中國神舟12號飛船成功升空，60年來載人飛船方興未艾
撰文 | 龐之浩（中國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）
剛剛神舟12號載人航天飛船成功升空，三名航天員聶海勝、劉伯明和湯洪波未來3個月將在由我國自主建設(shè)的空間站“天和”核心艙生活、工作。
三名航天員聶海勝、劉伯明和湯洪波
截止2021年6月底，我國已經(jīng)發(fā)射了12艘“神舟”飛船，成功率是100%。其中有7艘是載人飛船，把14名航天員、17人次送上了太空，使“神舟”載人飛船不斷成熟。
1999年11月20日，長征2號F火箭發(fā)射了我國第1艘無人試驗(yàn)飛船神舟1號，考核了載人航天工程總體設(shè)計(jì)方案的可行性和關(guān)鍵技術(shù)的可靠性。它是以初樣電性船為基礎(chǔ)的產(chǎn)品，只有9個主要分系統(tǒng)參加了飛行試驗(yàn)，結(jié)果表明我國基本掌握了飛船艙段分離、調(diào)姿和制動、防熱和著陸回收等關(guān)鍵技術(shù)。
2001年1月10日發(fā)射的神舟2號是我國第1艘正樣飛船，飛船上的13個分系統(tǒng)均參加了飛行。首次進(jìn)行了軌道艙留軌實(shí)驗(yàn)，首次裝載了太空“模擬人”。
2003年10月15日發(fā)射的神舟5號是我國首艘載人飛船，使楊利偉成為中國太空第一人，中國成為世界上第三個能夠獨(dú)立開展載人航天活動的國家。對航天員座椅的安全性和舒適性作了進(jìn)一步改進(jìn)和完善，改用了脹環(huán)式座椅緩沖器。
2005年10月12日發(fā)射的神舟6號首次完成“2人5天”飛行；航天員首次打開了返回艙艙門進(jìn)入軌道艙；航天員首次脫下了航天服進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)；首次全面啟動了環(huán)控生保系統(tǒng)，如食品柜、電加熱器、睡袋和太空馬桶。
中國神舟7號航天員翟志剛身穿“飛天”艙外航天服在艙外揮舞國旗
2008年9月25日發(fā)射的神舟7號實(shí)現(xiàn)了四大突破：首次航天員進(jìn)行了空間出艙活動；首次滿載了 3人；首次釋放了伴飛小衛(wèi)星；首次試驗(yàn)中繼衛(wèi)星鏈路。其亮點(diǎn)有二：軌道艙兼有氣閘艙功能，穿國產(chǎn)“飛天”艙外航天服出艙。
2011年11月發(fā)射的神舟8號是無人飛船，它與天宮1號首次實(shí)現(xiàn)了我國空間自動交會對接。從神舟8號起，我國“神舟”飛船基本定型。
2012年6月16日發(fā)射的神舟9號飛船實(shí)現(xiàn)多個第一，例如：首次實(shí)現(xiàn)了手控交會對接；首次驗(yàn)證了組合體載人環(huán)境支持技術(shù)；首次有女航天員登天。
2013年6月11日發(fā)射的神舟10號和以前飛船最大區(qū)別是，首次實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用性飛行和繞飛。航天員王亞平成為世界第2個太空女教師。
2016年10月17日發(fā)射的神舟11號只送景海鵬和陳冬登天，目的是讓他們在天宮2號里面進(jìn)行30天的中期駐留試驗(yàn)。
在神舟11號前組字
另外，在2020年5月5日，我國新一代載人飛船試驗(yàn)船升空，5月8日返回。它采用兩艙式構(gòu)型，由返回艙與服務(wù)艙組成。返回艙采用流暢的倒錐型鈍頭體氣動外形，每次可以運(yùn)送4～7人，可重復(fù)使用多次；全長約9米，最大直徑4.5米，最大發(fā)射重量23噸；既可以在近地軌道飛行，也能完成載人月球探測等載人深空探測任務(wù)。
除了繼承了“神舟”的可靠、安全等優(yōu)點(diǎn)外，在舒適性、經(jīng)濟(jì)性以及智能化程度等方面有了大幅提升；返回時采用了由2具減速傘和3具主傘組成“群傘減速”回收方案，返回艙落地前使用6個充氣氣囊?guī)椭擉w平穩(wěn)“軟著陸”，最大程度地保證了返回艙的安全、完整回收。試驗(yàn)船飛行任務(wù)的圓滿成功，標(biāo)志著我國新一代載人飛船已具備雛形。
中國新一代載人飛船試驗(yàn)船
至今全球已研制出三種載人航天器。它們可分為兩類，宇宙飛船和航天飛機(jī)屬于一類，它們很靈活、能往返，但壽命短、體積小，主要用作載人天地往返運(yùn)輸工具，為空間站接送航天員和貨物；空間站屬于另一類，功能正好相反，具有體積大、功能強(qiáng)和壽命長的優(yōu)點(diǎn)，但不能天地往返。所以，空間站用于長時間載人航天，開展科研、生產(chǎn)和在軌服務(wù)等。因此，在研制、發(fā)射空間站之前，必須先研制載人飛船或航天飛機(jī)等載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)。
宇宙飛船是一種技術(shù)簡單、費(fèi)用便宜、飛行時間短和乘載人員少的垂直著陸無翼航天器，現(xiàn)有衛(wèi)星式和登月式載人飛船兩種，并分1艙、2艙和3艙式構(gòu)型。其中衛(wèi)星式載人飛船是指這種飛船像衛(wèi)星一樣繞地飛行，但與人造地球衛(wèi)星的主要區(qū)別是增加了環(huán)境控制與生命保障等與載人有關(guān)的一些特設(shè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)密封性能好，活動空間大，能返回地面，因而可以載人航天。未來還將研制星際式載人飛船，如載人火星飛船。
航天飛機(jī)是一種用途廣、載重大、乘員多、較舒適的水平著陸有翼航天器，但成本高、較危險(xiǎn)，所以美國在發(fā)射了135架次航天飛機(jī)后就讓它提前退役了，轉(zhuǎn)而重新研制新型載人飛船。目前，世界載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)只有載人飛船。
1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員加加林乘坐世界第一艘載人飛船東方1號上天，成為世界太空第一人。接著，在又發(fā)射5艘“東方”飛船后，蘇聯(lián)發(fā)展了第二代載人飛船——“上升”，用于突破3人飛行和太空行走，但只發(fā)射了2艘。
此后，蘇俄發(fā)展了首個采用3艙式構(gòu)型的“聯(lián)盟”系列飛船，并多次改型，發(fā)射了上百艘，主要用于為空間站提供人員的天地往返運(yùn)輸。目前，這種第三代載人飛船至今仍活躍在世界載人航天的第一線。
美國早期曾先后發(fā)展了1艙式“水星”、2艙式“雙子星座”兩代載人飛船，用于掌握載人航天的基本技術(shù)，以及太空行走和空間交會對接等關(guān)鍵技術(shù)，為載人登月做準(zhǔn)備。
1969年7月20日，美國3名航天員乘坐采用3艙式構(gòu)型的阿波羅11號載人飛船完成了世界首次載人登月任務(wù)，這是美國第三代載人飛船，也是世界第一種登月式載人飛船。
美國“阿波羅”載人登月飛船
中國在2003年10月15日成功發(fā)射了第一艘載人飛船神舟5號，使航天員楊利偉成為中國太空第一人，并使中國成為世界第三個獨(dú)立發(fā)展載人航天器的國家。神舟5號采用3艙式構(gòu)型，一步就達(dá)到世界第三代載人飛船的水平。
載人飛船用途十分廣泛。例如，可用于突破和掌握載人航天基本技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)；為空間站接送航天員和物資；作為空間站救生艇；進(jìn)行太空旅游等。為此，包括印度、日本和歐洲航天局也都準(zhǔn)備發(fā)展載人飛船。
目前，美國、中國和俄羅斯還正在或已經(jīng)研制出世界第四代載人飛船，它具有載人多、用途廣和可重復(fù)使用等特點(diǎn)。
世界第一艘載人飛船是蘇聯(lián)研制的發(fā)射的。世界太空第一人加加林就是于1961年4月12日乘東方1號載人飛船上天遨游了108分鐘，開創(chuàng)了載人航天的新紀(jì)元。至今，蘇聯(lián)已研制和發(fā)射了三代運(yùn)行在地球軌道衛(wèi)星式載人飛船。
蘇聯(lián)第一代載人飛船叫“東方”。它采用2艙式構(gòu)型，由返回艙和推進(jìn)艙組成，最長飛行時間為5天。從1961年4月到1963年6月，一共發(fā)射了6艘。不過，那時航天員采用跳傘方式落地。該飛船球形返回艙能乘坐1名航天員。艙內(nèi)有可供飛行10晝夜的生命保障系統(tǒng)、彈射座椅和無線電、光學(xué)、導(dǎo)航等儀器設(shè)備。其推進(jìn)艙位于座艙后面，艙內(nèi)裝有化學(xué)電池、返回反推火箭和其他輔助設(shè)備。
蘇聯(lián)第二代載人飛船叫“上升”。它是在“東方”基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，即把笨重的彈射座椅改為3把普通的座椅，以便乘坐3人。其中1964年10月12日，上升1號飛船首次乘載包括科學(xué)家在內(nèi)的3名不穿航天服的航天員繞地飛行。1965年3月18日發(fā)射的上升2號飛船使列昂諾夫成為世界太空行走第1人，為此，在上升2號的返回艙外增設(shè)了氣閘艙，供航天員空間出艙使用?！吧仙憋w船還增加了著陸緩沖用的制動火箭，而返回艙可以軟棗路，航天員不用以跳傘方式落地。
裝有氣閘艙的蘇聯(lián)上升-2載人飛船
蘇俄第三代載人飛船叫“聯(lián)盟”。它于1967年開始使用，采用3艙式構(gòu)型，即在返回艙前增加了1個軌道艙和交會對接機(jī)構(gòu)，因此它不僅使航天員的生活和工作空間擴(kuò)大了，還能與空間站對接，為空間站接送航天員和物資。與前2代飛船相比，“聯(lián)盟”內(nèi)部可居住容積增大了1倍，返回地面時的最大過載也由8～9g減少到3～4g，這使航天員舒服多了。
該飛船多次改型，包括聯(lián)盟T、TM、TMA、TMA-M、MG等。2016年開始使用至今的聯(lián)盟MS是在聯(lián)盟MG的基礎(chǔ)上把船載無線電指令系統(tǒng)量子-B換成了統(tǒng)一的遙測指令系統(tǒng)，極大地增加飛船無線電可見范圍；使用了新的船載無線電技術(shù)對接系統(tǒng)航向-HA，在質(zhì)量、尺寸和動力特性方面進(jìn)行了優(yōu)化；船載無線電軌道監(jiān)控系統(tǒng)換成了衛(wèi)星導(dǎo)航儀器，極大優(yōu)化了運(yùn)動控制系統(tǒng)的功能，等等。
蘇聯(lián)聯(lián)盟TMA載人飛船
目前，俄羅斯正在研制第四代載人飛船“雄鷹”。它拋棄了“聯(lián)盟”的3艙式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用全新的2艙式設(shè)計(jì)，將用于取代“聯(lián)盟”飛船執(zhí)行近地軌道任務(wù)，可在軌自主飛行近30天，也能?？吭诳臻g站上近一年，未來還用于載人登月。其內(nèi)部空間是“聯(lián)盟”的兩倍，可搭乘4名航天員和500千克貨物。
它返回著陸前，將伸出4個裝有減震器的支架，使飛船不會有強(qiáng)烈的撞擊感。該飛船著陸精度要優(yōu)于5千米，遠(yuǎn)比“聯(lián)盟”25千米的著陸精度要高，最大的特點(diǎn)就是可以多次重復(fù)使用，在地球軌道上或執(zhí)行短期地月往返飛行時可重復(fù)使用10次，在執(zhí)行長期與繞月軌道站對接任務(wù)時可重復(fù)使用不少于3次。
俄羅斯第四代載人飛船“雄鷹”
美國先后研制、發(fā)射了四代載人飛船，其中擁有世界唯一的登月式飛船“阿波羅”。
美國第一代載人飛船叫“水星”。它是目前世界上唯一的1艙式飛船，于1961年4月—1963年6月使用，能乘坐1人。美國第1次載人軌道飛行是在1962年2月20日，航天員格林乘坐水星6號載人飛船繞地球飛行了3圈。
美國“水星”載人飛船
美國第二代載人飛船叫“雙子星座”。1965年投入使用，由返回艙和推進(jìn)艙組成，可載2人，主要用途是為載人登月做準(zhǔn)備。它先后完成了軌道機(jī)動、交會對接、航天員出艙等試驗(yàn)任務(wù)。從1965年3月到1966年11月, “雙子星座”飛船共進(jìn)行了10次載人飛行。
雖然它與“水星”飛船外形相似，但其密封艙容積加大了；飛船各系統(tǒng)不再采用“堆積”方式裝在一起，而是按艙室形式安裝；增加了交會雷達(dá)……這些使飛船性能大為提高。
美國“雙子星座”載人飛船
美國第三代載人飛船叫“阿波羅”。它總高29米，重約46噸，由指令艙、服務(wù)艙和登月艙組成，可乘坐3人。其中指令艙是航天員生活和工作的地方，為圓錐形，艙內(nèi)充以34.3千帕的純氧，溫度保持在21～24°C；服務(wù)艙裝有變軌推進(jìn)劑和主發(fā)動機(jī)、燃料電池，能把飛船從月球軌道送回地面；登月艙是這種飛船獨(dú)有的，由下降級和上升級組成，用于降落到月球表面和離開月面。
美國已經(jīng)研制出或正在研制多種第四代載人飛船，它包括“獵戶座”、“載人龍”和“星際航船”等。其中政府投資研制的飛船叫“獵戶座”多用途乘員飛行器，主要用于載人深空探測；私營公司投資研制的叫“載人龍”、“星際航船”，用于近地軌道商業(yè)載人飛行，目的是省錢，采用打的模式，其中“載人龍”是世界第一種投入實(shí)用第四代載人飛船。
美國“獵戶座”載人飛船
美國“星際航船”載人飛船
美國“載人龍”于2020年投入2021年至少升空3次。它由前椎體、加壓艙和服務(wù)艙三部分組成，最多可將7人送至近地軌道。
加壓艙內(nèi)部操控臺由4塊可移動大型液晶觸摸控制屏組成，航天員可從天花板上拉下觸摸控制屏；沒有逃逸塔，采用首創(chuàng)的新型發(fā)射逃逸系統(tǒng)，自身裝配的超級天龍座發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，可在乘員從進(jìn)入飛船到入軌的全過程中提供逃逸能力，這不僅能使飛船著陸更方便外，還可使飛船能重復(fù)使用；沒有太陽電池翼，采用非加壓艙半包圍體裝式太陽能電池板。
這樣可避免出現(xiàn)展不開的故障，而且比展開式太陽能電池翅膀使用率高，效能更好，因?yàn)闊o論哪個角度，只要有太陽光照，飛船就會吸收光輻射；可獨(dú)立飛行1周，能?？匡w行210天。
美國“載人龍”飛船的內(nèi)部
蘇俄載人飛船的返回地點(diǎn)均為本國陸地，目的是為了保密。而美國載人飛船的返回地點(diǎn)都在海面，在海面回收沒有障礙物，易被發(fā)現(xiàn)，且緩沖性能好一些，但要求座艙密封性能好，海面搜索能力強(qiáng)。
由三艙一段組成的神舟1號
我國“神舟”飛船采用由軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙組成的3艙式構(gòu)型，總長近9米，總重約8.1噸，乘員人數(shù)3人，飛船內(nèi)航天員自由活動空間6立方米。其有效載荷質(zhì)量在入軌時不小于300千克，返回時100千克。其可靠性為0.97，航天員的安全性為0.997。該飛船可自主飛行7天，?？匡w行180天。
軌道艙位于飛船前部，呈圓柱形。其側(cè)壁有一內(nèi)開式艙門。前端裝有用于試驗(yàn)的附加段或交會對接裝置。該艙用于航天員入軌后的工作、吃飯、方便和睡覺。
打造中的軌道艙
返回艙位于飛船中部，呈鐘形。外表為低密度燒融材料所包敷，設(shè)有兩個傘艙。大底里裝有4臺固體緩沖發(fā)動機(jī)。該艙是航天員往返時的座艙，也是飛船的控制中心，具有著陸后支持航天員陸上生存48小時、海上生存24小時的能力。
以上兩個艙是供航天員活動的密封壓力艙，可謂“一室一廳”。
推進(jìn)艙位于飛船后部，為非密封艙，為飛船提供動力、電源、燃料等。尾部裝有4臺2.5千牛的變軌發(fā)動機(jī)，側(cè)壁裝有姿控發(fā)動機(jī)和24米2主太陽電池翼。
“神舟”由系統(tǒng)總體和13個分系統(tǒng)組成。這些分系統(tǒng)涉及物理、醫(yī)學(xué)等數(shù)十種學(xué)科領(lǐng)域，所以具有技術(shù)多樣性和研制復(fù)雜性。其中的環(huán)境控制與生命保障、回收著陸、儀表與照明、應(yīng)急救生、乘員等分系統(tǒng)為載人航天器特有。
為適應(yīng)不同階段的任務(wù)變化，“神舟”飛船先后有三種技術(shù)狀態(tài)。
一是初期試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)，神舟5號、6號載人飛船采用這種技術(shù)狀態(tài)，特點(diǎn)是軌道艙上也裝有一對太陽電池翼，返回艙返回地面后，軌道艙可留軌利用半年。
二是出艙活動試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)，神舟7號載人飛船采用這種技術(shù)狀態(tài)，特點(diǎn)是軌道艙取消了太陽電池翼，不留軌利用，并且具有氣閘艙的功能，增加了扶手，用于航天員空間出艙活動。
三是天地往返運(yùn)輸器技術(shù)狀態(tài)，軌道艙不留軌利用，前端增裝了交會對接裝置，神舟8號以后的所有載人飛船都采用這種技術(shù)狀態(tài)，用于為“天宮”提供載人天地往返運(yùn)輸服務(wù)。
神舟5號在軌飛行示意圖
神舟10號在軌飛行示意圖
“神舟”載人飛船有不少特點(diǎn)。例如，起點(diǎn)較高，沒走美蘇的老路，直接采用3艙式構(gòu)型；可一船多用，有的軌道艙可留軌利用半年，相當(dāng)于免費(fèi)發(fā)射了1顆衛(wèi)星；智能化程度高，采用了信息技術(shù)的最新成果，太陽電池翼也能自動對準(zhǔn)太陽；防熱技術(shù)和降落傘都具有世界先進(jìn)水平；首用太空“模擬人”在飛船內(nèi)模擬、檢驗(yàn)飛船載人狀態(tài)等。
