一位乘坐飛船升空的人，到達(dá)186公里的高空。之后乘坐水星4號的格里索姆也采用了亞軌道飛行方式。這種方式最大的問題是航天員在返回過程中要承受類似彈道導(dǎo)彈彈頭的巨大過載，達(dá)到身體重量的11倍，其驚險(xiǎn)程度可想而知。
在水星4號任務(wù)之后，因?yàn)橛辛烁蟮挠钪嫔襁\(yùn)載火箭，美國才得以將水星號飛船送入環(huán)繞地球的軌道。1962年2月20日，約翰·格倫乘坐水星6號飛船繞地球飛行3圈，成為美國第一個進(jìn)入地球軌道的人。此后的3次水星號飛行任務(wù)均取得了成功。
在載人航天的最初階段，因?yàn)檫\(yùn)載能力問題，美國的水星號飛船非常小，其發(fā)射質(zhì)量只有大約2噸，在軌質(zhì)量約1.3噸，內(nèi)部容積只有大約1.7立方米，且采用了單艙結(jié)構(gòu)。不過，由于水星號飛船返回大氣層時底部朝下，可以產(chǎn)生一定的升力，使航天員能夠通過手動控制調(diào)整飛行路線，這種受控再入的方式有利于提高落點(diǎn)精度，被后來所有的載人飛船采納。
東方號飛船和水星號飛船的飛行，是人類初次進(jìn)入太空的嘗試，回答了“人能否進(jìn)入太空”的問題，其最大意義在于開創(chuàng)了載人航天的新紀(jì)元。
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登月競賽中的載人飛船
美國阿波羅飛船共進(jìn)行了7次登月嘗試，6次成功，將12名航天員送上月球；
俄羅斯聯(lián)盟號飛船在空間站時代大顯身手，直到今天依然是國際空間站最主要的交通工具
在初步解決了人進(jìn)入太空的問題之后，前蘇聯(lián)與美國馬不停蹄，開始了更為激烈的太空競賽。其中，美國在水星號任務(wù)期間就明確表示要在10年內(nèi)將人送上月球。前蘇聯(lián)雖然從未公開正式的計(jì)劃，但其航天活動明顯也是在為這個目標(biāo)做準(zhǔn)備。而在登月活動所必須解決的問題中，最重要的就是艙外活動和交會對接技術(shù)。
通過對東方號飛船的改造，前蘇聯(lián)研制了上升號飛船。1964年10月12日，上升1號飛船承載3名航天員進(jìn)入太空，繞地球16圈，首次實(shí)現(xiàn)了多人進(jìn)入宇宙空間。1965年3月18日，上升2號從拜科努爾發(fā)射，列昂諾夫進(jìn)行了人類第一次太空行走。應(yīng)當(dāng)說，雖然兩艘上升號飛船取得了舉世矚目的成就，但在技術(shù)上并沒有比東方號飛船取得太多的進(jìn)步。這是前蘇聯(lián)急于求成的結(jié)果，也導(dǎo)致聯(lián)盟號飛船遲遲不能投入使用。
相對于前蘇聯(lián)，美國在這一階段的步伐穩(wěn)定而迅速。由于有了更大的大力神運(yùn)載火箭，雙子星飛船的重量接近4噸，采用了兩艙構(gòu)型，其中載人艙能夠承載2名航天員，且有較強(qiáng)的軌道機(jī)動能力。從1965年3月到1966年12月，共有10艘載人的雙子星飛船發(fā)射入軌。其中雙子星4號飛船開展了美國第一次出艙活動，雙子星6號與雙子星7號實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次真正意義上的精確交會，雙子星8號實(shí)現(xiàn)了兩個航天器的第一次交會對接，之后的幾艘雙子星飛船又完成了數(shù)次太空行走和交會對接任務(wù)，為美國的登月計(jì)劃奠定了基本的技術(shù)基礎(chǔ)。
美國和前蘇聯(lián)為實(shí)現(xiàn)登上月球的目標(biāo)，分別研制了阿波羅飛船和聯(lián)盟號飛船。但在這兩型飛船的發(fā)展初期，均遭受到重大挫折。阿波羅1號飛船在進(jìn)行地面試驗(yàn)時，由于采用純氧大氣，而艙門又不能迅速打開，導(dǎo)致三名航天員在一個電火花引起的火災(zāi)中喪生。此后直到1968年11月發(fā)射的阿波羅7號，才實(shí)現(xiàn)了阿波羅飛船的首次載人飛行。而俄羅斯的聯(lián)盟1號飛船雖然在1967年4月23日正常發(fā)射入軌，卻在返回過程中因?yàn)榻德鋫愎收隙杆賶嫷兀教靻T科馬洛夫不幸犧牲。在最初的挫折之后，兩型飛船均進(jìn)行了較大的改進(jìn)，并且都在人類載人航天歷史上留下了輝煌的篇章。
阿波羅飛船是為登月任務(wù)設(shè)計(jì)的，當(dāng)不進(jìn)行登月飛行時，由指令艙和服務(wù)艙組成，由土星1B運(yùn)載火箭發(fā)射入軌。在開展登月活動時，會增加由上升段和下降段組成的登月艙，并由土星5號巨型運(yùn)載火箭發(fā)射入軌。最重的阿波羅17號總重量達(dá)到約47噸。1968年12月，沒有攜帶登月艙的阿波羅8號飛船實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次繞月飛行。1969年7月20日，乘坐阿波羅11號飛船的尼爾·阿姆斯特朗登上月球，標(biāo)志著美國在登月競賽中取得了全面勝利。此后一直到1972年12月，阿波羅飛船共進(jìn)行了7次登月嘗試，6次成功，將12名航天員送上月球。其間阿波羅13號飛船雖然因?yàn)榉?wù)艙的嚴(yán)重故障而未能成功登月，卻在數(shù)千科學(xué)人員團(tuán)隊(duì)的努力下，采取各種搶救措施，成功挽救了3名航天員的生命，被譽(yù)為是“雖敗猶榮”。
由于阿波羅飛船的機(jī)動能力非常強(qiáng)，在登月競賽之后還被用做美國第一代空間站——天空實(shí)驗(yàn)室的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)，并在1975年與聯(lián)盟19號飛船共同實(shí)現(xiàn)了人類第一次聯(lián)合飛行任務(wù)。
雖然前蘇聯(lián)在登月競賽中輸給美國，但其間研制的聯(lián)盟號飛船卻在空間站時代大顯身手，成為歷代空間站的天地往返工具。聯(lián)盟號安全飛行數(shù)十年，沒有造成過船毀人亡的嚴(yán)重事故。聯(lián)盟號飛船采用3艙構(gòu)型，這是一種比較合理的布局形式，因此才能夠以7噸的重量完成很多復(fù)雜的飛行任務(wù)。在聯(lián)盟號的發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了聯(lián)盟T、聯(lián)盟TM、聯(lián)盟TMA等多個系列的改型，不斷提高性能，直到今天，依然是國際空間站最主要的交通工具。
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航天飛機(jī)是人類歷史上最引人注目的天地往返工具
由于采用技術(shù)過于復(fù)雜，維護(hù)和使用成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一次性運(yùn)載火箭，以及運(yùn)載效率極低、安全設(shè)計(jì)方面的不足等原因，航天飛機(jī)不得不退出載人航天歷史舞臺
美國研制的航天飛機(jī)是人類歷史上最引人注目的天地往返工具。從1981年4月12日哥倫比亞號航天飛機(jī)的首次飛行，到2011年7月21日亞特蘭蒂斯號航天飛機(jī)的謝幕之旅，航天飛機(jī)共進(jìn)行了135次發(fā)射，取得了無數(shù)的科技與工程成果，在人類載人航天史上譜寫了壯麗的詩篇，但由于挑戰(zhàn)者號和哥倫比亞號兩次巨大的災(zāi)難，也導(dǎo)致美國最終放棄了這種天地往返工具。
航天飛機(jī)在發(fā)展過程中采用了當(dāng)時最先進(jìn)的技術(shù)，例如可重復(fù)使用的防熱材料等。它在返回過程中具有良好的機(jī)動性能，與飛船相比，可以利用機(jī)翼的升力在返回過程中進(jìn)行更大范圍的機(jī)動。而且航天飛機(jī)在發(fā)射與返回過程中的環(huán)境條件也不像飛船那樣惡劣，使得很多普通人都有機(jī)會乘坐它進(jìn)行太空旅行。航天飛機(jī)還具有很強(qiáng)的在軌操作能力，可以將8名航天員與有效載荷一同送上太空，并能將很大質(zhì)量的載荷帶回地面。這就使很多的太空維修任務(wù)和太空回收任務(wù)成為可能。
在航天飛機(jī)的飛行任務(wù)中，有發(fā)射衛(wèi)星和行星探測器的任務(wù)，也有執(zhí)行衛(wèi)星維修與回收的任務(wù)，特別是航天飛機(jī)對哈勃號太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)次維修，挽救并延長了它的任務(wù)壽命。航天飛機(jī)擁有可執(zhí)行復(fù)雜操作的機(jī)械臂，有可敞開的巨大貨艙，因此能夠擔(dān)當(dāng)“太空工棚”的角色，復(fù)雜的國際空間站建設(shè)任務(wù)就是利用航天飛機(jī)的這一優(yōu)勢完成的。應(yīng)當(dāng)說，沒有航天飛機(jī)，國際空間站巨大的桁架結(jié)構(gòu)將很難構(gòu)建。
然而，由于航天飛機(jī)所采用的技術(shù)過于復(fù)雜，導(dǎo)致其維護(hù)和使用成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一次性運(yùn)載火箭。而且由于其采用了人貨混合的運(yùn)輸方式，導(dǎo)致其運(yùn)載效率極低：航天飛機(jī)的起飛重量接近土星五號巨型火箭的量級，其貨物運(yùn)載能力卻只有大約24噸，再加上它在安全設(shè)計(jì)方面的不足，兩次事故共14名宇航員喪生的巨大慘劇，導(dǎo)致美國不得不讓它退出載人航天的歷史舞臺。
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神舟系列載人飛船采用了當(dāng)代更新的技術(shù)
是目前人類正在使用最重的載人天地往返運(yùn)輸工具，將成為未來我國空間站的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)，會朝著更加安全、可靠、舒適的方向發(fā)展
我國研制的神舟系列載人飛船，比俄羅斯的聯(lián)盟號飛船略重，在美國的航天飛機(jī)退役之后，是目前人類正在使用的最重的人員天地往返運(yùn)輸工具。它采用由軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙組成的較為成熟的三艙構(gòu)型，雖然在構(gòu)型上和聯(lián)盟號類似，卻采用了大量更為先進(jìn)的技術(shù)。例如，神舟飛船采用光電轉(zhuǎn)換效率很高的三結(jié)砷化鎵太陽能電池，其輸出功率甚至比早期的禮炮號空間站都要大；采用鋁鋰合金的主結(jié)構(gòu)，既輕巧又結(jié)實(shí)；與聯(lián)盟號采用偏二甲肼不同，神舟飛船的統(tǒng)一雙組元推進(jìn)系統(tǒng)采用一甲基肼作為燃料，簡化了增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，工作更為可靠。神舟飛船的返回艙，也比聯(lián)盟號更大更舒適一些。在神舟飛船的早期發(fā)展階段，軌道艙還可在載人飛行任務(wù)結(jié)束后長期留軌，作為一顆科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星繼續(xù)發(fā)揮作用。
神舟飛船在歷次飛行任務(wù)中的出色表現(xiàn)，以及載人航天工程從一開始就完整考慮的前瞻性設(shè)計(jì)，使得神舟飛船足以勝任我國未來空間站的天地往返運(yùn)輸任務(wù)。在神舟飛船定型后，它可以在空間站上停靠半年，同時作為乘組長期駐留空間站期間的“救生船”。在航天員乘組輪換期間，可以有兩艘神舟飛船同時對接在空間站上。
神舟飛船作為我國未來空間站的標(biāo)準(zhǔn)天地往返運(yùn)輸工具，采用了符合國際標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)向瓣內(nèi)翻式異體同構(gòu)周邊式對接機(jī)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)在救援任務(wù)中特別有用，理論上也具備造訪國際空間站的能力，而其他國家的載人航天器也可以經(jīng)過較小改動后造訪我國的空間站。這為將來開展載人航天國際合作，包括空間救援和飛船—空間站的互訪，提供了極大的可行性。
可以預(yù)見，隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，神舟飛船也會不斷改進(jìn)，朝著更加安全、可靠、更加舒適的方向發(fā)展。
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未來新一代載人飛船
美國新一代“獵戶座”多用途乘員運(yùn)輸飛船，將用于執(zhí)行登陸火星或小行星；
俄羅斯在積極設(shè)計(jì)自己的下一代載人飛船，提升未來新型載人飛船的乘組人數(shù)
在航天飛機(jī)退役之后，美國一方面通過租用俄羅斯聯(lián)盟號飛船的艙位維持與國際空間站之間的人員運(yùn)輸，另一方面啟動了商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃，將近地空間的天地往返運(yùn)輸服務(wù)交給軌道科學(xué)公司和太空探索公司等私人企業(yè)，執(zhí)行了“龍”飛船任務(wù)等針對國際空間站的運(yùn)輸服務(wù)。此外，美國宇航局保留了已取消的“星座”計(jì)劃中研制新型載人飛船的任務(wù)。
新一代的“獵戶座”多用途乘員運(yùn)輸飛船可以乘坐4—6名航天員，在充分繼承阿波羅飛船的構(gòu)型形式基礎(chǔ)上，各個分系統(tǒng)均采用了目前最先進(jìn)的技術(shù)。它最終將用于執(zhí)行登陸火星或小行星的飛行任務(wù)。預(yù)計(jì)在2030年左右實(shí)現(xiàn)登陸火星的任務(wù)。
俄羅斯也在積極設(shè)計(jì)自己的下一代載人飛船。由于受聯(lián)盟號飛船只能乘坐3人的限制，國際空間站目前的利用率不高。未來新型載人飛船的乘組人數(shù)均有較大提升，這也是天地往返運(yùn)輸從探索階段走向成熟階段的標(biāo)志。
人類必然走向更深更遠(yuǎn)的空間。由于目前載人航天活動主要依賴化學(xué)燃料的火箭技術(shù)，即使往返火星也需要一年半左右的時間。這樣的飛行任務(wù)還有很多的航天器工程技術(shù)、生命保障技術(shù)乃至心理因素等方面的問題需要解決。
科學(xué)家們也對未來太陽系內(nèi)載人飛行任務(wù)的途徑進(jìn)行了研究。目前普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為：必須采用核動力火箭來突破化學(xué)燃料火箭帶來的瓶頸。這是因?yàn)榛瘜W(xué)燃料所包含的能量非常有限，而核反應(yīng)堆可以在很長時間內(nèi)提供巨大的能量。科學(xué)家們提出的載人登陸木星的衛(wèi)星，甚至土星和太陽系邊緣的飛行任務(wù)，都是在這一假設(shè)下提出的，而這樣的任務(wù)或許在本世紀(jì)內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)。( 人民日報(bào) 楊宇光) | 
新聞背景：神十航天員乘組公布 聶海勝任指令長
2013-06-10 15:37
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