宇宙飛船(SpaceShip,又稱載人飛船),是保障航天員在地球外層空間生活、工作以及執行航天任務并可安全返回地面的一種大型航天器。宇宙飛船需要用火箭發射,在軌運行后經過制動,沿彈道式或半彈道式彈道穿過大氣層用降落傘和著陸緩沖系統實現軟著陸,宇宙飛船一般乘2到3名航天員。
宇宙飛船的主要設計是艙式飛船,一般由返回艙、服務艙(推進艙)、軌道艙、應急救生裝置等部分組成。宇宙飛船分為衛星式宇宙飛船、登月宇宙飛船和行星宇宙飛船等。全球主要的宇宙飛船項目包括美國的"獵戶座"飛船、俄羅斯的"聯盟"飛船以及中國的"神舟"飛船等。1961年4月12日,發射了第一艘東方號飛船。2003年10月15日上午9時,中國第一艘載人飛船——“”勝利升空。2021年9月16日,搭乘SpaceX龍飛船的4名宇航員抵達國際空間站,這是有史以來首次使用回收的宇宙飛船完成航天飛行任務。
宇宙飛船的應用,它擴展了人類的活動范圍,是進一步大規模開發與利用空間資源的重要手段,對國家的政治、軍事、經濟和科技等方面的發展均有重要的戰略意義。
名目辨析
截至2023年,人類已研制出了3種載人航天器,即宇宙飛船、航天飛機和空間站。它們各有所長,功能互補,其中前2種主要用作天地往返運輸器,后者不返回地面,而是在空間軌道上長期運行。在這3種載人航天器中,宇宙飛船是規模最小、技術最簡單和費用最便宜的一種,因而也是被最先使用的載人航天器。
宇宙飛船,又名載人飛船,一般是指運送航天員到達太空并安全返回的一次性使用的航天器。它能基本保證航天員在太空短期生活并進行一定的工作。它的運行時間一般是幾天到半個月,一般乘2到3名航天員。它必須用火箭發射,在軌運行后經過制動,沿彈道式或半彈道式彈道穿過大氣層,用降落傘和著陸緩沖系統實現軟著陸,它運行時間有限,是僅能一次使用的返回型航天器。
航天飛機則是可以多次使用的載人航天器,宇宙飛船和航天飛機最大區別是它們的外壁。在濃密的大氣層中,速度極快的宇宙飛船和航天飛機,由于它們的外壁與空氣激烈摩擦,要產生極其大量的熱。大多數的宇宙飛船只使用一次,科學家為宇宙飛船精心設計了一件特殊的“避火衣”,它是用“瞬時耐高溫材料”制成的,這是一種特殊纖維材料,是一種低導熱復合材料。而航天飛機要在地球和太空之間往返75~100次,因此一次性“避火衣”就不適用了。航天飛機的超級“避火衣“使用的是陶瓷,一種復合高溫陶瓷。這種”復合高溫陶瓷瓦片”主要由兩部分構成,外層包覆的是高輻射陶瓷材料,內部是導熱系數非常低的耐高溫陶瓷纖維。
發展歷史
早期太空探索
20世紀50年代初,蘇聯和美國開始進行太空探索。人類上天有3個條件,除要研制出載人航天器外,還必須擁有運載力大、可靠性高的運載工具,并應弄清高空環境和飛行環境對人體的影響,并找到有效的防護措施。
東方號是前蘇聯最早的宇宙飛船系列,也是世界上第一個載人航天器。東方號載人航天工程始于20世紀50年代后期,在載人之前,共發射了5艘無人試驗飛船。1961年4月12日,前蘇聯發射了的第一艘“東方號飛船”,開啟了人類首次進入外層空間的航天飛行,它搭載了第一位宇航員尤里·尤里·加加林。前蘇聯航天員加加林乘飛船繞地飛行108分鐘,安全返回地面,成為世界上進入太空飛行的第一人。后在東方號飛船為基礎上,蘇聯改造生產了上升號宇宙飛船,其形狀和尺寸大體上與東方號相似。世界第一個出艙的航天員列昂諾夫乘坐的就是上升號飛船。
美國的第一代宇宙飛船則是水星飛船,總共進行了25次飛行試驗,其中6次是載人飛行試驗。水星飛船計劃始于1958年10月,結束于1963年5月,歷時4年8個月。雙子星座號系列飛船是美國的第二代宇宙飛船,總共進行了12次飛行試驗,其中2次無人飛行和10次載人飛行。水星號飛船計劃始于1961年11月,結束于1966年11月,歷時5年。
美國和前蘇聯登月競賽
阿波羅登月計劃
美國的阿波羅計劃是人類第一次登上月球的工程,始于1961年5月,結束于1972年12月,歷時11年7個月。阿波羅計劃的目的是把人送上月球,實現人對月球的實地考察,并為載人行星探險做技術準備。阿波羅飛船研制出來后,相繼進行過6次無人亞軌道和環地軌道飛行、一次環地飛行、3次載人環月飛行,最后才正式進行了登月飛行。
1968年10月11日發射的阿波羅-7是第一艘載3名航天員的阿波羅飛船。1969年7月16日,美國“阿波羅”11號飛船搭載著宇航員尼爾·阿姆斯特朗升空,并于7月21日5點17分在月球著陸。在實現載人飛行前,阿波羅計劃中只做了不載人的飛行試驗。自阿波羅-7起,到阿波羅-18為止,美國發射了12艘載人阿波羅飛船。直到1972年12月19日,阿波羅17號飛船順利返回地球,標志著該計劃全部結束。
前蘇聯聯盟號系列
前蘇聯為了實現登月,開始設計新一代宇宙飛船,這也就是聯盟號系列的由來。聯盟號系列是前蘇聯使用歷史悠久的宇宙飛船系列,它發展有聯盟號、聯盟-T和聯盟-TM等系列飛船,技術成熟。但也沒有成功實現過載人登月任務。聯盟號能載3名航天員,具有軌道機動、交會和對接能力,可為空間站接送航天員,又能在對接后與空間站一起飛行,是前蘇聯/俄羅斯載人航天計劃中重要的天地往返運輸系統。
聯盟號飛船于1967年4月23日首次發射,至1981年5月,共發射了40艘聯盟號飛船,其中22艘與禮炮號空間站實現對接。聯盟-T飛船是聯盟號的改進型,雖然它的外形、容量和重量與聯盟號大體相同,但技術上做了許多改進。聯盟-T飛船于1980年6月5日首次發射,共發射15艘。后蘇聯對聯盟-T飛船繼續改進,改進型號為聯盟-TM飛船,改進主要涉及飛船的對接系統、通信系統、推進系統、應急救生系統和降落傘系統。
中美俄同臺競技
美國轉向航天飛機
由于發射火箭的成本過于高昂,而火箭的箭體又難以回收,因此研發一種可重復使用、成本低廉、乘坐舒適的載人航天運輸工具已迫在眉睫。在阿波羅計劃開啟后,發射火箭的高昂成本再次擺在人類面前。美國開始尋找新的空間運輸方式,提出研制“航天飛機”這種新的空間運輸系統,并于1971年正式開始研究工作。1981年4月12日,美國“哥倫比亞號航天飛機”進行了航天飛機的第1次空間飛行。后由于挑戰者號爆炸、哥倫比亞號解體等事故的影響,且航天飛機本身在經濟性和安全性上存在問題,這種空天運輸系統于2011年7月20日退出歷史舞臺。
俄羅斯繼承前蘇聯宇宙飛船
前蘇聯也嘗試開發航天飛機---“暴風雪號”,曾于1988年11月15日,“暴風雪號”成功地進行了飛行試驗,后也退出了歷史舞臺。1991年12月26日,前蘇聯宣布解體。俄羅斯繼承了前蘇聯的航天事業,繼續使用聯盟-TM飛船執行載人飛行任務,從1986年5月至2002年4月底共發射了34艘。
在聯盟-TM飛船基礎上,俄羅斯又繼續發展了一系列飛船。2002年10月30日,聯盟TMA-1飛船搭載3人乘員組(扎列京、涅維和隆恰科夫)發射升空,這是聯盟TMA號飛船的。與上一代飛船相比,聯盟號TMA-M使用用基于現代和成熟軟件開發的設備取代制導,導航和控制系統(GN&CS)和機載測量系統(OMS)的機載設備。
2010年7月10日,聯盟TMA-01M飛船搭載3人乘員組(、涅維和隆恰科夫)發射升空,這是聯盟TMA-M號飛船的首航。2016年7月7日,聯盟號MS號宇宙飛船首發,于哈薩克斯坦拜科努爾,搭載一名俄羅斯宇航員、一名宇航和一名日本宇航員員共3人前往國際空間站。
中國的宇宙飛船
上世紀九十年代,中國開始實行載人航天計劃。1993年4月,系統方案論證工作開始。在方案論證階段,為優化總體設計,根據不同階段的飛行任務,研究確定了宇宙飛船有“飛船的標準狀態”(作為天地往返運輸狀態)、“飛船的留軌利用作為交會對接目標狀態”和“飛船初期試驗狀態”3種技術狀態。對每一種狀態都進行了分析和設計,宇宙飛船系統所屬的13個分系統也完成了各自的方案論證。
1995年6月,工業總公司編寫完成了《工程宇宙飛船系統總體方案設計報告》,評審通過后上報國防科工委。1995年12月8日,國防科工委就此報告對工業總公司作了批復。從1999年開始,神舟飛船開始執行航天飛行任務。1999年11月起至2002年12月,分別對神舟一號~四號進行了無人和搭載模擬人測試。2003年10月15日,搭載航天員楊利偉成功執行飛行任務,此后,神舟飛船正式執行中國的載人航天飛行任務。
新一代的宇宙飛船
美國
2006年8月22日,美國開發了新型宇宙飛船,該飛船被命名為“獵戶座”;2014年12月5日,獵戶座飛船首次“探測飛行試驗”取得成功;2022年11月16日,發射升空,執行“阿爾忒彌斯-1”任務;2022年12月11日,獵戶座飛船在經歷了繞月飛行后,重返地球。
另一新型宇宙飛船是2012年,美國的SpaceX公司開始研發的星際飛船(Starship),是美國可重復使用的超級重型運載火箭,該計劃最初被稱為“火星殖民地運輸系統”(MCT),后更名為“行星際運輸系統”(ITS),“大獵鷹”(BFR),2018年改名為“星際飛船”。2021年9月16日,搭乘SpaceX龍飛船的4名宇航員抵達國際空間站,這是有史以來首次使用回收的宇宙飛船完成航天飛行任務。2023年11月18日21時許,SpaceX公司的星艦(Starship)再次進行入軌飛行試驗,計劃飛行90分鐘后進入太空,但第一級助推器分離后不久在空中爆炸解體,第二級飛船則大約飛行10分鐘后在高度148公里處失聯,被迫觸發自毀系統。
俄羅斯
俄羅斯新一代的宇宙飛船則是聯盟MS號系列宇宙飛船。2022年9月21日13時54分(北京時間9月21日21時54分),聯盟MS-22(SoyuzMS-22)宇宙飛船搭乘俄羅斯聯盟-2.1a火箭從拜科努爾航天發射場發射升空。聯盟MS-22飛船搭載了3名乘員,分別為俄羅斯籍航天員謝爾蓋·普羅科皮耶夫、德米特里·佩特林和美國籍航天員弗朗西斯科·盧比奧。2023年9月27日,俄羅斯“聯盟MS-23”飛船成功脫離國際空間站,該飛船搭載謝爾蓋·普羅科皮耶夫、德米特里·佩特林和弗蘭克·魯比奧三人安全返回地球。
中國
中原地區則是一直沿用神舟飛船系列宇宙飛船,如宇宙飛船于2008年9月25日21時10分在酒泉衛星發射中心由新型長征二號系列運載火箭F遙七火箭發射,并進入預定軌道。飛行乘組由3名航天員組成,為、、。于2012年6月16日18時37分在由新型長征二號F遙九火箭發射。與技術狀態基本一致,為進一步提高安全性與可靠性,進行了部分技術狀態更改。神舟十三號宇宙飛船由于2021年10月16日0時23分在發射升空,飛行乘組由3名航天員組成,為、王亞平、。截至2023年11月,神舟飛船已經完成了17次發射,目前仍在軌運行。
另外,中國也一直在開發新的宇宙飛船。2020年5月,由中國航天科技集團所屬中國空間技術研究院自主研制的新一代宇宙飛船試驗船在海南文昌發射場成功發射并順利進入預定軌道。新一代宇宙飛船是中國空間技術研究院研制團隊采用諸多新技術和新產品打造出的下一代天地往返運輸飛行器,尤其是在可靠性、安全性、舒適性、經濟性以及智能化程度等方面有了大幅提升。
印度
印度也有自己的載人航天計劃和宇宙飛船。2023年10月21日,其完成了“加甘揚”載人航天任務的一場關鍵試驗,成功發射了一艘不載人的飛船。飛船到達預定位置后,駕駛艙成功與火箭分離并返回地球,落入孟加拉灣。此次發射任務主要目標是測試宇宙飛船乘員逃逸系統的有效性。印度載人航天任務“加甘揚”計劃2024年執行,屆時印度將首次嘗試將宇航員送上太空。目標是發射宇宙飛船,將3名宇航員送至距地面約400公里的飛行軌道。一段時間后飛船再返回地球,在印度周邊海域降落。
歐洲
相比美國、中國和印度在航天領域取得的進展,歐洲已不在一個水平線上。2023年6月5日,歐洲航天局局長約瑟夫·阿施巴赫爾表示,歐洲航天局正在起草方案,要在未來10年開發出能夠將它的宇航員送入太空軌道并送上月球的航天器,發展自主載人航天能力對歐洲在迅速變化的全球太空競爭中迎頭趕上具有至關重要的意義。
結構與系統
飛船結構
飛船外壁
在濃密的大氣層中,速度極快的宇宙飛船,由于它們的外壁與空氣激烈摩擦,要產生極其大量的熱,這就是所謂的“氣動加熱”。在距離地面60千米左右時溫度達到最高點,在機頭溫度可以達到l000甚至3000攝氏度度。宇宙飛船設計有特殊的外壁,它是用“瞬時耐高溫材料”制成的,這是一種特殊纖維材料,是一種低導熱復合材料。宇宙飛船上這一層材料的厚度是經過計算的,在不同部位的厚度是不同的。激烈摩擦將產生大量的熱,外壁遇到高溫時就會“引火燒身”燃燒起來,其中的有機化合物會發生化學分解和氣化,帶走大量的熱量。在燃燒的同時,形成一層厚厚的多孔炭化層,緊緊地附著在“返回艙“的外壁,這一層炭化層具有極好的隔熱效能,能有效地防止熱量傳入艙內。
載員艙
宇宙飛船的載員艙是宇航員在太空中工作和生活的關鍵部分,它提供了舒適和安全的環境,以保護宇航員免受太空環境的影響。載員艙配備了環境控制系統,以維持適宜的溫度、濕度和氣壓。該系統除了常規的供氧系統外還能過濾空氣,去除有害物質,保持良好的空氣質量。此外,載員艙配備了通信和控制系統,以實現宇航員與地面控制中心的實時通信和數據傳輸,這些系統確保了宇航員與地面之間的有效聯系和指令傳遞。
軌道艙
軌道艙位于飛船前部,為密封艙,外形兩端帶有錐段的圓柱形,前端與附加段連接,后段與返回艙連接,供航天員進出返回艙。軌道艙艙壁設有內開密封艙門和對地觀察窗口,供航天員在地面進出飛船和在空間對地觀察攝影使用。軌道艙外壁裝有貯箱和發動機系統,軌道艙主要是用于宇航員的泄復壓,航天器的泄復壓過程是保證航天員出艙活動的重要環節,而在這個過程中產生的環境噪聲會給航天員帶來影響。
推進艙
推進艙位于飛船后部,為非密封結構,推進艙圓柱段外壁裝有輻射散熱器,兩側裝有一對主電池陣,提供整船在軌運行所需電能推進艙后錐段裝有4臺變軌發動機側壁裝有姿態控制發動機,提供飛船自主飛行所需動力。推進艙前端與返回艙大底相連接,后端與運載火箭飛船支架相連接。
返回艙
返回艙是宇宙飛船的核心艙段,它是飛船上升和返回過程中航天員乘坐的艙段,也是整人飛船的控制中心,返回艙不僅和其他艙段一樣要承受起飛、上升和軌道運行階段的各種應力和環境條件,而且還要經受再入大氣層和返回地面階段的減速過載和氣動加熱。
服務艙
服務艙通常安裝推進系統、電源和氣源等設備,對飛船起服務和保障作用。航天員通過氣閘艙進入太空工作,服務艙的后部是操作遙控機械臂和協助航天員艙外活動的位置,有大量顯示儀表和控制裝置,機械臂控制手柄處于儀表之間。服務艙頂部設置有兩個舷窗,主要用來供航天員觀測軌道器與空間站對接情況。
飛船系統
人工控制系統
為提高系統的可靠性和處理應急情況,宇宙飛船都設有手動控制裝置以及照明、目視觀測和話音圖像通信等設備。
安全返回系統
為確保乘員安全返回,除靠熱防護層和座艙溫度控制外,宇宙飛船的返回艙在返回過程中的制動過載,必須限制在人的耐受范圍內,同時還要求較高的落點精度,以便及時發現。
可靠性安全系統
宇宙飛船的系統和設備必須進行高可靠性、安全性設計,其技術包括制定可靠性、安全性準則,元器件的選擇和控制,故障模式影響分析、危險分析、事件樹分析等。
飛船用途
地球觀測
宇宙飛船的主要用途是太空探索和研究,通過宇宙飛船將宇航員送往太空,以進行各種科學實驗、觀測和研究。宇航員可以在太空中進行微重力實驗、地球觀測、宇宙射線研究等。宇宙飛船還被用于國際空間站(ISS)項目,各國的宇航員可以共同生活和工作在ISS上,開展科學研究、技術測試和太空技術的合作與交流。
星球登陸
宇宙飛船還被用于進行太空登陸,如登陸月球、火星等。未來的宇宙飛船將被用于實現人類的長期太空旅行和建立永久性的太空居住基地。
太空旅游
隨著商業航天公司的崛起,宇宙飛船還被用于太空旅游的目的。私人乘客可以乘坐宇宙飛船進入太空,體驗無重力環境和俯瞰地球的壯麗景色,如2011年8月,俄羅斯宣布將建立第一家太空旅館。一個月后,媒體報道英國公司的全球首座商業性航天港第一階段建設即將完成。
生物觀測和研究
宇宙飛船在太空中還可以進行各種生物的生命生態實驗(如植物種子、幼苗、植株,兼顧小型動物)為實驗樣品,開展擬南芥、線蟲、、等動植物的空間生長實驗,揭示微重力對生物個體生長、發育、代謝的影響,促進人類對生命現象本質的理解。此外,還可以研究空間輻射生物學和亞磁生物學效應與機制,探索建立應用型受控生命生態系統,為航天員在軌輻射損傷評估、防護提供科學依據。
科學實驗
宇宙飛船還可以在太空中進行很多科學實驗,比如鋯金屬熔化與凝固實驗。推桿將一枚直徑不到3毫米的金屬球釋放到無容器材料實驗柜腔體之中,小球被靜電場固定在腔體中間;隨著激光器啟動,金屬球被加熱并且開始熔化;停止加熱之后,小球又開始冷卻凝固,直到完全冷卻后被收回到樣品盒中。最終,這些樣品會交到地面上的科學家手中展開研究。
主要分類
按飛行任務分類
宇宙飛船按照其飛行任務的不同分為:衛星式宇宙飛船、登月宇宙飛船和空間站宇宙飛船。按發射載具分為、。
衛星式飛船
衛星式飛船是指能夠在太空中運行并且依靠衛星進行導航和通信的飛船。衛星式飛船的太空艙通常是一個密封的艙體,可以提供宇航員生存所需的空氣、水和食物等。通常采用火箭發動機或離子推進器運行。
衛星式飛船主要在低地球軌道上進行航天活動,把航天員和物品送入空間站或接回地球,如1961年發射的東方號飛船上升號飛船和,美國的水屏號飛船、,中國的。
登月宇宙飛船
美國于1960年代初研制出登月宇宙飛船,用于將宇航員送往月球并返回地球的飛船,它由航天器、發射火箭和返回艙組成,能夠在太空中運行并具備適應月球表面環境的能力。如。
空間站宇宙飛船
空間站宇宙飛船用于將宇航員送往空間站并進行長期居住和工作的飛船,如國際空間站的聯盟號和龍飛船。
按飛船構型分類
截至2023年,人類已先后研究出三種構型的宇宙飛船,即單艙型、雙艙型和三艙型。
單艙式飛船
單艙式最為簡單,只有宇航員的座艙,美國第1個宇航員約翰·格倫就是乘坐艙型的“水星號”飛船上天的。
雙艙型飛船
雙艙型飛船是由座艙和提供動力、電源、氧氣和水的服務艙組成,它改善了宇航員的工作和生活環境,世界第1個男女宇航員乘坐的蘇聯“東方號”飛船、世界第1個出艙宇航員乘坐的前蘇聯“上升號”飛船以及美國的均屬于雙艙型。
三艙型飛船
最復雜的就是三艙型飛船,它是在雙艙型飛船基礎上或增加1個軌道艙(衛星或飛船),用于增加活動空間、進行科學實驗等,或增加1個登月艙(登月式飛船),用于在月面著陸或離開月面,前蘇聯/俄羅斯的聯盟系列和美國“”飛船是典型的三艙型。
主要宇宙飛船
前蘇聯/俄羅斯宇宙飛船
東方號宇宙飛船
東方1號宇宙飛船,是世界上第一艘宇宙飛船。它由兩個艙組成,上面的是密封載人艙,又稱航天員座艙。這是一個直徑為2.3米的球體。艙內設有能保障航天員生活的供水、供氣的生命保障系統,以及控制飛船姿態的姿態控制系統、測量飛船飛行軌道的信標系統、著陸用的降落傘回收系統和應急救生用的彈射座椅系統。另一個艙是設備艙,它長3.1米,直徑為2.58米。設備艙內有使載人艙脫離飛行軌道而返回地面的制動火箭系統、供應電能的電池、儲氣的氣瓶、噴嘴等系統。東方1號宇宙飛船總質量約為4700千克。它和運載火箭都是一次性的,只能執行一次任務。
上升號宇宙飛船
它由乘員艙和設備艙及末級火箭組成,總重6.17噸,長7.35米。乘員艙呈球形,直徑2.3米,重2.4噸,外側覆蓋有耐高溫材料,能承受再入大氣層時因摩擦產生的攝氏度5000℃左右的高溫。乘員艙只能載一人,有三個艙口。宇航員的座椅裝有彈射裝置,在發生意外事故時可緊急彈出脫險。同時在飛船下降到距離地面7000米的地方,宇航員連同座椅一起彈出艙外,并張開降落傘下降,在達到4000米高度時,宇航員與座椅分離,只身乘降落傘返回地面。設備艙為頂錐圓筒形,長2.25米,重2.27噸,在飛船返回大氣層之前,與乘員分離,棄留太空成為無用之物。
聯盟號系列宇宙飛船
聯盟號飛船飛船由太空艙、指令艙和設備艙三部分組成,總重量約6.5噸,全長約7米,宇航員在軌道艙中工作和生活;設備艙呈圓柱形,長2.3米,直徑2.3米,重約2.6噸,裝有遙測、通信、能源、溫控等設備;指令艙呈鐘形,底部直徑3米,長約2.3米,重約2.8噸。飛船在返回大氣層之前,將軌道艙和設備艙拋掉,指令艙裝載著宇航員返回地面。從聯盟10號飛船開始,蘇聯的宇宙飛船轉到與空間站對接載人飛行,把載人航天活動推向了更高的階段。
聯盟號載人飛船更換了三代,為聯盟號、聯盟-T和聯盟-TM等系列飛船。聯盟-T飛船是聯盟號的改進型,其外形、容量和重量與聯盟號大體相同,但技術上做了許多改進。最后的改進型號為聯盟-TM飛船,改進主要涉及飛船的對接系統、通信系統、推進系統、應急救生系統和降落傘系統。
中國神舟號宇宙飛船
神舟號系列
神舟號宇宙飛船,是由中國自行研制的用于天地往返運輸人員和物資的。飛船可一船多用,既可留軌觀測又可作為交會對接飛行器,滿足天地往返的需求。神舟一號到六號飛船總長均約8m,最大直徑處2.8m,入軌質量不大于8800kg。
飛船由軌道艙、返回艙、推進艙和附加段組成。是航天員生活和工作的地方。返回艙是飛船的指揮控制中心,航天員乘坐其上天和返回地面。推進艙也稱動力艙,為飛船在軌飛行和返回地面提供能源和動力。附加段曾用于安裝專用的空間科學和技術試驗設備,可作為交會對接機構的安裝部位。
中國載人航天工程正式起步于1992年,經過7年的努力,于1999年11月20日6時30分在新建成的宇宙飛船發射場,中國第一艘試驗飛船“神舟1號”由新研制的長征二號F運載火箭發射升空,并準確進入軌道。2001年1月和2002年3月“”和“”又相繼完成了無人試驗。
2003年10月15日9時,中國“”在發射成功,把中國第一位航天員楊利偉送上了太空。宇宙飛船的發射成功,也是中國自1970年4月24日成功發射東方紅一號人造衛星以來,中國航天史上又一座新的里程碑,中國成為繼美、俄之后,世界上第三個掌握載人航天技術,成功發射宇宙飛船的國家。
載人記錄
美國飛船
水星號宇宙飛船
水星號是美國第一個宇宙飛船系列,共發射6艘。1961年5月5日阿蘭·謝潑德乘第一艘水星號飛船進行了亞軌道飛行,揭開了美國載人航天的序幕。1962年2月20日,約翰·格倫乘第3艘水星號飛船進行了首次軌道飛行,成為第一個進入太空的美國人。
“水星”飛船的姿態控制系統以自控為主,另有兩種手控方式作為備份。航天員僅在必要時使用手控裝置控制飛船的飛行姿態,在飛船操縱方面僅起到輔助作用,基本上是一名供地面研究人員了解人對空間飛行環境適應能力的受試驗者。但在飛行中也表現出了人的主觀能動性。
雙子星座號飛船
美國第二個宇宙飛船系列是“雙子星座號”,共發射12艘,其中前2艘未載人。1965年3月23日發射的雙子星座位-3是美國第一艘載2名航天員的飛船。在1965年6月3日發射的雙子星座-4飛船上,懷特出艙21分鐘,成為美國首次太空行走的航天員。
“阿波羅”號飛船
“阿波羅”號飛船是根據美國阿波羅登月計劃量身定做的載人飛船。1968年10月,第一艘載人的阿波羅-7號飛船發射升空。在此之前,阿波羅計劃中只做了不載人的飛行試驗。從阿波羅-7號到阿波羅-18號,美國發射了12艘阿波羅宇宙飛船。其中1969年7月16日發射的阿波羅11號于7月20日實現了人類歷史的首次登月,1971年7月26日發射的阿波羅-15號飛船首次把一輛月球車送上月球。在整個阿波羅計劃中,共有6次登月成功,12名宇航員登上月球。
“阿波羅”11號飛船于1969年7月20~21日首次實現人登上月球的理想。此后,美國又相繼6次發射“阿波羅”號飛船,其中5次成功,總共有12名航天員登上月球。飛船由指揮艙、服務艙和登月艙3個部分組成,其中指揮艙是全飛船的控制中心,也是航天員飛行中生活和工作的座艙;服務艙采用輕金屬蜂窩結構,周圍分為6個隔艙,容納主發動機、推進劑貯箱和增壓、姿態控制、電氣等系統。前端與指揮艙對接,后端有推進系統主發動機噴管;登月艙由下降級和上升級組成。
“獵戶座”飛船
獵戶座飛船是()主導、研制、負責服務艙研制的航天飛船,是NASA“星座”計劃中的關鍵組成部分,是“阿爾忒彌斯”計劃的關鍵。獵戶座(CM-002)飛船由乘員艙、服務艙、發射緊急中止系統構成。飛船可搭載4名航天員,起飛總質量35.4t,入軌質量26.5t,總加壓容積19.56,可居住容積8.95m3。按規劃,獵戶座飛船于2024年11月搭載4名宇航員進行繞月飛行,飛行預計持續10天左右;于2025年搭乘4名航天員進入繞月軌道,把2名航天員轉移到登月艙上并踏上月球表面。
星際飛船
2012年開始,美國的SpaceX公司研發了星際飛船(Starship),是美國可重復使用的超級重型運載火箭。星際飛船可以完成多種航天飛行任務,包括太空旅游、地月運輸、火星殖民、星際運輸與洲際運輸,而且其著陸可靠性最終能達到“航空公司水平”,計劃是取代獵鷹9號、獵鷹重型運載火箭以及龍飛船等。
私人宇宙飛船
“山貓”(Lynx)
“山貓”(Lynx)的亞軌道飛行器由加利福尼亞州莫哈韋的XCOR宇航公司生產,2008年該公司推出該型號的設計,可以載一名飛行員和一名乘客?!吧截垺笨梢詮钠胀C場跑道用火箭動力起飛,實施亞軌道飛行,然后回到地面在跑道上著陸。
銀鏢
芝加哥PlanetSpace公司的航天飛機“銀鏢”可安裝一個亞軌道火箭發動機,用于進行地球上的點對點飛行?!般y鏢”能夠以高超音速的速度飛行2.5萬英里(約合4.0233萬公里)。PlanetSpace首席執行官杰夫·謝里恩表示,借助于這個系統,20分鐘內從紐約到巴黎絕對不成問題。
前蘇聯RRV
馬恩島的Excalibur Almaz有限公司購買了前蘇聯的幾個可重復使用返回型航天器(RRV)。這種飛船在設計上用于將宇航員送上上世紀70年代的秘密空間站Almaz。Excalibur Almaz尚未公布一周太空之旅的費用,但已計劃采用現代技術對RRV飛船的設計進行升級。RRV飛船由一個用于發射和返回的錐形RRV以及一個一次性服務艙構成,飛船可搭乘3個人,包括一名指揮官和兩名乘客。
追夢者
美國科羅拉多州森特尼爾的“內華達山脈”公司子公司SpaceDev正在開發可容納7人的飛船“追夢者”,在設計上利用阿特拉斯5型火箭將宇航員送入太空。在2010年2月舉行的一場商業乘員開發比賽中,SpaceDev從美國航空航天局手中獲得2000萬美元。
Vertical Tourships
美國弗吉尼亞州旅游公司“太空冒險”計劃出售太空游門票,他們使用的是宇航公司開發的新型亞軌道火箭動力飛船。位于得克薩斯州的“犰狳”是電腦游戲大亨約翰·卡爾麥克資助的一家公司。
太陽舞者
美國內華達州拉斯維加斯的Bigelow宇航公司提出了一種與眾不同的空間站設計,即用一個個“太陽舞者”組裝成一個太空站。“太陽舞者”是一種載人太空艙,可在太空充氣。多個太空艙組合在一起構成一個太空站甚至一個月球基地,能夠支持3名宇航員的存在。Bigelow已經發射了兩個原型艙——“起源1”號和“起源2”號。雖然是無人操控太空艙,但仍在繞軌道運行。
New Shepard
亞馬遜網站創始人杰夫·貝索斯創建的太空旅游公司“藍色起源”(Blue Origin)位于華盛頓州肯特市。這家公司對于外界來說仍舊是一個謎。對于“藍色起源”的太空飛船——New Shepard亞軌道航天器,人們對該飛船了解不多,只知道是由一個安裝在推進艙上方用于進行實驗的密封乘員艙構成,能夠將宇航員送入距地球75英里(約合120公里)的太空。美國航空航天局已向“藍色起源”注資370萬美元,用于研發宇航員逃生系統并建造一個復合材料太空艙原型。
天鵝座
美國弗吉尼亞州杜勒斯的衛星發射公司“軌道科學公司”(Orbital Sciences)計劃借助其先進機動飛船“天鵝座”進軍太空飛行世界。圓柱形“天鵝座”將搭乘“軌道科學”的金牛座2型火箭發射升空。它攜帶一個加壓貨艙,最大有效負荷為5952磅(約合2700公斤)。“天鵝座”的設計采用無人操控方式?!败壍揽茖W”已經與美國航空航天局簽署一項價值19億美元的合約,負責完成8次貨物運輸,將貨物送上國際空間站。
太空船二號
美國企業家理查德·布蘭森及其位于新墨西哥州的維珍銀河公司,利用“太空船二號”提供亞軌道太空游服務,費用為20萬美元?!鞍咨T士二號”負責將搭載2名飛行員和6名乘客的“太空船二號”送入距地5萬英尺(約合1.6萬米)的高空。達到這一高度后,“太空船二號”將脫離“白色騎士”,同時點燃火箭發動機,最高可進入距地68英里(約合110公里)的太空。“太空船二號”的受控運載試飛正在進行當中。
龍太空艙
加利福尼亞州霍索的SpaceXSpaceX研制出獵鷹9型火箭,用于發射“龍”太空艙。這種太空艙首先可能用于向國際空間站運送貨物,而后再負責運送宇航員。“龍”太空艙在設計上最多可搭載7名乘客。
未來發展
核動力宇宙飛船
美國宇航局一直在研制新一代的核動力宇宙飛船。此舉不但可使未來的星際探測節省數十億美元,而且還可縮小運載火箭的尺寸與重量。NASA航天核研究中心有關專家認為,如果為宇宙飛船安裝核動力系統,那么執行月球基地建設任務的費用將大幅降低,建設速度也會明顯加快。尤其是使用核動力發動機,還有助于減少對月球環境的破壞。
深空宇宙飛船
隨著人類對太空探索的興趣不斷增加,未來的宇宙飛船將能夠支持更遠的探索任務,如人類登陸火星或其他行星。這些飛船需要具備更長的飛行時間、更強大的推進系統和更先進的生命保障系統。
商業宇宙飛船
隨著私營航天公司的崛起,例如,SpaceX的龍飛船已經開始向國際空間站運送宇航員,而其他公司也在開發自己的宇宙飛船,如的CST-100星際飛船。商業宇宙飛船的發展將促進太空旅游和商業太空活動的發展。
多國合作宇宙飛船
國際合作在宇宙飛船領域將繼續發揮重要作用,比如國際空間站是多個國家合作的成果,今后可能會有更多的國家加入,共同開發和使用宇宙飛船。這種合作有助于分享成本和技術資源,推動太空探索的進一步發展。
相關事件
人類首次太空對接險些失敗
1966年3月17日,美國雙子星8號宇航員進行了人類首次太空對接。雙子星座8號的宇航員進行了首次太空對接。之后不久,由于飛船損傷系統突然失靈,宇航員們不得不進行緊急著陸處理。宇航員尼爾·A·阿姆斯特朗和戴維·R·斯考特在計劃為期3天的飛行使命中的第5圈飛行時,操縱其雙子星座封艙與阿根納號宇宙飛船對接成功。半小時后,雙子星號密封艙開始旋轉并失去控制。接著,宇宙飛船上12只小型助推火箭中的一只原因不明地起火。宇航員隨即將其飛行器與阿根納號分離,并成功地在太平洋上濺落。
聯盟1號飛船返回墜毀
1967年4月,蘇聯擬用新研制的進行計劃中的登月飛行交會對接模擬試驗,安排聯盟1號、聯盟2號分別于4月23日、4月24日發射,然后于4月25-26日在地球軌道上交會對接,并實現空間轉移。4月23日凌晨3時35分,弗拉基米爾·M·弗拉基米爾·科馬羅夫乘坐聯盟1號飛船,從拜科努爾發射場準時發射升空。飛行到第2圈時,電源出現故障。盡力排除故障,試圖啟動飛船發動機以穩定飛行,但沒有成功。飛到13圈時,恢復了同地面飛控中心的通信聯絡。但飛船故障未消失,姿態仍不穩定。飛控中心決定,聯盟2號中止發射,立即應急返回。第17圈時,飛船調姿失敗,未能返回。第19圈時,科馬羅夫手動控制返回,使飛船進入了返回軌道。當飛船按返回軌道降落至離地面10公里高度,該打開主降落傘時,地面指揮人員聽到了說:“降落傘沒有打開!“4月24日6時24分,飛船帶著一團火光,以每秒100多米的速度沖向地面,降落于地區奧爾斯克以東65公里處,并發出幾聲猛烈的爆炸聲。科馬羅夫當場犧牲。
聯盟11號返回時空氣泄漏
1971年6月6日,前蘇聯聯盟11號飛船從拜科努爾發射場發射升空,載著肩負首批進入禮炮1號空間站重任的3名航天員,朝空間站飛去。這3名航天員是喬治·多勃羅沃爾斯基、弗拉基斯拉夫·沃爾科夫、維克多·帕查耶夫。飛船經變軌飛行后,在距空間站100米的地方開始交會對接,并獲得成功,3名航天員打開艙門進入了空間站。
1971年6月29日下午9時,3名航天員離開禮炮1號返回。但3人都未穿航天服。飛船離開空間站后飛行了4個多小時,并保持著同地面上的聯系。1971年6月30日1時35分,飛船按程序啟動制動火箭。在再入大氣層前,返回艙和軌道艙分離。但連接兩艙的分離插頭分離后,返回艙的壓力閥門被震開,密封性能被破壞,返回艙內的空氣從該處泄漏,艙內迅速,致使航天員因急性缺氧、體液沸騰而死亡。
社會評價
宇宙飛船的應用,使人類實現了載人航天的壯舉,它擴展了人類的活動范圍,是進一步大規模開發與利用空間資源的重要手段,對國家的政治、軍事、經濟和科技等方面的發展均有重要的戰略意義。(《國際太空》評)
宇宙飛船的發展對于探索宇宙和開發太空資源具有重要意義,也為人類太空探索的進一步發展奠定了基礎。(文獻作者苑藝等人 評)
參考資料 >
維珍銀河SpaceShip Two飛船內部設計曝光:“由宇航員體驗驅動”.今日頭條.2023-11-22
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龍樂豪院士:航天飛機開始就是錯的.中國科學院.2023-03-28
27年前超級大國蘇聯解體成15個國家,當年發生了什么.今日頭條.2023-11-22
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回眸 | “神二”飛天22周年,回顧“神舟號”載人飛船總體方案形成過程.中國載人航天工程.2023-02-17
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“獵戶座”載人飛船命名由來.中國載人航天工程.2023-07-07
SLS首飛成功,重返月球的“阿爾忒彌斯”計劃拉開帷幕.光明網.2023-07-03
時評 | 期待再次“失敗”后的成功.今日頭條.2023-11-22
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接力騰飛的“圓夢乘組”,在軌出差過半!.中國載人航天工程.2023-03-02
新房客入??!神十六乘組進駐空間站.央視新聞.2023-06-05
點火起飛!神舟十七號飛船發射升空.今日頭條.2023-11-03
印度進行載人航天關鍵試驗,發射一艘不載人飛船.今日頭條.2023-11-22
歐航局擬自主研發載人航天器.今日頭條.2023-11-22
當代宇宙飛船的發展 - 中國知網.中國知網.2021-08-18
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神舟七號載人航天飛行任務圓滿成功 國新辦在京舉行新聞發布會.中國載人航天工程.2023-02-17
人民網評:神八升空 夢更近了.中國載人航天工程.2023-02-17
中國載人航天工程總指揮常萬全宣布神舟九號飛船發射成功.中國載人航天工程.2023-02-17
神舟十號飛船發射取得圓滿成功.中國載人航天工程.2023-02-17
神舟十一號載人飛船發射圓滿成功.中國載人航天工程.2023-02-17
神舟十二號載人飛船發射圓滿成功.中國載人航天工程.2023-02-17
神舟十四號載人飛船發射取得圓滿成功.中國載人航天工程.2023-02-17
神舟十五號載人飛船發射取得圓滿成功 空間站關鍵技術驗證和建造階段12次發射任務全部完成.中國載人航天工程.2023-02-17
一覺醒來他們到地球了!出差186天,神十五都忙了啥?.中國網.2023-06-05
祝賀!神舟十六號載人飛船發射取得圓滿成功.央視新聞.2023-06-05
更多資訊請下載央視新聞客戶端.央視新聞客戶端.2023-11-03
世界載人飛船發展歷程(五)|航天員|雙子星座_網易新聞.網易新聞.2021-12-07
徐令予:用長征五號實現載人登月 我來提個初步設想.觀察者網.2021-12-07
SLS首飛成功,重返月球的“阿爾忒彌斯”計劃拉開帷幕.中國載人航天.2023-06-30
圖說|重返月球要幾步?NASA公布2024年繞月飛行名單.澎湃新聞.2023-07-16
美國XCOR宇航公司申請破產.今日頭條.2023-11-23
十大私人飛船即將成真:航天飛機票9.5萬美元.新浪科技.2023-11-23
十大私人飛船即將成真:Lynx太空船票9.5萬美元(2).新浪科技.2023-11-23
科技史上的3月17日 中國CN域名開放注冊.今日頭條.2023-11-22
俄羅斯國家航天集團公布失事“聯盟-11”號飛船乘組人員談話內容.今日頭條.2023-09-04