1.我国载人航天从飞船起步的原因
我国决定实施载人航天工程时,国际上已经有了航天飞机,那我国为什么仍然选择从飞船起步呢?
原因就在于从飞船起步是符合我国的具体国情的。原苏联和美国都是从载人飞船起步的,苏联后来建立了太空站,致力于长期载人航天研究活动;而美国则发展航天飞机,实现了部分重复使用,建立了航天器与运载器相结合的天地往返运输系统。
实际上,航天飞机集中了当时所有高新技术,可以多次使用,不仅能载人,还能发射卫星。而飞船则不能重复使用。但航天飞机的投入太大,重复使用时更换部件的花费同样不菲,而我国的航空技术并非我们的优势,同美国的差距较大。相对来说,飞船的技术不是那么复杂,而且可靠性高。
我国在1992年开始研制载人飞船之前,航天领域的专家们曾为这个问题进行了近5年的研究,对从研制飞船起步或是越过载人飞船直接发展航天飞机的多种技术方案进行了充分的论证、比较、分析,最后根据我国的国情和国力,一致同意从飞船起步。同时考虑到我国在运载火箭和应用卫星方面已拥有相当坚实的技术基础和丰富的研制经验,以及有可能借鉴国外研制载人飞船的经验,我国可一步到位研制第三代飞船——多人多舱的载人飞船。
2.“神舟”六号创下的“第一”
(1)首次多人遨游太空
“神五”只有杨利伟一名乘客,而2005年10月12日,太空迎来了两名客人——中国“神六”的两名航天员费俊龙和聂海胜。
人数的增加给飞行任务的各个环节和工程各系统都带来了不同程度的变化。比如,携带的装备要增加一倍,两名航天员存在协同配合的问题等等。双人飞行比单人飞行更能全面地考核飞船和工程其他系统的性能。
(2)首次多天空间飞行
“神五”仅飞行了21个小时,绕地球14圈。费俊龙和聂海胜在轨运行多天,飞行圈数和距离大大增加。在空间停留的时间越长,意味着发生问题的概率越大,飞行控制越复杂。飞控系统人员对计算机终端进行了更新,数据记录方式也实现了更新换代。“神六”制定了在轨运行时的150余种故障模式和对策,如果故障严重,飞船在每一圈都能应急返回。
(3)首次进行空间实验
“神五”飞行中,杨利伟一直呆在返回舱内,没有进行空间科学实验操作。这一次,两名航天员从返回舱进入轨道舱生活并开展了空间科学实验。这是我国第一次有人参与的空间科学实验。
科学实验如果没有人的参与,实验的内容和效果将受到很大的限制,人的参与将使空间科学实验实现质的飞跃。
(4)首次进行飞船轨道维持
2005年10月14日5时56分,在北京航天飞行控制中心的统一指挥调度下,“神六”进行首次轨道维持。飞船发动机点火工作了6.5秒。稍后,航天员报告和地面监测表明,首次轨道维持获得圆满成功。因受大气阻力和地球引力的影响,飞船飞行轨道会逐渐下降。为确保正常运行,飞行控制专家按预定计划,决定在“神六”飞行到第30圈时,对飞船轨道进行微调,使其轨道精度更高。
(5)首次飞行达325万千米
杨利伟乘坐“神五”飞行了60万千米,而此次“神六”以每秒约7.820185千米的速度,在距地面343千米的圆形轨道飞行。飞行距离达325万千米,费俊龙和聂海胜因此成为飞得最远的中国人。
(6)首次太空穿脱航天服
“神五”飞行中,杨利伟一直穿着舱内航天服,而这次两名航天员第一次脱下舱内航天服到轨道舱活动。航天服实际上不仅仅是服装,更是载人航天的个体防护保障系统。这次使用的航天服与上次杨利伟穿的一样,只不过杨利伟没有脱过。航天服重量10多千克,经过训练,他们都能在两三分钟内完成穿脱。
(7)首次在太空吃上热食
“神五”飞行的21个小时里,杨利伟只吃了小月饼等即食食品,喝的是矿泉水,而这次两名航天员在太空中第一次吃上了热饭热菜。中国人喜欢吃热餐,长时间飞行一定要有食品加热装置,所以这次航天食品专家们专门设计了一个食品加热装置,能在30分钟里加热食物。
(8)首次启用太空睡袋
杨利伟躺在座椅上睡了两觉,其间熟睡有半个小时。这次飞行,两名航天员第一次用上太空睡袋,睡觉时间增多了。飞行时间加长后,航天员必须有足够的睡眠,才能保证身体的健康和科学实验的正常开展。这次专家们用保暖织物设计了太空睡袋,固定在轨道舱舱壁上,以供航天员休息。
(9)首次设置大小便收集装置
杨利伟在太空没有上厕所,“神六”首次在轨道舱里装备了大小便收集器。在太空,上厕所是个麻烦事。上次飞行中杨利伟使用了类似“尿不湿”的小便收集装置。而“神六”增加了一个大小便收集器,能够强力吸走排泄物,同时通过除臭装置除去异味。
(10)首次全面启动环控生保系统
“神六”首次全面启动了环境控制和生命保障系统。通过110多项技术改进,这艘飞船提高了冷凝水汽的能力,确保飞船湿度控制在80%以下;改进了座椅的着陆缓冲功能,不仅保护了航天员,还能让航天员在返回途中靠座椅提升,能移看到舷窗外的情况。
(11)首次增加火箭安全机构
与上一枚火箭相比,发射“神六”的长二F火箭有75项技术改动,其更加安全、可靠和舒适,也有了更多的功能。为了确保航天员的安全,这枚火箭第一次在逃逸发动机上增加了安全机构,防止火箭误点火等现象的发生,进一步提高了火箭发射的安全性。
(12)首次安装了摄像头
发射“神六”的长二F火箭上第一次安装了摄像头,可以把火箭从起飞到船箭分离等动作的画面实时传回,地面可以更加准确地观测和判断火箭状态。这一次在火箭上增加了两个摄像头,一个装配在整流罩内,一个则被安装到火箭外面。
(13)首次启用副着陆场
与“神五”着陆场系统相比最大的不同在于,“神六”飞行任务首次全面启用了位于酒泉附近的副着陆场。由于目前技术条件的限制,我们还无法对多天内的气象变化进行精确预报。因此,在选择飞船着陆时间时,无法保证主着陆场的气象条件适合降落。副着陆场与位于内蒙古中部草原四子王旗的主着陆场相隔1000千米,可以起到气象备份的作用。
(14)首次启动图像传输设备
火箭的监视器——车载遥测站分布在酒泉、渭南、青岛三地,主要负责运载火箭发射飞行全过程中遥测测量任务,这些数据可以使地面指挥人员实时掌握火箭的运行状态。这次分布在酒泉的设备中新增了图像传输设备,由我国自主研发,并第一次使用。这一设备能够将发射过程的图像实时传送到地面,这和以前只能通过三维动画来模拟火箭的飞行状态相比,是一个大的飞跃。
(15)首次使用新雷达
“神六”的主着陆场首次使用了LAP-3000风廓线雷达和102米高的测风塔,大大提高了对浅层风的预报精度。
(16)首次全程直播载人发射
在“神六”发射过程中,中央电视台组织了强大的阵容,首次直播了载人航天发射的全过程,让全国人民乃至全世界都看到了“神六”精彩的表演。
3.神舟1~5号飞船的不同之处
神舟号飞船是我国航天部门花费10多年时间精心打造的载人飞船,它具有起点高、实用性强、一船多用、舒适度高等特点。
从1999年以后,神舟号飞船共进行了5次飞行,每次都成功升空,出色完成任务后安全返回地面。参加研制和试验的广大工作人员,克服了许多困难,进行了创造性的劳动。在技术上每次飞行试验都向前跨了一大步,逐步完善设计,最终达到神舟5号可以万无一失地载着我们中国自己的航天员飞向太空,实现千年飞天梦想。
载人飞船的首要目标就是要让它能成功升空和返回。神舟1号飞船是我国发射的第一艘试验型飞船,船上配备的设备和软件都比较简单,其中轨道舱除装有分离的供电设备外,没有其他设备,只起配重作用。1999年11月20日,神舟1号飞船发射成功,它绕地球飞行14圈后,以惊人的精确度降落在着陆场,取得了圆满成功。
2001年1月10日发射成功的神舟2号是第一艘正样飞船,虽然载人所需的设备还不够齐全,但轨道舱已经是正式产品,并载有许多空间试验设备。
神舟3号是2002年3月25日发射成功的,它在神舟2号的基础上进行了改进,增加了部分载人所需设备和保证航天员安全的逃逸救生功能,尤其是首次装载了模拟人。
2002年12月30日,神舟4号飞船发射成功,它在神舟3号飞船成功飞行的基础上,进一步改进和完善了载人所需的各种设备和技术。
虽然神舟4号仍是不载人的飞船,但是在设备配备和技术上已经达到了可以载人的程度。在地面测试的时候,已经让航天员穿着航天服进入载人密封舱一起参加测试,通过电视屏可以看到他们在舱内悠闲地看着文件,按照指令进行操作。总共有3批航天员进入了神舟4号飞船的载人密封舱,每批航天员都要在舱内停留好几小时,出来后,询问他们感觉怎么样?他们都说很舒服,这是神舟1号到神舟3号飞船所不能达到的。
2003年10月15日、16日,神舟5号飞船发射、回收圆满成功。作为我国第一艘载人飞船,神舟5号在神舟4号的基础上,对乘坐的安全性和舒适性又做了进一步的改进和完善,并且按照乘坐1名航天员的要求做了修改。
神舟5号飞船是自动化程度非常高的载人飞船,为保证航天员的生命安全,做到“平安上去,安全下来”,飞船上配备有多种安全飞行模式,在正常情况下飞船是完全自动飞行的,当出现故障时,一般都可以自动切换到备份设备上工作,也可以由地面通过遥控进行这种切换,航天员也可以使用自动驾驶仪表上的手动控制功能来做这些事。
从神舟2号到神舟5号飞船,每艘飞船上装载着的空间试验设备都是不一样的。因此,我国在神舟号飞船的发射中已获得了大量的空间技术和空间实验研究成果。
4.神舟七号飞船的返回
在神舟七号飞船顺利发射入轨、成功进行了各项太空实验、圆满完成太空行走任务后,航天员和地面相关人员最紧张的一刻就要来临。飞船将在短短40分钟内,把速度从每秒7.8千米降为零,高度从343千米到地面。这一切是怎样完成的呢?
下面我们将以飞船返回程序为顺序,从最关键时刻和动作出发,为您再现神舟七号返回地球的惊心动魄。
(1)神七飞船返回变轨
飞船在轨最后一圈时,位于南太平洋海域的远望号航天测量船向飞船发出姿态调整、轨道舱与返回舱分离、制动点火等一系列指令。经过60秒,飞船将姿态调整到与当地成铅垂状态。接到变轨命令后,推进舱上的制动(变轨)发动机开始点火,该发动机要持续工作146秒。随后飞船进入过渡轨道,此时飞船只有返回大气层一种选择,已不能再次回到原来轨道,所以此前的精确测控十分重要。而这时飞船正在飞越非洲大陆上空。
(2)再入大气层
10分钟后,飞船经过南亚次大陆上空。飞船即将进入再入点,返回舱启动调姿发动机以调整姿态,将自身稳定在预定的配平攻角,保证与大气层接触的初始角度不变。航天员向地面汇报情况,返回舱与推进舱分离,轻装上阵。
几分钟后,飞船从新疆上空进入中国国境。很快,返回舱接触稠密大气层,舱外温度最高点升至7000℃以上。飞船滚转发动机工作,返回舱调整滚动角度,以控制返回着陆点在预定地区内。这时返回舱周围的高温空气和挥发物形成离子体,无线电波难以穿透,飞船进入所谓的“黑障区”,一切通讯中断。
3分钟后,着陆场站测控设备发现飞船返回舱踪迹。又过3分钟,返回舱距地面9千米时,主伞舱盖打开。一分钟内,大引导伞、小引导伞、稳定伞相继打开返回舱下落速度由每秒200米降至每秒80米。
在离地面7千米高度时,稳定伞牵引出主降落伞。按计划搜救直升机在这时应已发现目标。为避免负荷过大导致主降落伞撕裂,主降落伞先呈收口状展开,然后伞衣慢慢松口,最后呈完全张开的状态。返回舱速度降低至每秒10米以内。返回舱防热大底抛掉,露出底部的缓冲火箭。返回舱信标机伸出天线开始工作,以便于搜救人员定位。
在返回舱距地面还有1~1.5米时,缓冲火箭启动,返回舱以每秒1米的速度轻轻着陆。主降落伞与返回舱脱离,以避免大风将返回舱拖走。
这时搜救人员已经乘直升机和车辆抵达着陆点。只有在搜救人员确认航天员健康无碍后,神舟飞船的又一次飞行才算真正取得完全的成功。
5.中国不造航天飞机而造载人飞船的原因
既然航天飞机代表着世界航天技术的先进水平,以跨越追赶方式进行的中国载人航天工程为何还要从载人飞船起步呢?
早在20世纪80年代末,在中国航天界就造载人飞船还是造航天飞机曾进行过广泛深入的比较论证。最终,载人飞船方案成为唯一的胜者。为什么载人飞船独受青睐呢?科学家和设计师们提出了他们的理由。
一是我国已拥有研制和发射飞船的技术基础和条件,而不具备研制航天飞机的优势。比如,对长二捆运载火箭进行适应性改造,就可以发射飞船;我国在卫星返回技术和防热材料研制方面经验丰富;通信卫星和导弹控制技术为突破飞船的运行、返回控制技术提供了借鉴。
二是航天飞机与载人飞船相比,结构复杂、技术风险大、研制周期长。研制航天飞机要靠航天和航空技术优势,我国在先进飞机制造领域还不具备如此复杂的技术能力。即便是科技力量雄厚的美国,研制成功的航天飞机至今还有许多技术安全问题还没有完全解决,投入使用以来已造成两次重大事故和14名航天员遇难。而载人飞船结构简单、技术成熟、研制周期短,从1971年6月苏联联盟11号飞船坠毁以来,至今未发生重大事故。
三是载人飞船的研制和运行成本低,更符合中国国情。我国研制的多用途载人飞船既可运送航天员,又可向未来的空间站运输物资,还能作为空间站轨道救生艇使用,它的留轨舱还能承担科学实验任务。而航天飞机无论是造价、发射和返回着陆场建设费用,还是运行和维修费都相当昂贵。
四是有利于载人航天分阶段持续发展。掌握载人飞船技术对于研制空间实验室十分有利,而且飞船与空间实验室或空间站对接后还可以作为一个舱。目前,我国实施的载人航天三步走计划的后两步——建设空间实验室和空间站只能在载人飞船的基础上进行。
通过深入的比较论证,中国科学家们最终达成了共识,确定了我国载人航天的发展方向,即从载人飞船起步。