宇宙航行的踪迹

万户飞天   什么是天空?  从古代火箭到现代火箭  从航海、航空到航天

航天员、宇航员和太空人 动物先行   卫星式飞船  加加林首航太空   “东方”号计划

女航天员的第一次太空飞行      “水星”计划     “上升”号计划

人类的第一次太空行走 "双子星座"计划   航天器的轨道对接   "联盟"号计划

“阿波罗”载人登月计划的背景    “阿波罗”载人登月计划的实施   登月处女航

“阿波罗”登月全貌    “礼炮1-5”号航天站   “天空实验室”

“美苏对接”轶事   “礼炮6、7”号航天站   航天飞机的诞生

美国航天飞机的组成和结构   美国航天飞机飞行  “暴风雪”号航天飞机

“和平”号航天站   太空货车和公共汽车 国际航天站的来龙去脉  国际航天站的组成和建设

 

万户飞天

 1945年,美国火箭学家Herbert S。 Zin,在他的《Rockets and Jets》一书中记述说,一位快要活到15世纪的叫“Wan Hoo”的中国人,自制两个大风筝,安装在一把椅子的两边,并把买来的47支最大的火箭绑在椅子背后,自己坐在椅子上,然后命仆人按口令点燃火箭,火箭随即发出轰鸣,喷出火焰。实验家Wan Hoo在火焰和烟雾中消失了。首次进行的火箭飞行尝试没有成功。

  这位美国火箭学家把Wan Hoo评价为“试图利用火箭作为交通工具的第一人”。

  苏联两位火箭学家费奥多西耶夫和西亚列夫也在他们的《火箭技术导论》中,说中国人不仅是火箭的发明者,而且也是“首先企图利用固体燃料火箭将人载到空中去的幻想者”。

  英国火箭专家W·麦克斯韦尔说“Wan Hoo的事迹是早期火箭史中一件有趣的重大事件”。

  德国火箭学家威利·李在他1958年出版的一本书中也说到,在公元1500年左右,Wan Hoo在“发明并试验一种火箭飞行器时,颇为壮观地自我牺牲了”。

  20世纪70年代,国际天文联合会将月球背面一座环形山命名为“Wan Hoo”。

  综上所述,这是一个举世公认的事实,但遗憾的是,迄今在国内没有找到直接的第一批中文转述者,将“Wan Hoo”翻译为“万户”,并以为是官阶名称。14世纪末应是明朝初年,但明朝并无此官阶,因而有人认为应译为“王虎”或“万虎”。不过,如何翻译并不重要。既然开始译为“万户”,现在又被广泛地接受,根据约定俗成原则,应维持“万户”的译名为好。更重要的是,应努力在考证史实上下功夫。

  为了推测万户飞天的可能细节,中国航天科普作家李龙臣先生曾与人合作,根据明朝初年的社会政治和火箭技术状况,撰写了一个曲折动人的《万户飞天》的科学故事,发表在《航天》杂志1986年第三期上,很受读者欢迎

什么是天空?

 

大家都知道“天空、航空、航天、宇宙”这些名词,但它们是如何来的?它们之间的关系又是怎样的呢?

  什么叫宇宙?

  我们的祖先早有科学的定义,所谓宇宙,就是空间和时间的总和。用爱因斯坦相对论的现代观点来说,就是四维时空体,即三维空间加一维时间的综合体。

  空间和时间是巨大而绵长的。根据生活、生产和科学活动的需要,人们将时间和空间一步步地细分。

大气飞行环境  对时间来说,有年、月、日、小时、分、秒、毫秒、微秒等,往大里还有年代、世纪、千年、纪、代等,它们都有准确的物理含义。

  对空间来说,在航天时代到来以前,将宇宙空间区分为“地面”和“天空”,将很高的天空叫做“太空”就足够了。因为人类被地球引力禁锢在地面上,不得“越雷池一步”。有了气球和飞机以后,虽然可以离开地面,在地球大气层中航行,但仍无法超越地球大气层,进行宇宙航行。

  随着现代火箭的诞生,宇宙航行活动开始了。

  宇宙航行就是在广袤的宇宙空间中的航行活动,它的范围实在是太大了。

  20世纪80年代初,我国著名科学家钱学森在我国的《宇航学报》创刊词中指出,宇宙航行应分为两个阶段,第一阶段冲出地球大气层,在太阳系范围以内活动,叫航天;第二阶段冲出太阳系,在银河系乃至河外星系活动,叫航宇。

  也有人认为,航天就是宇宙航行。

  不管如何,“航天”名称的诞生,将地面以上的“天空”划分为“空”和“天”了。

  “空”是指地球大气层空间。在那里的活动叫航空。

  “天”的范围过于广大,在实际使用中,又出现“深空和外太空”等要求将空间细分,但与“太空”同义的名词。不过,这些名词缺乏精确的物理含义界定。

  似应以“空(地球大气层空间)”为基准,往上依次叫“太空(太阳系空间)”、“银空(银河系空间)”、“外空(河外星系空间)”等。这样,它们就与时间的划分一样,有了准确的物理含义了。

从古代火箭到现代火箭

 

火箭是载人航天的必备条件,在追寻载人航天踪迹的时候,不能不从火箭开始。

中国古代火箭--火龙出水 中国是火箭的故乡。据《宋史》等古籍记载,在公元970年前后的宋朝初年,我国就发明了具有反作用力因素的古代火箭。

  但“万户飞天”的悲壮故事说明,古代火箭是无法将人送入太空的。这个任务就历史地落在了现代火箭身上。

  由于火箭不依赖外部空气工作,因此,宇宙航行理论奠基人、俄国科学家齐奥尔科夫斯基在1883年指出,能在太空真空中工作的火箭,可以做为宇宙航行的动力工具。

齐奥尔科夫斯基  到1903年,齐奥尔科夫斯基进一步提出火箭公式,指出火箭的飞行速度与火箭发动机的喷气速度成正比,并指出,黑色火药一类的固体火箭燃料,产能效率低,无法使火箭达到宇宙速度,应该使用液氢液氧这样的液体燃料。同时,火箭公式还表明,火箭的自身结构质量越小越好,燃料装得越多越好。这样,火箭公式就为发展现代火箭指明了方向。它被称为“齐奥尔科夫斯基公式”。

  在火箭公式的基础上,齐奥尔科夫斯基还运用他巧妙的思维指出,用多级火箭接替工作的办法,可使火箭逐级提高速度,最后达到所需的宇宙速度。

  火箭公式是把宇宙航行从理论、理想变为现实的转折点,后来人们将火箭公式誉为“宇宙航行第一公式”。

  1926年,美国科学家戈达德发射成功第一枚液体燃料火箭,虽然它只飞行了2.5秒钟,上升高度只有12米,但它是现代火箭的一个健康的胎胚。

 

 


  在20世纪30年代,奥伯特和他周围的一些欧洲人,积极投入到研制火箭的实践中去,也为发育现代火箭做出重要贡献。

  20世纪40年代初,德国人布劳恩领导研制的V-2火箭,虽是一种作战武器,但它却宣告现代火箭诞生了。

 

V-2火箭的缔造者--布劳恩(左二)

科罗廖夫


 

 

 1957年10月4日和1961年4月12日,苏联航天事业总设计师科·罗廖夫研制的火箭,分别将人类的第一颗人造地球卫星和第一名航天员送入太空轨道,建造了载人航天的巨大里程碑。

 

从航海、航空到航天

 

  人类是在地球陆地上发展起来的,然后逐渐将活动范围扩大到海洋,到地球大气层空间,到地球大气层以外的宇宙空间。这每一次扩展,都是人类发展史上的一次飞跃,但冲出地球大气层,进入广袤的宇宙空间,无论从哪方面来说,都是最大的一次飞跃。

  让我们先从活动面积和空间的大小来比较。

  人类在陆地上的活动范围,充其量就是地球的全部陆地面积,大约是1.5亿平方千米。

  人类航海活动的范围,就是地球的海洋面积,大约是3.6亿平方千米。

  人类的航空活动范围,只限于低层地球大气层空间,如果以升限20千米计算,其活动空间的体积很容易算出来。地球的半径约6400千米,以6400千米加20千米半径的球体体积,减去地球的体积,就是航空活动的范围。这是小学生也可计算出来的,是很有限的。

  我们再来看宇宙航行。

  宇宙航行第一阶段航天的范围是整个太阳系。太阳系的半径若以冥王星轨道为限,为40天文单位,约60亿千米;若以彗星轨道为限,约23万天文单位,约34万亿千米!

  宇宙航行第二阶段的活动范围是整个宇宙空间。宇宙有多大?难以知晓。如果以大爆炸诞生时光传播的范围计算,光是球面传播的,则球形宇宙的半径是光速乘宇宙的年龄。宇宙的年龄若以140亿年计算,则宇宙的半径为140亿光年,大约是1400万亿亿千米!这是地球大气层空间无法相比的。

再从延续时间来比较。人类的陆地、航海和航空活动,最多延续到地球和太阳衰老的时候,也就是还有50-60亿年。而宇宙航行则与宇宙同在。宇宙还能存在多长时间?无人知晓。但据认为,所有星系在1031年后会形成大黑洞,黑洞需10106年才能蒸发完。据信黑洞也能提供生命生存的条件。这么算来,宇宙航行可延续的时间为1031-10106年!

  人类活动范围的扩大,是以科学技术为支撑的。载人航天确是人类发展史上最大的一次飞跃。

航天员、宇航员和太空人

 

“航天员”是指驾驶载人航天器和从事与太空飞行任务直接有关的各项工作的人员。它既与航天地面工作人员相区别,也与乘载人航天器进入太空的其他人员相区别,就像飞行员与航空地勤人员和乘客相区别一样。

  我们既然已将宇宙航行第一阶段,即在太阳系内的活动定义为“航天”,那么,将从事上述有关工作的人员叫“航天员”是顺理成章的,正如将这个事业、从事这个事业的机构和工程叫“航天事业”、“航天局”和“航天工程”等等一样。这已是许多人接受的原则。

  “宇航员”是“宇宙航行员”的简称。由于航天是宇宙航行的一部分,即第一阶段,将有关人员称为“宇航员”并无不可。

  但是,当“航天”和“宇航”同时出现时,会给人带来一丝疑感。如“航天飞机上的宇航员”,总有“轮船上的飞行员”之含义的嫌疑。

  “太空人”是英文Space Man的直译,这也并无不可。但它难以与“进入太空的人”、“太空中的人”严格区分开来,而且容易与“外星人”联系起来。

  还有,既然我们已认同将Space Shuttle(直译为“太空穿梭机”)转译为“航天飞机”,Space Man也应可转译为“航天员”。这样,它与“航天天机”一样,既更加适合汉语习惯,也更加忠实于原意。
这里顺便说到,在英语中,表示地面以上宇宙空间的词,主要有两个,即Sky和Space。它们基本上与汉语“天空”和“太空”对应。在人类活动冲出地球大气层以后,Sky和Space的应用站叫“Skylab”(天空实验室)。在这里,Sky和Space同义了。但后来趋向于Sky是指地球大气层空间,Space指地球大气层以外的宇宙空间。这样,英语同样缺少细分宇宙空间的词汇。因此,我们完全不必受英语词汇的限制,应根据需要创造“太空”、“银空”、“外空”、“航天飞机”之类的,有物理含义界定的新词汇。

动物先行

 

  早在19世纪末,宇宙航行理论奠基人齐奥尔科夫斯基就分析到,地球大气层不可能延伸得很远,太空一定是真空环境。科学家还分析到,太空有强辐射、极低温和流星体等杀手。

  但是,对载人航天来说,对太空环境仅有理论上的分析是远远不够的,人类不能贸然进入这个完全陌生的环境,将动物送入高空和轨道进行飞行试验是必由之路。

  1946年12月和1947年1月,移居美国的布劳恩两次用V-2火箭将孢子和果蝇等生物送入180千米的高空。1948年6月又将一只叫阿尔伯特的恒河猴送到60千米高空。

  1951年4月,美国空军用探空火箭将一只猴子送入高空。

  1951年6月,科罗廖夫用地球物理火箭将两只小狗送入110千米高空,安全返回后又于8月26日再次送入高空。

  1951年9月和1952年5月,美国空军又分别将猴子和老鼠送入高空。

苏联第一颗人造卫星 1957年10月4日苏联发射成功第一颗人造地球卫星后,于11月3日发射的第二颗卫星,就将小狗莱伊卡带进轨道。

  在第一名航天员尤里·加加林进入太空前,苏联更是紧锣密鼓地进行动物试验。如1960年8月19日用“东方”型飞船(当时叫“卫星式飞船”)将两只狗、50只老鼠等带入轨道飞行,虽安全返回,但苏联科学家仍为小狗在第4圈飞行时的呕吐担心。这年12月1日,“东方”型飞船再将两只小狗带入轨道,可是返回没有成功。只有在1961年3月9日和25日两次载小狗顺利升空并安全返回后,尤里·加加林才于1961年4月12日进行人类的首次太空飞行。

  据不完全统计,在加加林上天以前,苏联共进行31次高空动物飞行实验和7次动物轨道飞行试验。

  美国除进行太量的高空动物实验外,它的第一个载人轨道飞行的“水星计划”,也准备首先大量进行动物飞行试验,只是为形势所逼,在4次动物飞行后,于1961年5月和7月两次冒险载人亚轨道飞行。

  在人进入太空以后,科学家继续进行太空动物实验和试验,深入了解太空环境对生命的影响。

 

卫星式飞船

 

苏联发展载人航天,选择了先发射无人卫星式飞船的途径,为载人飞行作技术准备。它实际上就是无人驾驶的“东方”号飞船的试验飞行,目的是考核飞船和进行动物飞行试验。

  卫星式飞船由密封的回收舱和设备舱组成,返回时,设备舱与回收舱分离,然后在大气层中烧毁。

  1960年5月15日发射“卫星式飞船1”号,回收失败。

  1960年8月19日发射“卫星式飞船2”号,载有“别洛卡”和“斯特雷卡”两条小狗,还有50只老鼠。第二天成功返回地球。

  1960年12月1日发射“卫星式飞船3”号,载有两只小狗。返回时由于再入角过大,回收没有成功。

  1961年3月9发射“卫星式飞船4”号,载有一条小狗,成功返回地面。

  1961年3月25日发射“卫星式飞船5”号,载有一条小狗,成功返回地面。

  成功返回,是载人航天必须解决的一个关键技术问题。这中间存在许多失之毫厘差之千里、一步失误全盘皆输的技术因素。

  首先,要将飞船由轨道运行的姿态调整到返回的姿态,使飞行方向与地平线成预定的夹角(即再入角)。再入角的些许误差都会造成返回的失败。

  其次,飞船的返回舱要与不返回的舱段顺利分离。因为不返回部分没有防热措施,通过稠密大气层时会燃烧,这会殃及返回舱。同时会加大落地时的冲击,使返回舱撞毁。

  第三,返回舱要能经受住制动(反推)火箭点火熄火时产生的剧烈振动,进入稠密大气层时的巨大冲击过载和此后的减速过载。

  第四,返回舱还要能经受得住通过稠密大气层时产生的上万摄氏度的高温,而不被烧毁。

  最后,返回舱要能安全着陆而不被摔毁。

  苏联5次卫星式飞船的发射、飞行和返回试验,检验了飞船的结构性能,可以保障载人飞行和返回的安全;同时,通过大量的太空生物试验,证明了人可以经受住航天环境因素的考验。

  这些卫星式飞船的发射、飞行和返回,当时在全球制造了浓厚的气氛:苏联很快就会将第一名航天员送入太空了。

加加林首航太空

 

  1961年4月11日清晨,尤里·加加林来到拜科努尔发射场。总设计师科罗廖夫在那儿与他会面,并一同登上发射台,站在“东方”号飞船旁边。飞船由球形座舱和圆柱形设备舱组成,长7.35米,两人都在沉思。

  “您真是个幸运儿,将从那么高的地方观察地球”科罗廖夫打破沉默说。“发射和飞行不会很轻松,既要经受超重,又要经受失重的考验,还可能遇到我们未能预料的东西……在明天的飞行中有冒险的成份……”。

  第二天上午9时,透过火箭的轰鸣声,听到加加林欢快的声音:“走吧”!

  飞船顺利进入预定轨道。加加林从太空传回的第一句话是:“多么美啊”!不过,与地面的通话并不顺畅。加加林想写日记,铅笔也不翼而飞了。

  在绕地球一圈的108分钟的飞行中,它的情况还算顺利。在返回时却遇到了麻烦。制动火箭点火,飞船进入返回轨道。但在制动火箭关机后,飞船旋转起来,加加林感到是在作芭蕾舞的旋转动作,有点头晕目眩。接下来的程序应是设备舱与密封座舱分离,需时约10-20秒。但由于一束导线没有断开,设备舱并没有完全离开密封座舱。冷静的加加林听其自然,等待着进入稠密大气层时导线被烧断,所以他仍向地面发出“BH4”--“一切正常”的信号。万幸,10分钟后设备舱完全分离了。

  飞船进入稠密大气层时,外壳因气动加热而燃烧,巨大的过载也使加加林的眼前一阵发黑。好在按设计程序,在离地面7000米时,加加林连同座椅从密封座舱中弹出。

  吊挂在降落伞下的加加林,在离地面1000米时,看到下面是伏尔加河,于是便抛弃电台、药箱和工具等沉重的物品,以便万一落在河中时,可以轻身游到岸上。

  10时55分,加加林降落在萨拉托州恩格斯区波德戈尔诺耶村附近的一个防空导弹部队的营地上。大概是为了保密的缘故,加加林着陆纪念碑建在15千米外的斯梅洛夫克村一个农庄的耕地上。

  人类的第一次太空之旅充满着惊险,但终于成功了。正如加加林在总结中所说的:“可以作出人类宇宙飞行能够成为现实的结论…这是人类在其发展中合乎规律的历史过程”。

“东方”号计划

 

“东方”号计划是苏联的第一个载人航天计划,共6次载人绕地球飞行。

  “东方”号飞船由密封座舱和仪器设备舱组成。密封座舱为球形,外径2.3米。舱内为氮氧混合气体,二氧化碳浓度不大于1%,温度为15-20℃,相对温度为30-70%。

  密封座舱内除生命保障系统外,还有自动控制和手动控制系统、通信系统、自动信息记录系统、定向系统、飞行控制系统、温度调节系统、测量轨道参数的设备系统、化学电池、测量人体生理功能的仪器仪表、电视、摄像机、制动火箭和着陆系统等。

  返回程序与卫星式飞船相同,即制动火箭点火,进入返回轨道,仪器设备舱与密封座舱分离,在稠密大气层中烧毁。航天员可乘密封座舱着陆,也可在离地面约7000米时,用弹射座椅弹出密封座舱,然后用降落伞着陆。

  “东方”号计划取得了抢先将航天员送入太空的荣誉。根据美国要抢先载人登月的竞争态势,后来又尽量延长在轨道上的飞行时间,增加轨道高度,并练习两艘飞船在轨道上的会合,编队飞行,这显然是为轨道对接和长期太空生活作准备。“东方3、4”号在轨道上会合时的最小距离为6.4千米,“东方5、6”则为4.8千米。

  “东方”号计划还赢得了首先将女航天员提列什科娃送入太空的荣誉。

"东方"号计划执行情况

编号

发射
时间

航天员

飞船
质量
(千克)

近地点  
  远地点
 (千米)

倾角(度)

绕地球飞
行圈数

周期
(分)

飞行时间(小时:分)

1 1961.4.12 加加林 4725 181/327 64.95 1 89.34 1:48
2 1961.8.6 季托夫 4731 183/244 64.93 17 88.5 25:18
3 1962.2.11 尼古拉耶夫 4222 1807/2346 64.98 64 88.33 94:22
4 1962.8.12 波波夫 4728 1798/2367 64.95 48 88.39 70:57
5 1963.6.14 贝科夫斯基 4220 1747/2221 64.96 81 88.27 119:6
6 1963.6.16 捷列什科娃 4713 1809/2311 64.95 48 88.3 70:50

女航天员的第一次太空飞行

 

  航天技术是在激烈的国际竞争中诞生的。载人航天初期,东西方“冷战”如火如茶,争夺航天技术的各种“第一”,对苏联和美国来说,都具有巨大的政治、军事、科技和宣传价值。苏联在抢先将加加林送入太空后,想趁势前进,夺取更多的“第一”,最近目标就是女航天员这个“第一”。于是便安排了瓦莲京娜·捷列什科娃乘“东方6”号飞船飞行24小时。

  由于美国在加加林上天飞行后不久,宣布要在十年内将人送上月球。苏联自然也有登月的愿望,于是便在“东方”号计划中,安排两艘飞船在轨道上的会合演练,为下一步轨道对接做准备。因为轨道会合和对接,无论对登月飞行还是航天站的运营都是不可少的。这就有了“东方3、4”号和“东方5、6”号的编队飞行。

  1963年6月14日,贝科夫斯基首先乘“东方5”号进入太空。两天后,捷列什科娃从容地走进“东方6”号飞船的密封座舱,在火箭的轰鸣声中,她思绪万千,但“我没有想自己的家,也没有想是否能返回地球,脑子里只装着未来24小时担负的使命和责任”。

  飞船进入轨道后,以每小时28000千米的速度绕地球飞行,每88分钟看到一次日出日落。从太空看地球,它不同的部分呈现不同的色泽,景色无比美丽和壮观,在经过中国上空时,她看到了“万里长城”。这一切使她产生了“抑制不住的内心激动”,便满腔热情地投入工作。但“太空是不会优待妇女的”,她克服种种困难,努力完成医学、生物学和其它科学考察任务。“对太空深深的眷恋”,使她勇敢地提出“延长在太空的停留时间”的请求。也许是她的热情打动了决策者,也许是她的请求符合决策者的心意,她的请求破例地得到了批准。

  这样,第一名进入太空的女航天员,与参与第一次编队飞行的男航天员一样,在太空飞行70小时50分钟,绕地球48圈,行程200万千米。这成为她“一生中最幸福的日子”,美丽动人的地球景观则是她的在“梦中常常浮现的画面”。

“水星”计划

 

  “水星”计划是美国的第一个载人航天计划。原来的目的是抢先把人送进太空,所以重点放在简单可靠,力求争取时间上,但却应验了“欲速则不达”的古训。

  由于美国没有专门的载动物轨道试验飞行的计划,“水星”计划的早期发射,除了考核运载火箭和飞船外,就是载动物进行飞行试验。

  “水星”飞船由密封座舱、逃逸系统、天线容器、回收部件、反推火箭与分离火箭、防热层等部分组成。先后共发射25艘,其中载猴子和猩猩飞行各2艘,载假人飞行4艘,载人亚轨道飞行2艘、载人轨道飞行4艘,其余是在计划早期用于考核飞船和火箭。

  早在1959年8月21日,就开始用“小兵”火箭发射“水星”飞船外壳的试验,但由于“小兵”火箭在技术上还没有完全过关,成功率很低。不得不请出技术上相对成熟的“红石”导弹和“宇宙神”洲际导弹,经改装后作为运载工具,但仍失败连连。

  直到1961年4月12日苏联首先把加加林送入太空后,上述3种火箭都还没有把握将载人的“水星”飞船送入绕地球飞行的轨道。为了在世人面前挽回面子,只得“硬着头皮”用“红石”火箭于这年的5月5日发射“水星3”号飞船,将勇敢的航天员阿伦·谢泼德送入185千米的高空,作抛物线飞行,在太空飞行的时间只有15分钟,然后垂直下落,溅落在洋面上,名为“亚轨道”飞行。

  7月21日,航天员弗吉尔·格里索姆乘“水星4”号飞船再作一次亚轨道飞行,太空飞行时间16分钟。

  在经过载假人和载动物黑猩猩的几次轨道飞行成功后,1962年2月20日,大推力的“宇宙神”火箭终于将“水星6”号飞船送入太空,约翰·格伦成为美国第一个绕地球飞行的船天员,在轨道上飞行4小时55分钟。

  这时,美国已在实施“阿波罗”计划,“水星”计划也已转而为载人登月服务,实实在在地考察人在太空环境中的生存和工作能力。以后3次的飞行情况如下:

飞船

发射时间

航天员

飞行时间

水星7号

1962.5.24

斯科特·卡本特

4小时56分

水星8号

1962.10.3

瓦尔特·希拉

9小时13分

水星9号

1963.5.15

戈登、库柏

34小时20分

“上升”号计划

 

 

  “上升”号计划是苏联“东方”号计划的后续载人航天计划。所使用的“上升”型飞船为“东方”型飞船的改进型,呈球形。计划的主要目的,是试验载2人的飞船系统,继续考察航天员在太空中的工作能力,以及考察航天员之间相互配合的能力。

  在计划实施过程中,苏联领导人赫鲁晓夫得知美国准备搞载3人的航天飞行计划,便立即要求抢先发射载3人的飞船。正患严重心脏病的科罗廖夫带病工作。新研制载3人的飞船来不及了,只得拆掉载2人的“上升”型飞船中的弹射座舱。但这样座舱容积仍然不够用,于是进一步让航天员冒险不穿臃肿的舱外活动航天服。

  1964年10月12日,“上升1”号首先载着弗·米·科马罗夫、康·彼·费奥克蒂托夫和鲍·叶戈罗夫3名航天员进入轨道,绕地球飞行16圈,历时24小时17分。争得了载多人太空飞行这个“第一”,不过这也使科罗廖夫进一步病入膏肓。

  这时,苏联又得知美国在“双子星座”计划中安排有太空行走的内容。为了抢得这个“第一”,科罗廖夫机灵应对,在“上升”型飞船的壁上开一个口,安装一个气闸室,供航天员进行太空行走时,出入座舱之用。发射时,气闸室呈摺迭状,用一个保护锥保护,入轨后保护锥被抛掉,气闸室充气膨胀,完成任务后抛弃。由于出舱到太空行走的航天员,是一定要穿舱外活动航天服的,所以飞船无论如何只能载2人飞行了。

  1965年3月18日,“上升2”号飞船载着阿·阿·列昂诺夫和帕·伊·别到亚耶夫进入太空。在绕地球飞行的第二圈时,列昂诺夫系着保险绳,走出舱座,破天荒地在空旷的太空中游荡了10分钟,但在进入座舱时却花了12分多钟,险些进不了舱。

  “上升2”号在太空飞行26小时,于3月19日返回地面,整个“上升”号计划结束。4天后,美国载2人的飞船发射成功,两个多月后,美国航天员进行了太空行走。

人类的第一次太空行走

 

  1965年3月18日“上升2”号飞船进入轨道后,飞船指令长别列亚耶夫立即帮助列昂诺夫作太空行走的准备。他先将生命背包系在列昂诺夫的舱外活动航天服的背部,然后让列昂诺夫吸纯氧排氮。因为飞船座舱中是氮氧混合空气,而舱外活动航天服中的气压比座舱中的气压低,这样,穿着舱外活动航天服在太空行走时,溶解在体液中的氮气就会游离出来,氮气泡会堵塞血管、形成气胸,危害航天员的生命。所以,走出座舱到太空中去活动,必须吸纯氧,逐渐地将氮气排出体外。这样准备了1个多小时。

  在飞船绕地球飞行第二圈后不久,列昂诺夫打开通向气闸室的内舱盖,让气闸室充气,然后进入气闸室,穿好舱外活动航天服,并对它的密封性能进行了检查,随后逐渐让气闸室降低气压,最后,列昂诺夫打开气闸室外盖,走出气闸室,进入茫茫太空。

  列昂诺夫与“上升2”号飞船并列着,以28000千米/小时的速度绕地球运行。它随时通过附设在保险绳上的电话线与指令长联系。

  舱外行走10分钟后,指令长通知列昂诺夫返舱。列昂诺夫想把照像机先送入气闸室,但非常困难,每一次把它推进去后,就立即被从气闸室中流出的微小气流冲了出来。列昂诺夫只得先把一只脚伸进气闸室,然后将照像机的背带放在脚下踩住,使照像机无法再飘起来。

  但是,当他将身体移向气闸室时,真正的危险发生了。由于太空为真空,他穿的舱外活动航天服鼓胀起来,使列昂诺夫怎么也进不了气闸室,急得他满头大汗,这样,汗气又模糊了头盔的面罩,使他什么也看不清。

  列昂诺夫只得冒险降低舱外活动航天服内的气压。从0.4个大气压降到0.35,不行;再降到0.3,还不行;再降到0.25,这个压力值已在允许的极限值以下!如果还进不去,那……好在舱外活动航天服终于瘪了下来,列昂诺夫挤进了气闸室,最后进入座舱,将气闸室抛掉。第一次太空行走成功了!

"双子星座"计划

 

  “双子星座”计划是美国的第二个载人航天计划,筹划较早,1961年12月7日正式宣布航行。那时已在实施“阿波罗”载人登月计划,“双子星座”计划的目的,就是在“水星”计划的基础上,进一步为载人登月服务,主要任务是研究人在失重条件下长期太空飞行的种种问题,以及发展轨道机动、会合和对接技术,还有航天员的舱外活动能力。

  飞船由再入舱和设备舱组成,全长5.74米,底部直径3.05米,顶部直径 0.98米。

  再入舱由座舱段、对接段和回收段组成,高3.32米。

  经过紧张的研制和地面试验后,于1964年4月8日发射编号为“双子星座1”号的无人驾驶飞船,作轨道飞行试验,但不回收。

  经过有针对性的改进后,于1965年1月19日发射“双子星座2”号飞船,作无人驾驶轨道飞行试验,仍然不回收。

  在苏联“上升2”号飞船升空后第5天,即1965年3月23日,“双子星座3”号飞船正式载人轨道飞行。

  1965年6月3日,“双子星座4”号升空,航天员怀特在列昂诺夫之后太空行走。1965年12月4日和7日,先后发射“双子星座7”号和“双子星座6”号,两艘飞船进行了轨道会合练习。

  1966年3月16日发射的“双子星座8”号飞船,与运载它的“火力神”火箭的上面级,即与飞船脱离后也进入轨道的“阿金纳”上面级,首先实现了两个航天器的轨道对接。此后发射的4艘飞船,也都进行了对接练习,“双子星座9”号上的航天员塞尔南进行了太空行走练习、“双子星座11”号还进行了变轨练习。

  “双子星座”飞船的载人飞行情况如下:

 

飞船

发射日期

航天员

飞行时间

双子星座3号

1965.3.23

布吉尔·格里索姆、约翰·杨

4小时46分钟

双子星座4号

1965.6.3

詹姆斯·麦克迪维特、爱德华·怀特

4天1小时56分

双子星座5号

1965.8.21

戈登·库柏、查理斯、康德拉

7天22小时56分

双子星座6号

1965.12.25

瓦尔特·希拉、托马斯·斯塔福德

1天1小时52分

双子星座7号

1965.12.4

法兰克·博尔曼、詹姆斯·洛弗尔

13天1小时52分

双子星座8号

1966.3.16

尼尔·阿姆斯特朗、戴维·斯科特

10小时42分

双子星座9号

1966.6.3

托马斯·斯塔福德、龙金·塞尔南

3天又21分

双子星座10号

1966.7.19

约翰·杨、迈克尔·柯林斯

2天22小时47分

双子星座11号

1966.9.12

查理斯·康德拉、查理·戈登

2天23小时17分

双子星座12号

1966.11.11

詹姆斯·洛弗尔、埃德温·奥尔德林

3天22小时35分

航天器的轨道对接

 

航天器的轨道会合和对接,是航天活动中一项必不可少的技术。对确定了载人登月计划的美国来说,更是急需解决的一项关键技术。

阿金纳与上升火箭对接  进入轨道的航天器,在轨道上做无动力惯性飞行。要使两个航天器对接起来,首先要让它们在同一条轨道上会合。这要求其中一个航天器用携带的小火箭发动机产生动力,进行变轨机动飞行,去追赶另一个航天器。人们分别把两个航天器叫做追踪航天器和目标航天器。

  载人航天器之间,由于需要有环形通道,一般采用“异体同构-周边对接机构”,就是两个航天器上的对接机构是相同的,所有对接部件都在对接口的周边。

  航天器的会合和对接,一般分为四个阶段,即地面引导、自动寻的、接近和停靠、对接合拢。

  追踪航天器在地面控制中心的引导下,经过几次机动飞行,改变轨道,飞至目标航天器后面15-100千米处,使追踪航天器的测量装置能捕获到目标航天器。

双子星座9号飞船与阿金纳靶标对接  追踪航天器用微波和激光等敏感器件测量与目标航天器的相对运动数据,并自动飞近到距目标航天器500-1000米的初始瞄准点。

  追踪航天器首先捕获目标航天器的对接轴,然后在轨道平面外机动绕行,进入以对接口轴线为中心线的锥形对接走廊,然后逐渐调整飞行姿态,使其对接口轴线与目标航天器的对接口轴线重合。这时,两个航天器相距约100-200米。然后以3-1米/秒的相对速度接近。在这个过程中,追踪航天器必须随时精确测量与目标航天器之间的距离、相对速度和姿态。最后使用冷气喷射系统以0.15-0.18米/秒的速度与目标航天器相撞停靠。

  相撞停靠后,关闭动力系统,两个航天器利用对接机构上的抓手、缓冲器和传力机构相互接触,环与环连接,并调平拉紧,然后用锁紧机构实现两个航天器的硬连接并密封。这时,两个航天器的对接通道可供人员往来。最后完成信息传输总线、电源线和流体管线的连接,使两个航天器成为一个整体。

  完成会合和对接一般需要3-4小时。

"联盟"号计划

 

  “联盟”号计划是苏联在“上升”号计划之后,进一步发展的载人航天计划。它的主要任务是,展示新型载人飞船的性能;进行轨道机动、会合和对接试验,为建立航天站在技术上作准备;进行工程技术、科学和生物医学试验;对地面和天体进行观测。

  “联盟”型飞船由轨道舱、返回舱和设备舱组成,长度分别为2.65、2.3和2.3米,直径均2.28米,重6.654吨。发射时,在飞船之上还有逃逸救生火箭。

  “联盟”型飞船,既可载人,也可不载人飞行;既可单独飞行,进行太空科学实验和试验,也可与航天站对接,联合飞行;还可成为往返运输飞船,在地面与航天站之间飞行。

  “联盟”型飞船和随后的“礼炮”型航天站,是科罗廖夫在生命的最后日子里领导研制的,他还解决了两个航天器在轨道上对接的技术问题,但他没有看到这些事物的实现,在第一艘“联盟”型飞船飞翔前一年多前的1966年1月14日去世。而失去了科罗廖夫的苏联航天事业,不仅发展势头大减,而且发生了恶性事故。

  1967年4月23日,“联盟1”号飞船入轨,在太空飞行一天后,在返回着陆时,航天员被摔死。首飞不利,“联盟”型飞船被迫停飞,以改进飞船的设计和结构。

  一年半以后,“联盟”型飞船开始轨道会合练习。1968年10月25日发射了靶船“联盟2”号,第二天发射载1人的“联盟3”号飞船,在轨道上练习了与“联盟2”号的自动和手控会合飞行。

  1969年1月14日和15日,先后发射“联盟4”和“联盟5”号飞船,它们分别载1人和3人。两个载人航天器首次在轨道上实现对接,并有两名航天员从舱外转移到另一艘飞船上。

  1969年10月11-13日分别发射6-8号载人的“联盟”型飞船,在轨道上练习了多艘飞船的编队飞行。

  1970年6月1日发射载2人的“联盟9”号飞船,在太空飞行近18天,摸索长期太空飞行的经验。

  以后的“联盟”型飞船多与“礼炮”型航天站对接。

“阿波罗”载人登月计划的背景

 

  二次世界大战后,虽然以布劳恩为首的约300名德国一流火箭专家、60多枚完整的V-2导弹悉数到了美国,但由于美国主流的科学家、军事家和政治家迷信以轰炸机的代表的“空中优势”,而“不相信一枚火箭载着原子弹”能“从一个大陆打到另一个大陆”。他们更认为用火箭发射人造地球卫星是“轻浮的、异想天开的”,是“神经失常”,“没有人相信苏联人可能发射卫星”。

  在确信与苏联存在“导弹差距”后,于1953年夏成立“茶壶委员会”,主管战略导弹研制。1954年2月,总统批准全力发展和部署洲际导弹。怎奈失去时间太多,加之军种相争,力量分散,技术上一时力不从心。只得采取应急措施,全力发展“雷神”和“丘比特(红石)”中程导弹。到1957年初,全美国约有4万人在2000个公司里为缩小“导弹差距”而努力工作。但“雷神”导弹仍屡试屡败。

  时不我待。1957年8月18日苏联向太平洋试射了洲际导弹,并声言这“表明导弹能射到世界的任何地方”,“不需要利用战略空军”,“目前的防空手段对它是无效的”。

  1957年10月以后,苏联由导弹改成的航天运载火箭,连续地发射人造地球卫星。1959年1月,“月球1”号探测器首次脱离地球引力,9月,“月球2”号首次碰到月球,10月,“月球3”号首次拍摄了月球背面的照片。1961年2月,向金星发射了探测器。这一件件鲜活的事实,使美国朝野深深地感到被苏联重重地摔倒在地面上,从此只能仰苏联人的鼻息生活了。

  但是,亡羊补牢,犹未为晚。除了从政治、外交上牵制苏联外,美国凭借自己强大的经济和科技实力,在导弹方面很快就赶了上来。在航天技术方面,1958年成立了国家航空航天局(NASA),统一领导,加大经费投入,卫星技术也很快超过了苏联。

  可是,1961年4月12日,苏联航天员又抢先进入太空。为了在载人航天方面超过苏联,1961年5月25日,美国国会和总统相继批准实施“阿波罗载人登月计划”,要在10年内首先将人送上月球,“把苏联人摔倒在月球上”。

“阿波罗”载人登月计划的实施

 

  鉴于不准“二等公民”发射美国第一颗卫星带来惨痛失败的教训,NASA在实施“阿波罗”计划时,首先将布劳恩的4人班子划归名下,拨款1亿4千万美元,研制发射登月飞船的大型运载火箭“土星5”号。

  转变“水星”和“双子星座”两个载人飞行计划的内容,使其为载人登月服务,弄清楚人能否在太空长期生活和工作,练习太空行走和航天器的轨道会合与对接。

  实施“徘徊者”、“勘测者”和“月球轨道飞行器”三个无人探测计划,摸清楚月球表面状况和飞船能否在月面降落、在什么地方降落等问题。

  集中精英,研制登月飞船,制订登月方案。人们匠心独运,提出种种登月方案。后集中归纳为“直接登月法”、“地球轨道会合法”、“加油飞机法”、“月球表面会合法”、和“月球轨道会合法”等5种方案。经过艰难的取舍,最后确定采用“月球轨道会合法”,就是用火箭将载3人的飞船送入绕月球飞行的轨道,然后释放载2人的登月舱降落到月面上,两名航天员完成在月面的考察任务后,乘登月舱的上半段上升,与绕月飞行的指挥舱对接,3人会合后抛掉登月舱上半段,返回地球。

  为实施“阿波罗”计划,美国几乎全国动员。在1965年,仅参加这项工作的航天和电子工程师就有43000人。在1966年,直接工作人员达42万人。前后参加的主要公司达2万家,大学约120所,人员400万,直接耗资250亿美元。

  从1963年11月开始对火箭和飞船进行飞行试验,到1965年底共进行10次。以后发射的飞船开始编号。1966年2月到8月发射的“阿波罗1-3”号,两次亚轨道飞行,1次轨道飞行。“阿波罗4A”号飞船在地面演练时,因纯氧座舱起火,3名航天员被烧死。

  改进设计后,“阿波罗4B-6”号飞船进行无人轨道试验飞行。1968年10月到1969年5月,“阿波罗7-9”号先后载人进行地球轨道和月球轨道飞行。这样,终于迎来了“阿波罗”号的登月飞行!

登月处女航

 

登月处女航,亘古第一遭。

  1969年1月,迈克尔·科林斯、尼尔·阿姆斯特朗、埃德温·奥尔德林从50名航天员中被挑选出来,执行第一次登月飞行任务。他们反复学习计划任务书,反复练习各种操作,特别是最初12分钟的飞行操作。两名登月航天员还反复研究月图和月球地质,学习月面摄影。直到起飞前几天才遵医嘱放缓训练强度。

  为了保证登月航天员的健康和不把病菌带到月球,起飞前两个星期,他们被半封闭起来,除健康的亲属外,总统也不能接触他们。

  为防止月球上可能的病菌在地球上扩散,为将要带回的月球土石标本建造了专门的真空实验室;为将要从月面返回的航天员和接触他们的医生、技术人员和炊事员建造了封闭宿舍。

  起飞前两天的晚上,从3000名记者中挑选出4名向登月航天员提问。

  1969年7月16日上午12时32分,“阿波罗11”号飞船终于出发了。

  经过4天飞行,7月19日正午,飞船应开始绕月球飞行,这就需要启动制动发动机减速,以便飞船被月球引力抓住。要是制动发动机启动不起来,飞船只能从月球背后打个转,然后飞回地球。要是发动时间过长,飞船就会撞在月面上。最令人担心的是在月球背后飞行的33分钟,因为无法与地球上的指挥控制人员进行无线电联系,一切全靠航天员自己。

  这一关闯过去了。在绕月飞行第13圈时,登月舱与指挥舱分离,从15000米上空以弧形轨迹降落到月面上。而这段航程也处在月球背面,无法得到地球上的支援,任何一个失误都可能在这最后阶段酿成灾祸。阿姆斯特朗的心跳由每分钟77次升高到110次,在降落到月面的一刹那,竟然升高到156次!真是扣人心弦。

 

  1969年7月20日22时17分,登月舱降落在月面上。经几小时的观察等待,阿姆斯特朗于21日2时56分走出座舱,在扶梯的最下一级又站了数分钟后,伸出左脚,在月面上印下了人类的第一个脚印,并说出了那句久藏心底的话:“对一个人来说这是一小步,但对人类来说,是一次飞跃”。

  18分钟后,奥尔德林也踏上了月面。

  在月面活动两小时后,两名航天员乘登月舱上半段上升,与指挥舱对接,3名航天员会合,一起飞回地球。

“阿波罗”登月全貌

土星5号火箭升空

  “阿波罗”飞船由指挥舱、服务舱和登月舱组成。发射时从上至下以指挥舱-服务舱-登月舱的次序与“土星5”号火箭的第3级相连,在指挥舱的上面还有发射应急逃逸塔。

  “土星5”号火箭载着“阿波罗”飞船从肯尼迪航天中心升空,达到61千米高空时,第一级火箭分离,第二级火箭工作。在达到185千米高度时,第二级火箭分离,第三级火箭工作约两分钟,将飞船送入绕地球飞行的轨道。在到达发射场上空前,第三级火箭再次点火工作约5分钟,将飞船推出绕地球飞行的轨道,飞向月球。

 

 

  进入奔月轨道后,第三级火箭上保护登月舱的外罩分成4瓣分离。然后飞船的指挥舱与服务舱一起与登月舱暂时分离,并调转180度,让服务舱在前,指挥舱与登月舱对接。最后,登月舱与第三级火箭脱离连接。整个飞船以服务舱-指挥舱-登月舱的次序飞向月球。

 

  返回时,登月舱上半段与指挥舱对接,两名登月航天员进入指挥舱后,抛弃登月舱上半段,进入返回地球的航程。接近地球后,服务舱与指挥舱分离,指挥舱载着3名航天员再入地球大气层,最后打开降落伞,溅落在夏威夷附近的太平洋上。

  从1969年7月到1972年12月,除“阿波罗13”号登月失败外,先后有6艘“阿波罗”飞船送12人登上月球。主要情况如下:

飞船序号 指令长和
登月航天员
发射返回
日期
着陆
地点
月面停
留时间
(小时:分)
月面活
动时间
(小时:分)
带回月球标本(千克) 最远活动距离(千米) 主要探测活动
和项目
11 M·科林斯
N·阿姆斯特朗
E·奥尔德林
1969.7.16-24 静海 21:18 2:21 23 0.09 在月面设置自动月震仪、激光反射器、太阳风测试仪。
12 L·戈登
C·康拉德
A·比恩
1969.11.14-24 风暴海 31:0 7:53 59 0.9 安置一座核动力科学实验站,进行与上次相同的实验。此外还测量了月球磁场、大气等。
14 S·罗塞
A·谢泼德
E·米切尔
1971.1.31-2.9 弗拉·摩洛地区 33:30 8:54 50 3.6 使用手推车上的仪器,测量月球磁场变化;安置核动力科学实验站,继续前2次的实验内容。
15 A·沃登
D·斯科特 J·欧文
1971.7.26-8.7 亚平宁山哈德利峡谷 66:55 18:37 77 1.2 安置核动力科学实验站,乘月球车进行月面探测。
16 T·马丁利
J·杨
C·杜克
1972.4.16-27 笛卡尔高地 71:03 20:16 111 17.3 安置核动力科学实验站,增加宇宙探测仪和紫外线摄像光谱仪;乘月球车考察月面。
17 R·伊万斯
E·塞尔南
H·施米特
1972.12.6-19 陶拉斯·利特罗山脉 74:59 22:05 152 19.9 安置核动力科学实验站,增设10项新内容;乘月球车考察月面。

“礼炮1-5”号航天站

 

航天站又叫太空站、轨道站,有的也叫空间站。它是一次性使用的载人飞船的发展,可以长期在太空轨道上运行,反复接待人员进行太空科学实验、天地观测和观光旅游。

  1971年4月19日,苏联发射“礼炮1”号航天站,开始实施“礼炮”号计划,目的是试验和探索建立近地轨道航天站的技术途径,为未来建设大型航天站准备条件。

  “礼炮1”号航天站是“礼炮”型航天站的原型,由过渡舱(又称对接舱)、工作舱(又称轨道舱)和服务舱组成。

  过渡舱长2.94米,直径约1.85米,为密封舱,除用于对接“联盟”型飞船和供航天员出入外,还可进行科学观测和实验,也备有睡袋,可供航天员休息。此外还安装有导航仪器等设备。

  工作舱由大小两个圆柱体组成,为密封舱,总长12.1米。与过渡舱连接的前段,直径2.94米,装有科学实验设备、观测装置、通讯设备和仪表板;与服务舱连接的后段,直径4.1米,装有食物冰箱、体育锻炼器材、睡袋和废物抛弃气闸等。

  服务舱不密封,装有轨道控制和姿态控制发动机及燃料容器,它们用于航天站周期性的轨道和姿态调整,以及与载人飞船对接前的轨道机动和会合。

  1971年4月和6月,“联盟”10号和11号飞船先后与“礼炮1”号航天站对接,前者因飞船闸门失灵,3名航天员未能进入站内,后者的3名航天员进站工作22天。

  1973年4月3日发射“礼炮2”号航天站,入轨后发生故障,为此切断电源,但又因此失去控制,20多天后解体。

  1974年6月25日发射“礼炮3”号航天站,这年7月,“联盟14”号飞船与其对接,两名航天员进站工作5天。8月,“联盟15”号载人飞船与其对接失败。

  1974年12月26日和1976年6月22日,分别发射“礼炮”4和5号航天站。共有“联盟”17、18、21和24号4艘载人飞船与它们对接,8名航天员进站工作约180天;“联盟”22和23号载人飞船则对接失败;“联盟20”号无人飞船为“礼炮4”号航天站运送了燃料。

  “礼炮1-5”号基本完成了航天站的试验任务。

“天空实验室”

 

  在初期航天竞争中失利以后,美国人不仅搞抢先载人登月的“阿波罗”计划,“把苏联人摔倒在月球上”,而且要一鼓作气,逐渐甩掉一次性使用的火箭和一次性使用的载人飞船,而建设永久性航天站和为它配套的天地往返运输系统——航天飞机,要远远地将苏联人抛在后面,为此拟订了“天空实验室计划”。

  1973年5月15日用两级的“土星5”号火箭发射了试验性航天站的主体,由轨道工场、多用途对接舱、气闸舱、仪器舱和“阿波罗”望远镜等组成。

  或者是好事多磨,或者是欲速则不达,轨道工场在发射过程中,它的铝制流星防护层被撕裂。三块太阳能电池帆板中,一块脱落,一块被撕裂的铝条缠住没有展开。这使供电量减少一半,电力严重不足。同时,因太阳能电池帆板除供电外,还起遮阳的作用,由于上述情况,“土星工场”处在太阳暴晒之中,场内温度平均达41℃。

  这时,还谈不上有航天飞机前去与“土星工场”对接,代用的是登月剩下的“阿波罗”飞船。在这里,登月舱是派不上用场的,于是便用“阿波罗”计划中研制的“土星1B”火箭,于1973年5月25日发射“阿波罗”飞船的指挥舱和服务舱,将C·康拉德、J·克尔温和P·韦茨三名航天员送上“土星工场”进行抢修。他们首先树起一把遮阳伞,接着展开那块被缠住的太阳能电池帆板,然后进行天地观测,拍摄太阳照片30000多张、地球照片近9000张,记录资料磁带14000米,在太空生活28天。

航天员在天空实验室进食  这年7月28日,第二批3名航天员进入“土星工场”,他们更换了遮阳伞,拍摄太阳照片77000多张、地球照片14000多张,记录资料磁带42000米,在太空生活59天。

  这年11月16日,第三批3名航天员进入“土星工场”,他们的重点任务是对地面进行战略侦察,拍摄地面照片20000张,记录资料磁带45000米,也对太阳和康浩特彗星进行了观测,拍摄照片75000张,在太空生活84天。

  由“土星工场”和“阿波罗”飞船指挥舱、服务舱组成的“天空实验室”,全长36米,重约91吨,工作容积327立方米。

  由于“阿波罗”飞船所剩无几,此后“土星工场”在无人状态下飞行,而原计划与它配套的航天飞机,在它于1979年7月11日坠毁时仍无法问世。

“美苏对接”轶事

 

  人们高度关注载人航天的安全问题,航天科技工作者为此倾注了全部力量,但事故总是难免的。随着载人航天事业的发展,事故救援越来越显得迫切需要。

  航天活动的范围是远远超出国界的,航天事故的救援,更需要全球的支援。

  在“冷战”时期,美国和苏联在政治上严重对立,在航天事业上也展开激烈的竞争,但在航天事故救援上却找到了共同利益。

  1972年5月24日,美国总统尼克松与苏联部长会议主席柯西金签订协议,商定3年后美苏各3名航天员乘各自的飞船,与“礼炮”型航天站对接,一起飞行56小时,两国航天员共同工作,探索在未来太空事故中拯救航天员的某种能力。

  美苏对这次轨道对接和联合飞行都非常重视,它们相互提供了对接装置的图纸资料,在1973年初就各自确定了参加联合飞行的航天员,苏联还于1974年12月2日发射了“联盟16”号载人飞船,为美苏飞船的轨道对接作准备飞行,美国航天员为两国航天员的太空会合而苦学俄语。

  1975年7月15日,苏联从拜科努尔发射场用“联盟”型火箭发射了“联盟19”号飞船,7个半小时后,美国从肯尼迪航天中心用“土星1B”火箭发射了“阿波罗”飞船的指挥舱和服务舱,追赶“联盟19”号飞船,两天后,两艘飞船在太平洋上空会合并对接。

  对接舱门开启后,苏联航天员阿·列昂诺夫与美国航天员汤姆·斯塔福德首先热情握手,互致问候,然后,苏联航天员瓦·库巴索夫与美国航天员狄克·斯莱登、万斯·布兰德都进行了互访。在16小时47分钟的联合飞行中,两国5名航天员联合进行了科学实验,如冶炼铝钨合金等。在两艘飞船脱离对接前,两国航天员交换了针叶松和加拿大枞树种子作为纪念。

  “联盟19”号飞船于7月21日在哈萨克斯坦境内着陆,“阿波罗”飞船则于7月24日溅落在太平洋上。

  人们将“冷战”中的这次太空握手简称作“美苏对接”,不失为一件美谈。

“礼炮6、7”号航天站

 

“礼炮”6号空间站“礼炮6”号和“礼炮7”号航天站,是苏联的第二代航天站,最显著的进步是,增加了一个对接口,它们分别设在航天站的两端,这样,可以同时接待两艘飞船的来访。同时,航天站的技术已趋向成熟,寿命延长,接待飞船的数目大幅增加,对接失败的次数则明显减少。

  “礼炮5”号航天站是1977年8月停止使用的,1977年9月24日即发射了“礼炮6”号航天站,而美国的“天空实验室”试验性航天站已停止使用了3年半多而没有后继者。

  “礼炮6”号航天站到1982年7月停止使用为止,先后接待“联盟26-32、35-40”、“联盟T2-4”共16艘载人飞船,33人次航天员进站工作,共载人飞行676天,完成各项科学实验1600多项。还在舱外安装了“合金”和“晶体”号两套金属冶炼设备。前者设有高温(1000-1100℃)和低温(600-700℃)两个冶炼区,后者可用气相升华、化学气体传输、高温运动熔解和加热结晶等4种方法加工材料。

“礼炮”5号空间站上的航天员  从1978年1月起,先后有12艘“进步”型货运飞船和“联盟34”、“宇宙1267”无人飞船为“礼炮6”号航天站运送了大量补给品。

  在“礼炮6”号航天站上,航天员个人创造了在太空连续飞行139、175和184天的纪录。

  只有“联盟25、33”号载人飞船的对接失败。

“礼炮”7号空间站  “礼炮7”号是1982年4月19日发射的,到1991年2月停止使用时,先后接待了“联盟T5-7、9-15”号共10艘载人飞船,26人次航天员进展工作。创造个人连续太空飞行211、237天的纪录。仅列·基齐姆、奥·阿季科夫和弗·索洛维耶夫在237天的飞行中,就完成约500次实验。斯·萨维茨卡娅还走出座舱,成为在太空行走的第一名女航天员。

  “进步13-24”货运飞船和“宇宙1443、1669、1686”无人飞船为“礼炮7”号航天站运送了补给品。

  只有“联盟T8”号载人飞船对接失败。

  在“礼炮6、7”号上,航天员拍摄地球照片的地球面积达15亿平方千米,这是100架飞机40年航拍的工作量。

航天飞机的诞生

 

  一枚航天运载火箭发射一艘航天飞船,都是一次性使用,很不经济。让它们重复使用,是必然的逻辑发展。

在早期设计中航天飞机非常魁梧,比B-52飞机还大  美国在顺利执行“阿波罗”载人登月计划的鼓舞下,也满腔热情地投入可重复使用的航天运输系统的研制,做为航天站的往返运输系统,并以此取名为“Space Shuttle”,即“太空穿梭机”。我国著名科学家钱学森根据“航天”的定义,并联系到航空,将其转译为“航天飞机”,非常贴切。

  航天飞机的设想是美好的,但实施起来却是非常困难。美国人设想了许多方案,都难以达到预想的完美程度。

  要从地面起飞,最好是像飞机那样充分利用空气动力,这样就要有机翼,就要水平起飞。所以最早设想的一种方案,像是一架笨重的飞机,比B-52巨型轰炸机还大。因为它必须有足够的推进剂,使其加速到宇宙速度,巨大的燃料就把它的身体撑起来了。让这样的庞然大物飞起来,并进入太空轨道,技术难度可见。

1971年,洛克威尔公司设计的可完全重复使用的三角翼型航天飞机,也由两级组成  后来推出一种方案,将一架庞大的飞机分成两架,让大的驮载小的。大飞机在地球大气层中飞行,它可以只带燃料,而利用空气中的氧气燃烧,这样它就可以大大瘦身了。在达到一定速度后,小飞机启动火箭发动机进入轨道,所以被称为“轨道器”。不过,这种轨道器的运载能力有限。

  1971年,洛克威尔公司推出一种新的两级方案,将轨道器加长加大了。这种方案实施起来技术难度很大,成本也很高。

  1972年,格鲁曼公司提出一种新方案,放弃了全部重复使用的想法,将质量最大的、起飞时使用的推进剂装在一个外挂燃料箱中,用完后扔掉。同时,再设两枚固体火箭帮助起飞,完成任务后分离。当然,这样一来就必须垂直发射了。这个方案成本较低,经完善后就是现在的航天飞机。

  虽然是部分重复使用,但研制起来技术难度仍然很大。“天空实验室”航天站在1979年7月坠毁时,也没有等到航天飞机到来。直到1981年4月12日,航天飞机才第一次轨道试飞成功。

 

美国航天飞机的组成和结构

 

  美国航天飞机是追求航天运载工具重复使用的产物,因而它是一种特殊的航天运载工具。由于它的轨道器在轨道上运行,因而可以执行航天器的任务,如对天地进行观测等。同时,由于轨道器上设有密封座舱和生命保障设备,因而又具有载人航天器的功能。

  美国航天飞机由轨道飞行器、外挂燃料箱和固体火箭助推器三大部分组成。

  轨道飞行器。简称轨道器,它是美国航天飞机最具代表性的部分,长37.24米,高17.27米,翼展29.79米。

  它的前段是航天员座舱,分上、中、下3层。上层为主舱,有飞行控制室、卧室、洗浴室、厨房、健身房兼贮物室,可容纳8人;中层为中舱,也是供航天员工作和休息的地方;下层为底舱,是设置冷气管道、风扇、水泵、油泵和存放废弃物等的地方。

  它的中段为货舱,是放置人造地球卫星、探测器和大型实验设备的地方,长18.3米,直径4.6米,可装载24吨物品进入太空,可载19.5吨物资从太空返回地面。货舱的上部可以像蚌壳一样张开。与货舱相连的还有加拿大制造的遥控机械臂,用于施放、回收人造地球卫星和探测器等航天器。在货舱中也可用上面级火箭将航天器发射到更高的轨道。在货舱中还可对回收的航天器进行修理。

  它的后段有垂直尾翼、三台主发动机和两台轨道机动发动机。主发动机在起飞时工作,它使用外挂燃料箱中的推进剂。每台可产生1668千牛的推力。

  在轨道器中段和后段外两侧是机翼。

  在轨道器的头部和机翼前缘,贴有约2万块防热瓦,保护轨道器在回返时不被气动加热产生的600-1500℃的高温所烧毁。

  在轨道器的头锥部和尾部内,还有用于轻微轨道调整的小发动机,共44台。

  外挂燃料箱。简称外贮箱,长46.2米,直径8.25米,能装700多吨液氢液氧推进剂,它与轨道器相连。

  固体火箭助推器。共两枚,连接在外贮箱两侧上,长45米,直径约3.6米,每枚可产生15682千牛的推力,承担航天飞机起飞时80%的推力。


美国航天飞机飞行

 

  美国航天飞机从肯尼迪航天中心39号发射台发射。两台固体火箭助推器首先点火,12秒钟后轨道器上3台主发动机点火,航天飞机升空。两分11秒后,固体火箭助推器的推进剂耗尽,与外贮箱的连接解锁,然后分离,张开除落伞,溅落在离发射场约556千米的大西洋洋面上,回收后经修理,供再次使用。设计寿命可重复使用20次。
发射 固体火箭助推器分离

  3台主发动机工作8分18秒钟后,外贮箱的推进剂耗尽,发动机关机。外贮箱与轨道器的连接解锁,随即分离,约在起飞后1小时,落入稠密大气层中解体并燃烧,未燃尽的碎片落入大西洋中。起飞后约10分钟,两名轨道机动发动机点火,将轨道器送入离地面约280千米高的轨道。这时,货舱盖是朝向地球的。

抛弃外挂燃料箱

入轨

  轨道器滚转180度,打开货舱盖,货舱口朝上。这时,便可用遥控机械臂将货舱中携带的人造地球卫星、探测器或大型航天器的组件施放出去或组装起来;也可起动与航天器相连的上面级火箭,将航天器发射到更高的轨道上去。这一些都是航天飞机在行使航天运载工具的功能。

在轨道上作业

脱离轨道

返回

航天飞机轨道器在轨道上执行载人和不载人航天器的功能包括:进行天文观测、太空科学实验和试验、太空医药和工业产品生产、地面军事侦察、地球资源探测和大地测量等;与航天站对接,为航天站运送人员和补给品,或将航天站上的产品和人员接回地面;回收和修理航天器,或回收后带回地面修理。

  完成任务后,关上货舱门,启动轨道机动发动机,进入返回轨道,进入稠密大气层后滑翔着陆。轨道器最长可在太空飞行30天。设计寿命可重复使用100次。

  1981年4月12日首先进行轨道试飞的是“哥伦比亚”号,3次试飞后投入使用。后陆续有“挑战者”号、“发现”号、“阿特兰蒂”号和“奋进”号航天飞机投入使用。其中“挑战者”和“哥伦比亚”号分别于1986年1月28日和2003年2月1日因事故被毁,迄今美国航天飞机飞行逾百次,成绩与问题同样十分引人注目。

“暴风雪”号航天飞机

 

苏联曾暗地里与美国搞载人登月竞争,只是发射登月飞船的“N-1”巨型火箭,在1969年2月第一次试射时,起飞后54秒爆炸。7月3日第2次试射又爆炸,这就将抢先载人登月爆成了泡影。1971年和1972年又各进行一次发射,均告失败。登月计划也悄然取消了。此后集中力量搞航天站,用一次性火箭发射一次性使用的载人飞船与航天站配套,逐渐取得成功。

  但是,苏联并没有排斥发展可重复使用的运载工具,一种叫做“暴风雪”号航天飞机的往返运输系统,也在不紧不慢地进行着研制。1988年11月15日,成功地进行了第一次无人驾驶轨道试飞。“暴风雪”号航天飞机由轨道器和运载火箭组成。

  轨道器的外形与美国航天飞机轨道器相似,长30米,高16米,翼展24米,机身直径5.6米,货舱直径4.7米,长18.3米。但轨道器上没有起飞时使用的主发动机,因而有更大的密封座舱容积和有效载荷量,可容纳10名航天员,可将30吨货物从地面带到太空,将20吨货物从太空带回地面,最长可在太空飞行30天,返回时可机动飞行,有更大的着陆时间和空间选择。设计寿命可重复使用100次。

  运载“暴风雪”号航天飞机轨道器的是“能源”号火箭。这种火箭是在“N-1”火箭的基础上研制的,是迄今已使用过的火箭中最大的火箭。它由芯级加液体助推器组成,根据不同大小的载荷使用不同数量(4-8枚)的助推器,最大有效载荷可达270吨。发射“暴风雪”号航天飞机轨道器时使用4枚助推器。与其它火箭发射航天器时的情形不同,“暴风雪”号航天飞机不在火箭的顶端,而是驮载在火箭的侧身上。在这里,“能源”火箭大致相当于美国航天飞机的外贮箱和固体火箭助推器。由于苏联经由社会动荡到解体,“暴风雪”号航天飞机终未投入使用。由于经费难继等原因,继承者俄罗斯取消了“暴风雪”号航天飞机计划。“暴风雪”号航天飞机没有能够成为一种往返运输系统,苏联第三代航天站也没有等到自己的航天飞机到来。

“和平”号航天站

 

 

 

 1986年2月20日,当“礼炮7”号还在轨道上正常运行时,苏联发射了它的第三代航天站——“和平”号航天站的主体,重21吨,长13.13米,最大直径4.2米,带有6个对接口。以后陆续对接了“量子1”、“量子2”、“结晶”、“光谱”和“自然”号等5个专业舱。使“和平”号天航天站的质量,在对接一艘载人飞船、一艘货运飞船时,达到137吨,全长32.9米,体积达400立方米,成为最大的轨道航天器,形体非常壮观。

  苏联解体后,维持“和平”号航天站的经费十分困难,俄罗斯尝试包括拉赞助在内的种种办法筹集经费,但成效不大,原因很多。其中美国人不愿意看到这样一个航天站在轨道上继续运行,特别是在由美国主导的国际航天站开始组装以后更是这样。俄罗斯无奈忍痛让“和平”号航天站于2001年3月23日在太平洋上空解体坠毁。

  “和平”号航天站的设计寿命为5年,它实际上运行15年多。共有35艘“联盟T”和“联盟TM”型载人飞船,62艘“进步”和“进步M”型货运飞船,9架次美国航天飞机与它对接,134人次进站工作,共完成23次考察,近17000次科学实验,传回的无线电信息达100多万张计算机软盘,从“和平”号共运回4.7吨试验物体;在“和平”号上的0.09平方米的温室里,共培植出100多种植物;从“和平”号上共发现地球上的10个稀有金属矿区、117个油脉;从“和平”号上探测到宇宙中的超新星爆发,并窥视到它的内核。

  航天员尤·罗曼年科、穆·马纳罗夫和弗·季托夫、瓦·波利亚科夫先后在“和平”号上创造连续飞行326、366和439天的记录。俄罗斯女航天员叶·康达科娃、美国女航天员香农·露西德则先后创造169和188天的连续飞行记录。

  航天员在“和平”号出舱活动78次,在太空行走的时间达359小时12分钟。其中阿·索洛维约夫5上“和平”号,舱外行走16次,合计时间77小时。谢·阿夫杰耶夫3上“和平”号,累计飞行时间737天。

  “和平”号绕地球飞行8万多圈,航程35亿千米。

太空货车和公共汽车

 

目前只有一种专门运输货物的航天飞船,那就是苏联/俄罗斯的“进步”型和“进步M”型货运飞船。

 

  “进步”型货运飞船是由“联盟”型载人飞船改装而成,飞船长8米,直径2.2米,1978年1月发射第1艘,到1989年2月共发射40艘,为“礼炮6”、“礼炮7”和“和平”号航天站运送补给品。它不回收。

  “进步M”型货运飞船是在“进步”型的基础上改进的,移植了“联盟TM”型载人飞船的轨道交会和对接系统,增加了回收舱,可将在太空中生产加工的材料和摄影胶片带回地面。1989年8月发射第1艘,到“和平”号航天站坠毁前,共发射46艘,为“和平”号航天站运送了大量的食品、燃料和仪器设备等补给品,也带回了大量物品。

“联盟T15”飞船  在1986年2月到1991年2月期间,苏联/俄罗斯在太空拥有“礼炮7”和“和平”号两座航天站。1986年3月13日,苏联发射了“联盟T15”号载人飞船,航天员是列·基齐姆和弗·索洛维耶 夫。

  两天后,即这年的3月15日,“联盟T15”号飞船首先与入轨不久的“和平”航天站对接。两名航天员检查了飞船与航天站对接部件的密封情况后,进入“和平”号航天站。他们调试了站上的1000多件仪器设备,卸下了“进步26”号货运飞船送来的物资,为“和平”号航天站开始接待航天员前来工作做好了准备。

“联盟T15”飞船脱离“礼炮”7号空间站,正飞向“和平”号空间站对接  50天后,即这年的5月5日,“联盟T15”飞船与“和平”号航天站—“进步26”号货运飞船联合体脱离对接,然后驶向“礼炮7”号航天站,行程3000多千米,于5月6日与“礼炮7”航天站—“宇宙1686”号无人飞船联合体对接。两名航天员进入这个联合体工作,进行了多项科学考察和实验活动,多次出舱行走,组装大型构件。

  52天后的6月27日,“联盟T15”飞船脱离“礼炮7”号航天站,并再次与“和平”号航天站对接。两名航天员进站工作到7月16日,然后离开“和平”号航天站返回地面。

  人们将在两座航天站之间来回飞行的“联盟T15”号飞船称为“太空第一辆公共汽车”。

国际航天站的来龙去脉

 

国际航天站有着非常复杂的来历。

国际空间站最初的双龙骨结构方案  美国抢先将人送上月球后,把建造永久性航天站作为在航天技术上继续压倒苏联的竞争目标,但它发射的“天空实验室”因航天飞机计划没有跟上而昙花一现。苏联的航天站技术却日臻完善。1981年航天飞机试飞成功后,美国航宇局便在酝酿宏伟的航天站计划,提出了“大型载人航天操作中心”、“大型轨道结构”等许多构想,1983年还成立了一个60人的特别工作委员会,研究航天站的用途。

国际空间站上的首批居民在国际空间站上摄像  1984年1月25日,美国总统里根批准建造永久性航天站的计划,要求在10年内建成,取名“自由”号。

  1985年10月,航宇局确定航天站的双骨龙电力塔式方案,长和宽分别达110米和151米,可长期载8-12人工作,它既是科学实验、卫星修复、天文观测、新材料制造基地,又是月球和火星探测的中继站。预计需投资200多亿美元。大概是因费用庞大,美国邀请日本、加拿大和西欧盟国参加,但盟国却心存疑惑。计划难以进展,问题出在不切实际上。国际空间站的单龙骨结构方案

  “冷战”中的浮夸好大思想,使“自由”号航天站计划不自由。迫不得已,里根总统于1987年4月宣布缩小规模,推迟到1994年建成。1988年1月与盟国达成协议,改为“单龙骨”结构,1996年建成。但实际进度到时只能完成第一阶段的工程。而且核算表明,到完成2/3工程时,维护工作量就已超过所能负担的极限。不得已再次缩小规模,推迟到1997年建成。

长出“大翅膀”后的国际空间站  苏联解体、“冷战”结束,人们的思想变得实际一些了,于是再次缩小规模,只长期载4人工作,2000年首次发射部件。但仍遭到物理学会等科学家团体的反对,认为没有必需搞航天站。由于失去“冷战”的动力,众议院拨款小组的政治家们更在1991年5月拒绝拨款,建议取消计划。这引起盟国的担心和不满。同年6月,经激烈辩论,众议院决定在92财年拨款19亿美元。这简直是杯水车薪,因为这时估算,完成整个计划需要近1200亿美元。1992年10月,布什总统批准拨款21亿,并强调建造航天站是实现航宇目标“一个不可少的步骤”。国际空间站

  1993年3月,克林顿总统要求重新设计方案,并确定其性质是“单纯的太空科学实验室”。

  由于俄罗斯无钱建造新的航天站,美国则想借助俄罗斯的载人航天技术,两个前“冷战”对手于1993年9月签订协议,在各自现有航天站基础上,建立包括欧洲航天局、日本和加拿大部件的“阿尔法国际航天站”,后定名为“国际航天站”。

国际航天站的组成和建设

 

国际空间站的“曙光”号多功能货舱、“团结”号节点舱和“星辰”号服务舱

  1994年4月,各参与国审定国际航天站的组成、分工和建设进程。

  美国:一个居住舱、一个实验舱、两个能源节点舱、太阳能电池帆板等。

  俄罗斯:多功能货舱、三个实验舱、一个服务舱、乘员转移飞行器(改进的“联盟TM”型飞船)、“进步”型货运飞船、太阳能电池帆板等。

  欧洲航天局:哥伦布轨道设施、小型太空拖船ATV和救生飞行器CTV。

  日本:一个实验舱。

  加拿大:一套大型移动服务系统。

  计划分三个阶段实施:

  1994-1997年为第一阶段,主要是通过美国航天飞机与俄罗斯“和平”号航天站的对接和飞行,熟练技术、积累经验。

  1997-1998年8月为第二阶段,先由俄罗斯用“质子”火箭依次发射多功能货舱、两个能源节点舱和俄罗斯服务舱,然后由美国航天飞机运送美国实验舱,再由俄罗斯发射两艘“联盟TM”型飞船。由这些部件组成一个过渡性航天站,达到有人照料的能力。

  1998年8月-2002年6月,一个长87米,宽110米,重377吨,总容积1202立方米的国际航天站全部建成,它在离地面397千米高的轨道上绕地球运行,具有110千瓦电源、装载有33个国际标准载机柜,能容6名航天员长期工作。

  全部组装工作需要俄罗斯火箭发射48次,美国航天飞机飞行30次。

  实际情况变化很大,进度已大大迟后。1998年11月20日俄罗斯发射“曙光”号多功能货舱,同年12月4日美国将“团结”号节点舱送入轨道。2000年7月12日,俄罗斯发射“星辰”号服务舱。至此国航天站具备了基本的载人功能。这年10月31日,俄罗斯的“联盟TM31”号飞船载两名俄航天员1名美航天员首次进站工作。12月1日美“奋进”号航天员首次与航天站对接,5人进站安装了太阳能电池帆板。2001年2月7日和7月14日,航天飞机又分别送去“命运”号美国实验舱和闸门式隔离舱、“探索”号联合气闸舱。

  计划建成的时间已过,实际建成的时间要在2005年以后。