空之舟:世界各国宇宙飞船盘点
与航天飞机相比,宇宙飞船可能非常简陋。本质上它就是一个大容器,拥有足够强度、并安装了必要设备,甚至大多是一次性的。不过,简单的往往是最为有效的,它们承担了载人航天行动中大部分搬运工作,如今,航天飞机的历史已经谢幕,而飞船的家族依然繁荣。
1957年春,科罗廖夫领导的单位受命开始“东方”工程,研制苏联第一种载人飞船。为了以最快速度拿出成品,东方号飞船结构做了最大程度的简化:飞船上连陀螺仪都没装、返回舱采用人舱分开着陆等等以降低技术难度。1961年4月12日,东方1号载着加加林平安完成了世界上第一次载人飞行。
苏联的第二种载人飞船上升号,完全是在东方号的基础上修改而来的——甚至外部尺寸都没多大变化。它在原本乘坐一名宇航员的舱内塞了三个人的座席,不过着陆方式升级为人舱同落。为了1965年3月所进行的太空行走任务,上升2号还在外部加装了一个气阀舱。
史上最具盛名的联盟系列原始设计同样出自科罗廖夫之手。科罗廖夫的初衷是为苏联的载人登月计划设计一款飞行器。他本人未能活着看到这一计划修成正果,最终苏联的登月失败了,但联盟号飞船变成了一个庞大而成功的载人飞船家族。第一型联盟飞船名为7K-OK,1967年4月23日,宇航员科马罗夫乘坐联盟-1升空,但这次飞行失败了,返回时降落伞没有打开,将科马罗夫活活摔死。
一种没有量产联盟系列飞船:名为7K-L3的苏联载人登月飞船。科罗廖夫本希望使用两艘此类飞船对接,执行载人登月任务,但最终还是选择使用单艘飞船的方式。遗憾的是苏联用于发射登月飞船的N1火箭4次发射全部失败,这种飞船只参与过其中一次失败的无人发射。
联盟7K-OKS是一种设计专门用来在地面与苏联的空间站进行人员交流的摆渡飞船,只发射过2艘,第二艘联盟11号在1971年6月30日执完成礼炮1号空间站对接任务后的返回过程中失压,导致3名未穿宇航服的航天员全部死亡。此次事故暴露了早期联盟飞船因英塞进3人导致座舱空间过小的严重设计缺陷。不过这也是联盟系列的最后一次死亡事故。
根据联盟11号的教训改进出的首款二代联盟飞船名为7K-T。它只携带2人,所有宇航员在舱内均穿航天服作为保护。它还没有太阳能电池板,由此造成的缺点就是只能独立在太空飞行2天。
联盟7K-TM应该是冷战中的一朵奇葩。它是为了美苏首次合作太空行动而特制的,安装了一个能与美国飞船兼容的特殊对接口。1975年7月18日,联盟19号与阿波罗计划的剩余飞船进行了两国太空飞行器的首次对接。
联盟-T是系列中的第三代,用于执行与礼炮号系列空间站摆渡任务的载人飞船。经过技术改进,联盟-T的人员编制再次允许容纳3名宇航员,且宇航员可以在飞行途中身着宇航服。重新装备的太阳能电池板也使飞船可以执行较长时间的独立飞行任务。
1986年,苏联发射了和平号空间站,与之相匹配的人员摆渡飞船就是联盟-TM。它是联盟系列的第四代产品,它安装了新的对接系统,增设了着陆反冲火箭,无线电通讯系统,与空间站的对接操作也变得简单。后期的联盟-TM还被改装成可与国际空间站对接。
2003年,专为国际空间站而研制的第五代联盟飞船——联盟-TMA诞生。它由俄罗斯按照美国宇航局的技术标准研制,增加了载重能力、装备了改进型降落伞,另外,联盟-TMA的座舱还在系列中首次采用了“玻璃化”概念,宇航员终于摆脱了苏联飞船数量庞大的机械式仪表。
2010年,联盟-TMA-M面世。这使联盟飞船终于实现了全数字化操作。换装数字化设备还为飞船减轻了多达70公斤的净重。
未来的联盟,联盟-ACTS。联盟-ACTS由俄罗斯与欧洲联合研制,预计2012年面世。设计中,联盟-ACTS通过换装轨道舱,甚至可具备载人登月任务能力。多年来,联盟飞船被当成一种天地间可靠的载人飞行器而知名,大多数人早已忘记联盟号的设计初衷,科罗廖夫未竟的梦想有可能以这种形式重见天日。
军用型联盟飞船的存在被苏联严格保密,苏联解体后流出的部分资料让外界对这个神秘的支系家族才有一点了解。但也仅限于鲜见的几张概念图,军用型联盟的详细使用记录仍然隐藏在前苏联高达1700颗“宇宙(苏联人造地球卫星的统一代号,也是一些保密的地球轨道飞行器的掩护用代号)”系列卫星中。
为了接替技术老化、日益不敷使用的联盟系列飞船,俄罗斯于下一代载人飞船计划。PTK-NP分为客货两型,载人型可乘4名宇航员,无人型可携带2吨物资升空,并可携带500千克物资再入。
苏联的空间站需要经常补充燃料和人员给养,但装载了3人的联盟飞船富余运量有限,所以,1978年,第一款进步无人货运飞船(7K-TG)被研制出来。它直接使用联盟飞船现成的结构,拥有6.6立方米的运载空间,可载1.3吨货物和1吨燃料。区分联盟与进步飞船的主要特征就是中部的载荷舱,进步飞船为了扩大容积采用了桶形设计,而联盟飞船需要考虑人员再入大气层采用了一端较粗的陀螺形。
进步M(11F615A55)货运飞船1989年诞生,主要用于为和平号空间站和后来的国际空间站补给物资。进步M(11F615A55)上应用了在联盟T和联盟TM上装备的一些新技术。
替代进步M(11F615A55)的型号是2008年出现的进步M(11F615A60)。它最大的进化就是和同时代的联盟-TMA-M一样装备数字式控制系统。节省下来的重量能够装载更多物资。
进步M1飞船2000年投入使用,是进步M系列的一款变体。它减小了货舱空间,取而代之地安装更大的燃料舱,用于为空间站进行燃料补给。
进步M2由于苏联/俄罗斯的财政问题被取消了。它是为苏联原计划的和平2号空间站设计的物资补给飞船,巨大的载荷舱能携带大量物资,甚至可以直接将空间站组件送上太空。
初代美国载人飞船水星号硬件性能要比同时期的苏联货差很多。其体积之小甚至被嘲讽为是用来“穿”而不是“乘”的,它的初次载人任务也只能算是抛物线形的亚轨道飞行。
第二代双子座飞船性能有大幅提升,可支持两人进行3天左右的飞行。双子座同时还肩负了为阿波罗登月计划进行技术验证的任务。参加双子座计划的宇航员后来大多参加了载人登月任务。
美国载人航天的技术优势在其第三代作品——阿波罗登月飞船上修成正果。它的体积是之前的双子座飞船的数倍之巨,可携带3人进行长达十余天的地球-月球星间飞行。阿波罗飞船帮助美国击败苏联完成了登月夙愿,并且在一系列的实践中证明其设计是可靠的。
阿波罗飞船的一个变体参与了联盟-阿波罗对接任务和天空实验室任务。它使用了登月计划的剩余物资——将阿波罗飞船的登月舱去掉使之成为一种地球轨道载人飞船。
经历了航天飞机的弯路后,美国的下一代载人飞船计划于2004年启动:名为猎户座的飞船属于星座计划的一部分,其基础结构将像联盟飞船一样被广泛应用于近地轨道运输、载人登月甚至载人火星探索任务。它的核心结构很像一个被压扁了的阿波罗飞船轨道舱,但容量更大,可一次携带4到6名宇航员。
登月任务版的猎户座飞船结构更像当年的阿波罗。猎户座飞船原计划2015年首次发射,但美国总统奥巴马2010年2月1日提议取消载人重返月球的星座计划,连带猎户座飞船的研制目前已被放弃,其相关技术很可能用于未来的太空探索计划。
波音CST-100设计曾在美国宇航局的“商业航天员发展计划”中获得九千多万美元奖金。前不久,波音公司宣布计划在2015年将两架CST-100飞船发射升空,船上最多可带7名航天员,发射载具采用“宇宙神V”火箭。波音计划2016年开始进行商业飞行。
奥巴马取消猎户座飞船项目后,未来在美国与国际空间站间进行人员物资摆渡的任务很大可能将由私营航天企业SpaceX的龙号飞船承担。龙号飞船也分为载人和货运两种型号,载人型可装7人,货运型则可携带6吨物资。2010年12月8日,首艘龙号无人试验飞船由猎鹰9号火箭发射并进行了成功的测试飞行。
1999年11月20日,中国发射了自己未来载人飞船的第一艘无人试验船神舟1号,测试飞船内的生命保障系统、姿态控制系统等进行了测试,试验取得成功。它的总体结构参照苏联/俄罗斯的联盟系列飞船设计,但尺寸更大。
四次连续的无人试验成功后,2003年10月15日,中国发射了第一艘载人型神舟飞船神舟5号。宇航员杨利伟搭乘飞船成功围绕地球十四圈并安全返回地面。另外神舟5号轨道舱上安装了一台大型对地用CCD相机,在载人舱返回地面后仍可自动留轨运行。
为了向未来的中国载人空间站输送物资给养,中国也已启动了无人货运飞船计划。根据目前公布的资料,中国未来的货运飞船外形与天宫一号目标飞行器非常相似。二者很可能采用同一种基础设计以减少技术风险和研制周期。
与美国猎户座计划类似,欧空局的ATV飞船也是一个成系列的大型飞船发展计划。ATV最初设计用来取代俄罗斯的进步系列执行国际空间站补给任务,最显著的识别特征是4片非轴对称形排列的太阳能帆板,它能携带接近7.7吨的物资(进步号约为2.3吨)。自2008年来,已经有2艘ATV成功与空间站对接。目前有多种方案指出了ATV未来的改进
日本宇宙航空研究开发机构和三菱重工联合开发了本国的货运飞船HTV,用于国际空间站补给,自2009年已发射2艘。HTV可载重6吨,最大特点是货物分加压与非加压双舱存储。非加压舱物资由国际空间站的机械臂取出。目前进步号货运飞船和欧洲ATV仅运送站内用物资。航天飞机退役后,HTV成为唯一能为空间站送去外部用物资的货运飞船。
印度ISRO载人飞船计划搭载2人于2016年进行首次载人飞行。不过目前看来这一计划很难按时实现,所以印度同时也在积极寻求俄罗斯的帮助进行本国载人飞行。
