人类探索太空的方舟-回望天地往返运输系统发展历程

石鑫华视觉

    国人瞩目的神舟十号飞船已进入发射最后准备阶段。中国载人航天工程新闻发言人日前宣布，神舟十号飞船将于6月中旬择机发射，3名航天员将再次访问天宫一号。

    “神舟十号飞船将执行我国载人天地往返运输系统首次应用性飞行，主要任务是为天宫一号运送航天员以及实验、消耗物资。相比过去，本次任务对运输种类、数量要求更高。”我国载人飞船系统总指挥张柏楠此前接受科技日报采访时表示，神舟系列飞船经过不断完善，已经具备了成为空间站天地往返运输系统的能力。目前神舟飞船的状态已基本确定，成为了除俄罗斯的联盟TMA飞船之外，国际上尚能使用的两种载人天地往返运输系统之一。

    天地往返运输系统就像人类探索太空的方舟，半个多世纪以来，它负载着人类的梦想，书写了一篇篇太空传奇。回望人类天地往返运输系统的发展，让我们更清楚地了解人类航天技术的发展进程。

    东方1号开创载人航天新纪元

    “前苏联曾研制三个系列的载人飞船，即东方号、上升号、联盟号。”中国航天科工集团公司二院研究员杨宇光博士介绍说。

    1961年4月12日，前苏联航天员尤里·加加林乘坐东方1号飞船，从位于哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心飞上太空，宣告了人类载人航天时代的到来。虽然东方1号飞船仅环绕地球飞行一周，却完整地验证了天地往返运输系统发射入轨、在轨运行、生命保障、测控通信、安全返回所需要的关键技术，证明了人类有能力实现天地往返。

    杨宇光表示，东方1号由载人舱和设备舱构成，重约4.7吨。其载人舱是个直径约2.3米的球体，也是在天地往返过程中唯一回收的舱段，因此在表面涂有烧蚀材料，确保返回过程中的高温不会传到飞船内部。而设备舱承载了飞船在轨姿态控制和返回所需的火箭、电源、测控设备和为航天员提供类似地面大气环境的气瓶等。实践证明，东方号飞船的这种分舱设计理念是比较合理的技术途径，后来绝大部分载人飞船都采用了分舱设计。该系列飞船一共执行了6次载人飞行任务，其中包括人类首次编队飞行的东方3号和东方4号，以及人类历史上第一位女航天员瓦连金娜·捷列什科娃乘坐东方6号的飞行任务。

    于1964年10月12日发射的上升1号飞船，与东方号相比有了很大改进。它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。返回时宇航员不用弹射脱离座舱，而是随飞船一起软着陆。上升1号在轨道上飞行了24小时17分钟，共环绕地球17圈。飞行过程中，3位宇航员工作、饮食、休息，都没有扎上皮带，完全处于自由状态，以充分体验失重状态对人体机能的影响。

    次年3月18日，上升2号飞船发射升空，宇航员阿列克塞·里昂诺夫在此次飞行中实现了人类首次“太空行走”。然而这一壮举几乎让他送命——进入太空几分钟后，他的宇航服如同气球般膨胀起来，不但影响到弯臂曲腿这样简单的动作，甚至使他连飞船舱门都挤不回去。按照操作规程，航天员应该双腿在前“游”入气闸舱，但里昂诺夫已无法实现这样的动作，他不得不改用脑袋朝前的方式进舱，同时数次冒险对太空服放气减压。一番折腾之后，他终于成功实现对航天服的“瘦身”，钻回舱内，而这次冒险使他大汗淋漓，自己的体重也减轻了5.4公斤。

    联盟号是前苏联研制的第三代载人飞船，首次发射是在1967年4月23日，不幸的是这次任务最终变为一场悲剧。当联盟1号飞船围绕地球飞到第18圈时，操纵和稳定出现了明显困难，到实施再入大气层的定向操纵和反推火箭启动时，事故发生了。飞船最终以644公里的时速坠地，宇航员弗拉基米尔·科马罗夫上校不幸丧生。据官方报道，本次事故的原因是降落伞未能张开。

    另一次震惊世界的事故发生在联盟11号。该飞船于1971年6月6日发射并在轨道上与“礼炮1号”空间站对接成功，第二天，飞船上的3名宇航员进入空间站舱室，创造了人类首入空间站的纪录。接下来，宇航员在空间站里度过了23天，进行了天文观测、生物医学试验、远距离摄影等科学考察和实验活动。直至飞船脱离空间站受命返回，任务进展都很顺利，但当飞船落地，人们打开舱盖时却大吃一惊——三名宇航员安详地坐在座位上，但已失去了生命。调查显示，飞船下降时舱内气压迅速下降，导致宇航员突然死亡。

    尽管先驱们付出了生命的代价，人类探索太空的脚步却从未停止，联盟号也在人类航天史上做出了不可磨灭的贡献。“经过不断改进，联盟号飞船直到今天仍作为天地往返运输工具在使用。”杨宇光说。

    阿波罗11号实现人类首次登月壮举

    与前苏联一样，美国也经历了三代载人飞船的研制，分别是水星号、双子星号和阿波罗号。

    “在前苏联取得载人航天巨大成就的情况下，美国为了奋起直追，研制了第一代载人飞船‘水星号’。”杨宇光说。

    他介绍，当时美国的火箭运载能力远不如前苏联，所以水星号飞船体积、质量都很小，且采用单舱结构。但它返回大气层时底部朝下，可以产生一定的升力，使航天员能够通过手动控制调整飞行路线，这种受控再入的方式有利于提高落点精度，被后来所有的载人飞船采纳。

    受运载能力限制，早期水星号飞船只能用经过改造的红石弹道导弹送到亚轨道，在上升到最高点后像弹道导弹一样返回，不能环绕地球。1961年5月5日，航天员艾伦B·谢泼德乘坐水星3号到达186公里的高空，成为美国第一位乘坐飞船升空的人，乘坐水星4号的格里索姆也采用了亚轨道飞行方式。这种方式最大的问题是航天员在返回过程中要承受类似弹道导弹弹头的巨大过载，达到身体重量的11倍，其危险程度可想而知。

    水星4号任务之后，美国有了宇宙神运载火箭，才得以将飞船送入环绕地球的轨道。1962年2月20日，约翰·格伦乘坐水星6号飞船绕地球飞行3圈，成为美国第一个进入地球轨道的航天员。

    双子星号是美国在1964年至1967年发射的双人太空船系列，共12艘，其主要目的是试验太空人手控操纵太空船机动飞行的能力，对发展空间会合及对接技术产生了重要作用。此外，双子星4号任务中，航天员爱华德·怀特进行了长达20分钟的舱外活动；双子星5号完成了8天的飞行，创造了当时太空飞行时间最长的纪录；双子星12号则首次完成自动控制再入地球大气层。

    阿波罗系列是美国研制的第三代载人飞船，但其第一艘飞船却是出征未捷身先死。1967年1月27日，阿波罗1号在例行测试中，因电线火花引发大火，三名宇航员：指令长维吉尔·格里森、高级驾驶员爱德华·怀特及驾驶员罗杰·查菲丧生。

    这场灾难过后，阿波罗系列飞船进行了多次无人及载人飞行试验，并在1969年7月20日，由宇航员尼尔·阿姆斯特朗、巴兹·奥尔德林和迈克尔·柯林斯驾驶阿波罗11号飞船，完成了人类首次登月壮举。接下来，美国又相继6次发射阿波罗飞船，其中5次成功，总共有12名航天员登上月球。

    除三代载人飞船之外，美国天地往返运输工具中还有一个不能不提的传奇——航天飞机。

    “与宇宙飞船相比，航天飞机的功能更强大，用途更广泛。”航天专家、《国际太空》杂志执行主编庞之浩研究员说。

    庞之浩表示，载人飞船每次最多只能运送3人和几百公斤货物，即使是最先进的无人货运飞船，运载能力也不超过10吨。而航天飞机可运载4至7人以及20至30吨货物，能将一些无法用运载火箭发射的航天器送上太空，大大放宽了对有效载荷体积、质量的限制，降低了有效载荷的研制费用。

    航天飞机的另一特点是设有起重能力很强的机械臂等装置，可以在轨道上精确部署各种类型的有效载荷，从而扩展了人类的空间活动规模和范围，“国际空间站”就是最典型的例子。

    此外，航天飞机最有价值的空间活动是能在轨回收、检修卫星，更换或升级卫星的组件。这不仅能节省费用，还能缩短研制周期、提高使用效果。“比如美国用航天飞机5次在轨维修‘哈勃’空间望远镜，使这一价值连城的太空巨眼不断‘焕发青春’，功能多次增强，取得了无与伦比的科学成果。”庞之浩说。

    然而，航天飞机的高成本和高风险成为其致命缺陷。据统计，美国5架航天飞机中损失了2架，共有14名航天员牺牲。

    2011年7月8日，“亚特兰蒂斯”号升空，上演了航天飞机的“谢幕之旅”。至此，历时30年的美国航天飞机时代正式终结。

    神舟飞船设计之初已站在前人的肩膀上

    1999年11月20日凌晨6点30分，我国载人航天计划中第一艘飞船——神舟一号无人试验飞船，在长征2号F火箭的托举下从酒泉航天发射中心升空。飞船共在太空中飞行21个小时，于次日凌晨3时41分成功着陆。

    中国载人航天工程总设计师、工程院院士王永志表示，神舟飞船在设计之初，就站在了前人的肩膀上。

    王永志介绍，前苏联的东方号、上升号，美国的双子星号等早期飞船都采用返回舱和推进舱的两舱设计。随着飞船飞行任务的日益复杂，这样的结构已不能满足航天员对活动空间的需求，也不能满足航天员对特殊疾病的预测，以及心肺功能、前庭功能对航天飞行的适应。

    而神舟飞船则采用了由轨道舱、返回舱、推进舱组成的三舱设计，增加的轨道舱是航天员在太空时的生活舱和工作舱，返回地面之前将其分离，这样可以减小座舱尺寸。

    这次试验取得了一系列技术成就，成功验证了飞船关键技术和系统设计的正确性，以及发射、测控通信、着陆回收等地面设施在内的整个工程大系统工作的协调性，为我国载人航天工程的实施拉开了序幕。

    接下来3年多时间里，我国先后完成神舟二号、三号、四号飞船的飞行任务。在为载人飞行奠定基础的同时，还大量开展了空间生命科学、空间材料、空间天文、空间环境探测及对地观测等方面的研究。

    2003年10月15日9点整，神舟五号飞船由长二F火箭托举升空。这次任务中，人们记住了杨利伟。首位中国航天员造访太空，成为了中国航天事业新的里程碑。

    此后我国载人航天工程更是连创佳绩。在神舟六号任务中，航天员费俊龙、聂海胜在太空遨游115个多小时，实现了我国首次“多人多天”航天飞行；神舟七号任务中，翟志刚、刘伯明、景海鹏三名航天员进入太空，翟志刚身穿我国自主研发的飞天号舱外航天服在太空亮相，成为中国“太空漫步”第一人。

    2011年，我国载人航天舞台上，上演的不再是神舟飞船的“独角戏”。9月29日，我国首个目标飞行器天宫一号发射入轨，一个月后，神舟八号腾空而起，向它追去。11月3日凌晨1点36分，两个航天器在太空“牵手”，完成了我国首次空间无人自动交会对接。

    2012年6月16日，神舟九号飞船带着景海鹏、刘旺、刘洋三名航天员升空，两天后首次把航天员送入“天宫”。本次任务的圆满完成，标志着我国已完全掌握了载人天地往返、航天员出舱活动以及空间交会对接三大载人航天基本技术，为下一步建造空间站、开展大规模的空间应用奠定了良好的基础。

    “神舟十号任务是我国载人航天工程交会对接任务阶段的收官之战。”张柏楠表示，“下一步，我国载人航天工程将进入空间实验室阶段，将发射‘天宫二号’空间实验室，突破货运飞船等技术。按计划，2020年左右我国将建成自己的空间站。”