中国“神舟”一步跨进第三代

庞之浩

北京日报 | 2021年06月09日

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　　据中国载人航天工程办公室消息，今年6月，我国将发射“神舟12号”载人飞船，把3名航天员送到空间站“天和”核心舱内生活工作3个月；今年10月，还将发射“神舟13号”载人飞船，把3名航天员送到“天和”核心舱内生活工作6个月。

　　大戏开场之前，我们约请全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩和读者聊聊世界载人飞船发展的那些事儿。

苏 联“ 东方”载人飞船

美国“水星”载人飞船模型

苏俄“联盟TMA”载人飞船

美国“阿波罗”载人登月飞船模型

中国“神舟5号”载人飞船

中国“神舟11号”载人飞船

美国“猎户座”载人飞船

　　1.

　　苏俄载人飞船

　　加加林成太空第一人

　　1961年4月12日，苏联航天员加加林乘坐世界第一艘载人飞船“东方1号”上天，成为世界太空第一人。

　　苏联第一代载人飞船叫“东方”。它采用2舱式构型，由返回舱和推进舱组成，最长飞行时间为5天。从1961年4月到1963年6月，一共发射了6艘。不过，那时航天员采用跳伞方式落地。该飞船球形返回舱能乘坐1名航天员。舱内有可供飞行10昼夜的生命保障系统、弹射座椅和无线电、光学、导航等仪器设备。其推进舱位于座舱后面，舱内装有化学电池、返回反推火箭和其他辅助设备。

　　苏联第二代载人飞船叫“上升”。它是在“东方”基础上改进而成的，即把笨重的弹射座椅改为3把普通的座椅，以便乘坐3人。1964年10月，“上升1号”飞船首次乘载包括科学家在内的3名不穿航天服的航天员绕地飞行。1965年3月发射的“上升2号”飞船使列昂诺夫成为世界太空行走第一人，为此，在“上升2号”的返回舱外增设了气闸舱，供航天员空间出舱使用。由于这两艘“上升”飞船还增加了着陆缓冲用的制动火箭，使返回舱可以软着陆，所以从此航天员不用再以跳伞方式落地了。

　　苏俄第三代载人飞船叫“联盟”。它于1967年开始使用，采用3舱式构型，即在返回舱前增加了1个轨道舱和交会对接机构，因此它不仅使航天员的生活和工作空间扩大了，还能与空间站对接，为空间站接送航天员和物资。与前两代飞船相比，“联盟”内部可居住容积增大了1倍，返回地面时的最大过载也由8-9g（重力加速度单位）减少到3-4g，这使航天员舒服多了。该飞船多次改型，包括联盟 T、TM、TMA、TMA-M、MG等，共发射了上百艘。这种第三代载人飞船至今仍活跃在世界载人航天的第一线，目前使用的“联盟MS”能搭载最多3名航天员，停靠在空间站215天。

　　2.

　　美国载人飞船

　　“阿波罗”载人登月

　　美国研制的第一代载人飞船叫“水星”。它是目前世界上唯一的1舱式飞船，于1961年4月至1963年6月使用，能乘坐1人。美国第一次载人轨道飞行是在1962年2月20日，航天员格林乘坐“水星6号”载人飞船绕地球飞行了3圈。

　　美国第二代载人飞船叫“双子星座”，于1965年投入使用，由返回舱和推进舱组成，可载2人，主要用途是为载人登月做准备。它先后完成了轨道机动、交会对接和航天员空间出舱等试验任务。从1965年3月到1966年11月，“双子星座”飞船共进行了10次载人飞行。虽然它与“水星”飞船外形相似，但其密封舱容积加大了；飞船各系统不再采用“堆积”方式装在一起，而是按舱室形式安装；增加了交会雷达……这些使飞船性能大为提高。

　　美国第三代载人飞船叫“阿波罗”。它是目前世界上唯一的登月式飞船，总高29米，重约46吨，由指令舱、服务舱和登月舱组成，可乘坐3人。其中指令舱是航天员生活和工作的地方，为圆锥形，舱内充以34.3千帕的纯氧，温度保持在21-24℃；服务舱装有变轨推进剂和主发动机、燃料电池，能把飞船从月球轨道送回地面；登月舱是这种飞船独有的，由下降级和上升级组成，用于降落到月球表面和离开月面。共有6艘“阿波罗”飞船送12名航天员实现了登月。

　　苏俄载人飞船的返回地点均为本国陆地，目的是为了保密。而美国载人飞船的返回地点都在海面，在海面回收没有障碍物，易被发现，且缓冲性能好一些，但要求座舱密封性能好，海面搜索能力强。

　　值得一提的是，美国在发展载人飞船之外，还曾花费很大力气发展航天飞机。航天飞机是一种用途广、载重大、乘员多、较舒适的水平着陆有翼航天器，但成本高、较危险，所以美国在发射了135架次航天飞机后就让它提前退役了，转而重新研制载人飞船。目前，世界载人天地往返运输系统只有载人飞船。

　　3.

　　中国载人飞船

　　“神舟”一步跃至世界先进水平

　　中国在2003年10月15日成功发射了第一艘载人飞船“神舟5号”，使航天员杨利伟成为中国太空第一人，并使中国成为世界第三个独立发展载人航天器的国家。“神舟5号”采用3舱式构型，达到世界第三代载人飞船的水平。

　　至今，我国已陆续成功发射了6艘“神舟”载人飞船，把11名航天员、14人次送上了太空，所以该载人飞船在技术上比较成熟。

　　“神舟”飞船采用由轨道舱、返回舱和推进舱组成的3舱式构型，总长近9米，总重约8吨，乘员人数3人，飞船内航天员自由活动空间6立方米。飞船有效载荷质量在入轨时不小于300千克，返回时100千克。其可靠性为0.97，航天员的安全性为0.997。该飞船可自主飞行7天，停靠飞行180天。

　　轨道舱位于飞船前部，呈圆柱形。其侧壁有一内开式舱门。前端有交会对接装置。该舱用于航天员入轨后的工作、吃饭、方便和睡觉。

　　返回舱呈钟形。外表为低密度烧融材料所包敷，设有两个伞舱。大底里装有4台固体缓冲发动机。该舱是航天员往返时的座舱，也是飞船的控制中心，具有着陆后支持航天员陆上生存48小时、海上生存24小时的能力。轨道舱和返回舱均为密封压力舱，舱内环境与地面基本一样，航天员活动的地方，被称为“一室一厅”。

　　推进舱采用非密封结构，为飞船提供动力、电源、燃料等。尾部装有4台2.5千牛的变轨发动机，侧壁装有姿控发动机和24平方米主太阳电池翼。

　　“神舟”由系统总体和13个分系统组成。这些分系统涉及物理、医学等数十种学科领域，所以具有技术多样性和研制复杂性。

　　为适应不同阶段的任务变化，“神舟”飞船先后有三种技术状态。一是初期试验技术状态，“神舟5号”“神舟6号”载人飞船采用这种技术状态，特点是轨道舱上也装有一对太阳电池翼，返回舱返回地面后，轨道舱可留轨利用半年。二是出舱活动试验技术状态，“神舟7号”载人飞船采用这种技术状态，特点是取消了轨道舱的太阳电池翼，不留轨利用，并且具有气闸舱的功能，增加了扶手，用于航天员空间出舱活动。三是天地往返运输器技术状态，轨道舱不留轨利用，前端增装了交会对接装置，“神舟8号”以后的载人飞船都采用这种技术状态，用于为“天宫”提供载人天地往返运输服务。

　　“神舟”载人飞船有不少特点。例如，起点较高，没走美苏的老路，直接采用3舱式构型；可一船多用，有的飞船轨道舱可留轨利用半年，相当于免费发射了1颗卫星；智能化程度高，采用了信息技术的最新成果，太阳电池翼能自动对准太阳；防热技术和降落伞都具有世界先进水平，等等。

　　4.

　　世界第四代载人飞船

　　中美俄各有高招儿

　　目前，美国、中国和俄罗斯正在或已经研制出世界第四代载人飞船。第四代载人飞船的特点是：用途广，可一船多用，能飞往空间站，也可飞往月球甚至小行星和火星；能重复使用多次，以降低成本；运载能力增加，每次可以运送4-7人；采用2舱式构型，但直径比较大，这样能降低成本，提高可靠性。

　　美国政府投资、洛马公司研制的第四代载人飞船“猎户座”主要用于载人深空探测。它由服务舱、乘员舱、发射中止系统以及飞船适配器组成，重约23吨，直径约5米。乘员舱内部仅有10个仪表盘左右，能带4-7名航天员；可重复使用10次。其服务舱来自欧洲货运飞船自动转移飞行器，用于向乘员舱提供能源、热控制、燃料及动力。今年11月，美国计划发射无人“猎户座”到地月转移轨道，用于为工程师评估该飞船的深空表现提供重要线索，为未来的载人月球任务提供基础数据，为2024年航天员重返月球做好准备工作。

　　美国商用飞船“载人龙”是世界第一种投入实用的第四代载人飞船，2021年至少升空3次。它由前椎体、加压舱和服务舱三部分组成，最多可将7人送至近地轨道。加压舱内部操控台由4块可移动大型液晶触摸控制屏组成，航天员可从天花板上拉下触摸控制屏；没有逃逸塔，采用首创的新型发射逃逸系统，自身装配的超级天龙座发动机系统，可在乘员从进入飞船到入轨的全过程中提供逃逸能力，这不仅使飞船着陆更方便，还能使飞船重复使用；没有太阳电池翼，采用非加压舱半包围体装式太阳能电池板，这样可避免出现展不开的故障，而且比展开式太阳能电池翅膀使用率高，效能更好，因为无论哪个角度，只要有太阳光照，飞船就会吸收光辐射；可独立飞行1周，能停靠飞行210天。

　　美国波音公司正在研制另一种商用载人飞船“星际客船”，主要用于执行近地轨道任务。它由乘员舱和服务舱两部分组成，直径4.56米，长度5.03米，体积11立方米，发射质量13吨，乘员最多7名，可重复使用10次。其控制面板不到一米宽，上面没有很多按钮开关，采用了波音发光二极管“天空照明”技术，与波音787“梦幻客机”所用技术相似。该飞船即将投入使用。

　　俄罗斯正在研制第四代载人飞船“雄鹰”。它抛弃了“联盟”的3舱式结构设计，采用全新的2舱式设计，将用于取代“联盟”飞船执行近地轨道任务，可在轨自主飞行近30天，也能停靠在空间站上近一年，未来还可用于载人登月。其内部空间是“联盟”的两倍，可搭乘4名航天员和500千克货物。它返回着陆前，将伸出4个装有减震器的支架，使飞船不会有强烈的撞击感。该飞船着陆精度要优于5千米，远比“联盟”25千米的着陆精度高，最大的特点就是可以多次重复使用，在地球轨道上或执行短期地月往返飞行时可重复使用10次，在执行长期与绕月轨道站对接任务时可重复使用不少于3次。

　　2020年5月5日，我国新一代载人飞船试验船升空，5月8日返回。它采用2舱式构型，由返回舱和服务舱组成；返回舱采用流畅的倒锥形钝头体气动外形，每次可以运送4-7人，可重复使用多次；全长约9米，最大直径4.5米，最大发射重量23吨；既可以在近地轨道飞行，也能完成载人月球探测等载人深空探测任务；除了继承了“神舟”的可靠、安全等优点外，在舒适性、经济性以及智能化程度等方面有了大幅提升；返回时采用了由2具减速伞和3具主伞组成的“群伞减速”回收方案，返回舱落地前使用6个充气气囊帮助舱体平稳“软着陆”，最大程度地保证了返回舱的安全、完整回收。试验船飞行任务的圆满成功，标志着我国新一代载人飞船已具备雏形。

　　载人飞船用途十分广泛。例如，可用于突破和掌握载人航天基本技术；为空间站接送航天员和物资；作为空间站救生艇；进行太空旅游等。为此，包括印度、日本和欧洲航天局也都准备发展载人飞船。

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