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宇宙飞船(宇宙飞船概念)

宇宙飞船(英语名为 space craft,spaceship ),是一种运送航天员、货物到达太空并安全返回的航天器。宇宙飞船可分为一次性使用与可重复使用两种类型。用运载火箭把飞船送入地球卫星轨道运行,然后再入大气层。飞船上除有一般人造卫星基本系统设备外,还有生命维持系统、重返地球的再入系统,回收登陆系统等。 [1]

世界上第一艘载人飞船是前苏联的"东方"1号宇宙飞船,于1961年4月12日发射。它由两个舱组成,上面的是密封载人舱,又称航天员座舱。这是一个直径为2.3米的球体。舱内设有能保障航天员生活的水、供气的生命保障系统,以及控制飞船姿态的姿态控制系统、测量飞船飞行轨道的信标系统、着陆用的降落伞回收系统和应急救生用的弹射座椅系统 [2] 。另一个舱是设备舱,它长3.1米,直径为2.58米。设备舱内有使载人舱脱离飞行轨道而返回地面的制动火箭系统,供应电能的电池、储气的气瓶、喷嘴等系统。“东方”1号宇宙飞船总质量约为4700千克。它和运载火箭都是一次性的,只能执行一次任务。

1966年3月17日,"双子星座"8号的宇航员进行了首次太空对接。之后不久,由于飞船损伤系统突然失灵,宇航员们不得不进行紧急着陆处理。宇航员尼尔-A-阿姆斯特朗和戴维-R-斯考特在计划为期3天的飞行使命中的第5圈飞行时,操纵其双子星座封舱与阿根纳号宇宙飞船对接成功。半小时后,双子星号密封舱开始旋转并失去控制。接着,宇宙飞船上12只小型助推火箭中的一只原因不明地起火。宇航员随即将其飞行器与阿根纳号分离,并成功地在太平洋上降落。质量约为4700千克。

至今,人类已先后研究制出三种构型的宇宙飞船,即单舱型、双舱型和三舱型。其中单舱式最为简单,只有宇航员的座舱,美国第1个宇航员格伦就是乘单舱型的“水星号”飞船上天的;双舱型飞船是由座舱和提供动力、电源、氧气和水的服务舱组成,它改善了宇航员的工作和生活环境,世界第1个男女宇航员乘坐的前苏联“东方号”飞船、世界第1个出舱宇航员乘坐的前苏联“上升号”飞船以及美国的“双子星座号”飞船均属于双舱型;最复杂的就是三舱型飞船,它是在双舱型飞船基础上或增加1个轨道舱(卫星或飞船),用于增加活动空间、进行科学实验等,或增加1个登月舱(登月式飞船),用于在月面着陆或离开月面,前苏联/俄罗斯的联盟系列和美国“阿波罗号”飞船是典型的三舱型。上述这些飞船是载人航天器的先驱! 拉开了载人航天的帷幕! 在载人航天史上有着不可磨灭的作
  用!有的目前仍活跃在载人航天的第一线,联盟系列飞船至今还在使用。 [3]

虽然宇宙飞船是最简单的一种载人航天器,但它还是比无人航天器(例如卫星等)复杂得多。麻雀虽小,五脏俱全。宇宙飞船与返回式卫星有相似之处,但要载人,故增加了许多特设系统,以满足宇航员在太空工作和生活的多种需要。例如,用于空气更新、废水处理和再生、通风、温度和湿度控制等的环境控制和生命保障系统、报话通信系统、仪表和照明系统、航天服、载人机动装置和逃逸生系统等。

当然,掌握航天器再入大气层和安全返回技术也至关重要。尤其是宇宙飞船,除了要使飞船在返回过程中的制动过载限制在人的耐受范围内,还应使其落点精度比返回式卫星要高,从而及时发现和营救宇航员。前苏联载人宇宙飞船就曾因落点精度差,结果使宇航员困在了冰天雪地的森林中差点被冻死。人上天有三个条件,除要研制出载人航天器外,还必须拥有运载力大、可靠性高的运载工具;应弄清高空环境和飞行环境对人体的影响,并找到有效的防护措施。 [3]

天高任船飞。未来的宇宙飞船将朝三个方向发展:有多种功能和用途;返回落点的控制精度提高到百米级的范围以内;返回地面的座舱经适当修理后可重复使用。

载人飞船是目前最小的一种载人船天器# 仅能往返使用一次,在太空轨道上一般能单独飞行数天到十几天,也可作为往返于地面和空间站之间或地面和月球以及地面和行星之间的“渡船”,还能与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。

座舱是载人飞船的核心,通常采用无翼的大钝头旋转体,有的是球形,有的是钟形,采用这种简单外形具有结构简单、工程上易于实现等特点。当飞船再入大气层时,座舱在距地面40 km 左右的高空就能急剧减速,造成的峰值减加速度 (也叫最大过载)为8g左右(采用半弹道式路径返回方式可达3~4 g)。这样的减加速度,经过选拔和训练的航天员是可以承受的。座舱一般均有视野开阔的舷窗,以便航天员观察发射前的准备活动、在轨交会对接情况、返回点火时的姿态和再入着陆的地面情况等。俄罗斯航天员曾多次在自动对接系统失灵情况下,通过舷窗进行手动对接获得成功。

服务舱又叫推进舱、设备舱或仪器舱,它一般紧接在座舱后面。通常安装推进系统、电源、气瓶和水箱等设备,起保障和服务作用,为飞船提供动力,为航天员提供氧气和水。

轨道舱也称工作舱,它位于座舱前面,是为了增加航天员的活动空间。一般是航天员在轨工作场所,里面装有多种试验设备和实验仪器。

气闸舱是航天员在轨出舱时,保证飞船舱内气体不致全部漏到宇宙空间的设备,即供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置。在2舱式飞船中它是座舱的一部分,在3舱式飞船中它是轨道舱的一部分。
  对接机构也叫对接舱,它与座舱或轨道舱相连,用于与其他飞船或空间站对接和锁紧。

载人飞船的应急救生装置,用于保障在紧急情况下使航天员安全返回地面,或转移到其他载人航天器上。现有弹射座椅、救生塔、分离座舱和载人机动装置几种。为了保证航天员能够进入太空和安全地返回地面,载人飞船一般设有结构分系统、生命保障分系统、热控制分系统、姿态控制与轨道控制分系统、推进分系统、无线电通信与测控分系统、电源分系统、仪表与照明分系统和返回着陆系统等多个分系统。其中生命保障分系统、应急救生分系统、仪表与照明分系统等为载人航天器特有的。因而比无人卫星复杂得多,是人类航天技术的一次突破性飞跃。 [3]

1、东方号宇宙飞船

东方1号宇宙飞船,它由乘员舱和设备舱及末级火箭组成,总重6.17吨,长7.35米。 乘员舱呈球形,直径2.3米,重2.4吨,外侧覆盖有耐高温材料,能承受再入大气层时因摩擦产生的摄氏5000℃左右的高温。乘员舱只能载一人,有三个舱口,一个是宇航员出入舱口,另一个是与设备舱连接的舱口,再一个是返回时乘降落伞的舱口,宇航员可通过舷窗观察或拍摄舱外情景。宇航员的座椅装有弹射装置,在发生意外事故时可紧急弹出脱险。同时在飞船下降到距离地面7000米的地方,宇航员连同座椅一起弹出舱外,并张开降落伞下降,在达到4000米高度时,宇航员与座椅分离,只身乘降落伞返回地面。设备舱为顶锥圆筒形,长2.25米,重2.27吨,在飞船返回大气层之前,与乘员分离,弃留太空成为无用之物。东方1号宇宙飞船打开了人类通往太空的道路。

2、上升号宇宙飞船

上升号宇宙飞船重5.32吨,球形乘员舱直径与东方号飞船大体相同,改进之处是提高了舱体的密封性和可靠性。宇航员在座舱内可以不穿宇航服,返回时不再采用弹射方式,而是随乘员舱一起软着陆。上升 1号载三名宇航员,在太空飞行 24小时17分钟;上升2号载两名宇航员,在太空飞行26小时2分钟。

3、联盟号宇宙飞船

联盟号飞船由轨道舱、指令舱和设备舱三部分组成,总重量约6.5吨,全长约7米,宇航员在轨道舱中工作和生活;设备舱呈圆柱形,长2.3米,直径2.3米,重约2.6 吨,装有遥测、通信、能源、温控等设备;指令舱呈钟形,底部直径3米,长约2.3米,重约2.8吨。飞船在返回大气层之前,将轨道舱和设备舱抛掉,指令舱装载着宇航员返回地面。从联盟10号飞船开始,前苏联的宇宙飞船转到与空间站对接载人飞行,把载人航天活动推向了更高的阶段。

4、联盟号载人飞船和进步号货运飞船

前苏联的空间站上天以来,一直与联盟号系列载人飞船和进步号系列货运飞船一起,共同组成轨道联合体执行载入航天飞行任务。

联盟号系列载人飞船已更换三代,作为空间站的载人工具。从联盟10号开始,到1993年底共有 30艘联盟号,14艘联盟T号,17艘联盟TM号飞船载人到空间站上开展太空科学考察活动。第一代联盟号,主要用于试验载人飞船与空间站的交会,对接和机动飞行,为载人到空间站活动打下了坚实基础;第二代联盟T号,改进了座舱设施,提高了生命保障系统的可靠性和生活环境的舒适性;第三代联盟TM号,又改进了会合,对接,通信,紧急救援和降落伞系统,增加了有效载荷。经过改进的联盟TM号飞船总重7吨,长约7米,翼展10.6米,载3名宇航员和250千克货物最大改进是对接系统,可以在任何姿态下与和平号空间站对接,无需空间站做机动飞行和调整姿态。

“进步号”系列货运飞船执行向空间站定期补给食品、货物、燃料和仪器设备等任务。到1993年底,已发展两代,共发射进步号42艘,进步M号20艘。它与空间站对接完成装卸任务后即自行进入大气层烧毁。这种飞船由仪器舱,燃料舱和货舱组成,货舱容积 6.6立方米,可运送1.3吨货物,燃料舱带1吨燃料。它可自行飞行4天,与空间站对接飞行可达2个月。 [5]

“神舟” 号飞船是用中国设计制造的长征系列运载火箭发射的,这是长征运载火箭的第59次发射。这次试验飞 行中进行的空间遥感和环境监测 以及空间材料、生命、天文和物理科学实验也取得了巨大成功。

这次飞行,采用了北京、西安和酒泉三地同时分工协作测控的新格局,做了十分详细和周密的部 署;并利用中国的卫星和国外一些为公众服务的卫星建立的卫星信息系统,进行全方位的监测。对整个试验飞行过程的全面的测控,确保了试验的顺利进行。

中国此次飞船发射首次采用了世界上先进的发射技术,即 “三垂” 发射模式:垂直测试,垂直运输,垂直发射。 [6]

1.Lynx

Lynx

借助于火箭动力的航天飞机Lynx,美国加利福尼亚州莫哈韦的XCOR宇航公司进军亚轨道太空飞行业务。搭乘这架航天飞机到太空兜一圈只需要 9.5万美元。虽然每次飞行只能搭载一名飞行员和一名乘客,但短短两小时的周转时间却可以弥补空间狭小的不足,每天最多可进行4次飞行。

2.银镖

银镖

美国芝加哥PlanetSpace公司虽然将目光聚焦轨道太空之旅,但却将其航天飞机“变身”为一个亚轨道地球运输系统。 PlanetSpace的航天飞机“银镖”可安装一个亚轨道火箭发动机,用于进行地球上的点对点飞行。“银镖”能够以高超音速的速度飞行2.5万英里(约合4.0233万公里)。PlanetSpace首席执行官杰夫谢里恩表示:“借助于这个系统,20分钟内从纽约到巴黎绝对不成问题。”

3.前苏联RRV

前苏联RRV

马恩岛的Excalibur Almaz 有限公司购买了前苏联的几个可重复使用返回型航天器(RRV)。这种飞船在设计上用于将宇航员送上上世纪70年代的秘密太空站Almaz。 Excalibur Almaz尚未公布一周太空之旅的费用,但已计划采用现代技术对RRV飞船的设计进行升级。RRV飞船由一个用于发射和返回的锥形RRV以及一个一次性服务舱构成,飞船可搭乘3个人,包括一名指挥官和两名乘客。

4.追梦者

追梦者

美国科罗拉多州森特尼尔的“内华达山脉”公司子公司SpaceDev正在开发可容纳7人的飞船“追梦者”,在设计上利用阿特拉斯5型火箭将宇航员送入太空。在2010年2月举行的一场商业乘员开发比赛中,SpaceDev从美国宇航局手中获得2000万美元

5.Vertical Tourships

Vertical Tourships

美国弗吉尼亚州旅游公司“太空冒险”计划出售太空游门票,他们使用的是犰狳宇航公司开发的新型亚轨道火箭动力飞船。位于德克萨斯州的“犰狳”是电脑游戏大亨约翰卡尔麦克资助的一家公司。“犰狳”的垂直发射火箭飞船可将两名乘客送入距地球62英里(约合100公里)的太空,费用为10.2万美元,远远低于“太空冒险”提供的国际空间站之旅的费用。

6.太阳舞者

太阳舞者

美国内华达州拉斯维加斯的Bigelow宇航公司提出了一种与众不同的太空站设计,即用一个个“太阳舞者”组装成一个太空站。“太阳舞者”是一种载人太空舱,可在太空充气。多个太空舱组合在一起构成一个太空站甚至一个月球基地,能够支持3名宇航员的存在。Bigelow已经发射了两个原型舱 “起源1”号和“起源2”号。虽然是无人操控太空舱,但现在仍旧绕轨道运行。这家公司已经与太空探索技术公司SpaceX签约,计划在2014年搭乘猎鹰 9型运载火箭发射“太阳舞者”。

7.New Shepard

New Shepard

亚马逊网站创始人杰夫贝佐斯创建的太空旅游公司“蓝色起源”(Blue Origin)位于华盛顿州肯特市。这家公司对于外界来说仍旧是一个谜。对于“蓝色起源”的太空飞船New Shepard亚轨道航天器,人们也是知之甚少,只知道将由一个安装在推进舱上方用于进行实验的密封乘员舱构成,能够将宇航员送入距地球75英里(约合 120公里)的太空。美国宇航局已向“蓝色起源”注资370万美元,用于研发宇航员逃生系统并建造一个复合材料太空舱原型。

8.天鹅座

天鹅座

美国弗吉尼亚州杜勒斯的卫星发射公司“轨道科学”(Orbital Sciences)计划借助其先进机动飞船“天鹅座”进军太空飞行世界。圆柱形“天鹅座”将搭乘“轨道科学”的金牛座2型火箭发射升空。它携带一个加压货舱,最大有效负荷为5952磅(约合2700公斤)。“天鹅座”当前的设计仍采用无人操控方式。目前,“轨道科学”已经与美国宇航局签署一项价值19亿美元的合约,负责完成8次货物运输,将货物送上国际空间站。试飞将于2011年进行。

9.太空船二号

太空船二号

大名鼎鼎的企业家理查德布兰森及其位于新墨西哥州的维珍银河公司,利用“太空船二号”提供亚轨道太空游服务,费用为20万美元。“白色骑士二号”负责将搭载2名飞行员和6名乘客的“太空船二号”送入距地5万英尺(约合1.6万米)的高空。达到这一高度后,“太空船二号”将脱离“白色骑士”,同时点燃火箭发动机,最高可进入距地68英里(约合110公里)的太空。“太空船二号”的受控运载试飞正在进行当中。

10.龙太空舱

龙太空舱

美国加州霍索的太空探索技术公司SpaceX研制出猎鹰9 型火箭,用于发射“龙”太空舱。这种太空舱首先可能用于向国际空间站运送货物,而后再负责运送宇航员。“龙”太空舱在设计上最多可搭载7名乘客,首次试飞定于2010年进行 [7]


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