载人飞船

http://www.sina.com.cn 2003年10月17日16:19 新浪科技

　　载人飞船(manned spacecraft)是最早将人类送上太空轨道的航天器。它也是载人航天器中最小的一种，在空间轨道上一般只能单独飞行数天到十几天，完成飞行任务以后，沿弹道式或半弹道式路径返回地面。

　　1、载人飞船的构型和组成

　　载人飞船按照其飞行任务的不同，可分为卫星式载人飞船、登月载人飞船和行星际载人飞船。前两种载人飞船已经发射成功，后一种载人飞船尚未实现。卫星式载人飞船在离地面几百千米的近地轨道上飞行，飞行速度为第1宇宙速度。登月载人飞船和行星际载人飞船的飞行速度超过了第1宇宙速度，达到第2宇宙速度。

　　载人飞船的构型与其飞行任务密切相关。三种不同任务的载人飞船要求不同的构型。

　　卫星式载人飞船的构型有单舱式、两舱式和三舱式三种。单舱式只有航天员的座舱，是最简单的一种载人飞船。美国最早研制的水星号飞船，只有航天员的座舱，属单舱式。两舱式除航天员座舱以外，还有一个服务舱。服务舱紧接在航天员的座舱后面。服务舱内安装推进系统、气瓶、水箱和电源装置，为飞船提供推进时的动力和电源，为航天员供给氧气和水。美国的第二代载人飞船双子星座号属两舱式。前苏联最早将人送上天的东方号载人飞船也属两舱式。东方号的座舱和服务舱以外，还有一个轨道舱。通常，轨道舱在最前端，座舱居中，服务舱在最后。增设轨道舱的目的，是为航天员增加一些活动空间，以及进行某些试验性科学研究。

　　载人登月飞船，迄今为止，只有美国的阿波罗飞船一种。登月飞船除航天员的座舱和服务舱以外，还增设了一个载人登月的登月舱。登月飞船到月球附近以后，航天员乘登月舱在月面着陆，完成月面考察任务以后，再乘登月舱飞离月面。阿波罗登月舱在服务舱的后面。在阿波罗15、16和17号的登月舱中，还带有一辆200kg重的月球车。

　　航天员座舱是载人飞船各舱段中最重要的舱段。它是飞船上升和返回地球过程中航天员乘坐的舱段，也是整个飞船的控制中心。座舱不仅和飞船其它舱段一样要随机起飞、上升，适应轨道运行段的各种压力和飞行环境，而且还要经受再入大气层和返回地面阶段的减速过载和气动加热。所以航天员座舱的设计是整个载人飞船设计的核心。

　　载人飞船通常由以下主要分系统组成：结构系统、生命保障系统、热控系统、姿态控制和轨道控制系统、推进系统、无线电通信与测控系统、电源系统、仪表与照明系统、返回着陆系统、应急救生系统。上述主要分系统中，生命保障系统、应急救生系统和仪表与照明系统等为载人航天器的特有系统，其它分系统与无人飞船虽有些差别，但基本相同。

　　2、载人飞船的特点

　　载人飞船是载人航天器中最简单的一种，它与其它载人航天器相比，有以下特点：飞行时间短，沿弹道式或半弹道式路径返回，部分舱段返回，一次性使用。

　　载人飞船由于规模小，受起飞重量和容积的限制，携带的推进剂和航天员生活物资的限制，载人飞船一般最长只能在太空飞行14天。

　　载人飞船的返回座舱，通常为旋转体，它没有升力面，再入大气层时不产生升力。在脱离环绕地球的轨道以后，飞船座舱就像炮弹一样沿弹道式路径返回地面。在脱轨后的返回过程中，航程和横向偏差无法控制，很不安全。在前苏联后期的联盟号飞船和美国的阿波罗飞船的设计中，采取了一些补救措施。其方法就是人为地将飞船座舱的质心偏离其几何对称纵轴。这样飞船座舱在再入大气层后，就形成一个攻角，称之为配平攻角。配平攻角产生部分升力，航天员适当地控制飞船座舱达到偏离的目的。飞船座舱配平攻角产生的升力不大，与阻力之比大约为0.2-0.3，所以座舱还不是真正地按升力路径返回，而只是沿半弹道式路径返回。但是，半弹道式路径比弹道式路径好得多，这不仅能部分地调节航程和纠正横向落点偏差，而且使返回过程中遇到最大过载从8g左右减少到4g左右，这使航天员好受得多。

　　载人飞船虽然由多个舱段组成，但真正返回地面的只有座舱，其余舱段在返回前全被抛弃，它们留在轨道上，在大气阻力作用下，逐渐陨落而烧毁。载人飞船仅仅回收座舱，抛弃其他所有舱段的原因在于，首先，飞船返回前，必须减速，脱离运行轨道，减速需要消耗推进剂，返回舱越重，消耗推进剂越多，所以，返回质量越轻越好。为此，应尽可能地将已完成任务后的没有必要返回地面的舱段抛弃掉。其次是，返回舱在再入大气层的过程中，遇到的气动力和气动热远比升段大得多。返回舱必须有先进的防热层和结构。所以返回舱的结构重量比不返回的舱段重得多，如果将整个飞船设计成全部返回，飞船的重量会很大。由于这些缘故，所以后期的载人飞船都设计成多舱式，而不是单舱。这种多舱式的设计思想类似于飞机在空中抛掉空油箱和多级火箭抛掉熄火后的子级火箭一样。

　　载人飞船的座舱返回地面，其它舱段全部被抛弃。因此，希望重复使用的只可能是座舱。但是目前的载人飞船座舱仍然是一次性的，它还不能重复使用。飞船座舱要达到重复使用要解决两大关键。首先，座舱的热防护层不能采用一般的烧蚀材料，必须能经受1000℃以上高温，并能多次重复使用。其次，座舱的返回着陆系统要保证准确着陆和很小的着陆速度。前者保证飞船座舱不致掉到恶劣的地面环境而破坏，后者保证着陆冲击不致太大，保持飞船座舱结构的完好。目前，国外正在研究可重复使用的载人飞船。

　　3、载人飞船的用途

　　载人飞船在载人航天的历史上有着不可磨灭的作用，它使人类千百年来梦寐以求的上天理想得以实现。它是载人航天器的先驱，拉开了载人航天的帷幕。载人飞船的主要用途有以下三个方面。

　　(1)实现载人航天，进行航天科学试验；

　　(2)作为天地往返运输器；

　　(3)作为空间站的轨道救生艇。