前蘇聯(lián)如何發(fā)展載人飛船

李大耀

前蘇聯(lián)自1958年開(kāi)始發(fā)展載人飛船,截至其1991年12月完全解體止,共研制成功“東方號(hào)”、“上升號(hào)”、“聯(lián)盟號(hào)”、“聯(lián)盟T號(hào)”和“聯(lián)盟TM號(hào)”載人飛船。前蘇聯(lián)解體后,俄羅斯繼承了前蘇聯(lián)的載人航天技術(shù),繼續(xù)研制發(fā)射“聯(lián)盟TM號(hào)”載人飛船。上述這5種載人飛船按它們的發(fā)展順序、主要目的和技術(shù)水平,可以分為第一代和第二代。

前蘇聯(lián)的第一代載人飛船

前蘇聯(lián)的第一代載人飛船主要用來(lái)驗(yàn)證在幾天時(shí)間內(nèi)載人航天的可行性,基本上由返回艙和儀器艙兩個(gè)艙段組成。返回艙是航天員的座艙,為密封艙。其容積小,采用彈道方式返回地面。這一代飛船有2個(gè)型號(hào):“東方號(hào)”載人飛船和其經(jīng)改裝而成的“上升號(hào)”載人飛船。

1、“東方號(hào)”載人飛船

“東方號(hào)”載人飛船為前蘇聯(lián)、也是世界上的第一種載人航天器,1958年開(kāi)始研制,只能載1名航天員。該飛船起飛重量4725公斤,其中返回艙重量2460公斤。返回艙外形為圓球形,直徑2.3米,自由空間容積1.6立方米?！皷|方號(hào)”載人飛船于1961年4月～1963年6月共進(jìn)行了6次載人航天,每次飛行的持續(xù)時(shí)間最短約1.5小時(shí)、最長(zhǎng)約6天。其中,第三、四次(即1962年8月發(fā)射的“東方”3號(hào)、4號(hào)載人飛船)和第五、六次(即1963年6月發(fā)射的“東方”5號(hào)、6號(hào)載人飛船)還進(jìn)行了兩艘飛船的編隊(duì)飛行。2兩艘飛船之間的距離最近時(shí)為5公里。

在用“東方號(hào)”飛船進(jìn)行載人航天前,前蘇聯(lián)于1960年5月～1961年3月發(fā)射了5艘稱為衛(wèi)星式飛船的無(wú)人試驗(yàn)飛船。其中,第一艘裝人體的模擬件,其返回艙返回時(shí)因制動(dòng)火箭定向不準(zhǔn)確未能轉(zhuǎn)入返回軌道;第三艘載2條狗,其返回艙在返回過(guò)程中因再入角大而被燒毀;第二艘(載2條狗)和第四、五艘(均載1條狗和1個(gè)航天員模擬件)的返回艙均成功回收。

2、“上升號(hào)”載人飛船

“上升號(hào)”載人飛船為“東方號(hào)”載人飛船的改型產(chǎn)品,起飛重量約5.5噸。該飛船首次實(shí)現(xiàn)了1船載3名航天員和進(jìn)行了航天員出艙活動(dòng)試驗(yàn)。

“上升號(hào)”載人飛船只進(jìn)行了2次載人航天,每次飛行時(shí)間約1天。其中,1964年10月第一次發(fā)射的“上升1號(hào)”載人飛船載3名航天員;1965年3月第二次發(fā)射的“上升2號(hào)”載人飛船載2名航天員,有1名航天員出艙在艙外空間逗留20多分鐘。為適應(yīng)航天員出艙的需要,“上升2號(hào)”增加了1個(gè)氣閘艙。

在“上升號(hào)”飛船進(jìn)行的上述2次載人航天之前,前蘇聯(lián)于1964年10月和1965年2月分別發(fā)射了與“上升1號(hào)”飛船結(jié)構(gòu)相同的“宇宙47號(hào)”無(wú)人飛行器、與“上升2號(hào)”飛船結(jié)構(gòu)相同的“宇宙57號(hào)”無(wú)人飛行器,進(jìn)行了“上升號(hào)”載人飛船的先驗(yàn)性試驗(yàn)。

前蘇聯(lián)的第二代載人飛船

前蘇聯(lián)第二代載人飛船起先主要用于驗(yàn)證從幾天到十幾天較短時(shí)間載人航天的可行性和試驗(yàn)兩個(gè)航天器在軌道上交會(huì)對(duì)接的技術(shù)、航天員通過(guò)艙外空間在兩個(gè)飛船之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的技術(shù),后來(lái)主要用作載人空間站(本文為敘述方便起見(jiàn),將載人太空實(shí)驗(yàn)室也歸于載人空間站)的運(yùn)人運(yùn)輸器。這一代載人飛船由返回艙、軌道艙和儀器/設(shè)備艙等3個(gè)艙段和對(duì)接機(jī)構(gòu)等組成。返回艙容積不大,采用彈道-升力方式返回地面。這一代飛船有3個(gè)型號(hào):“聯(lián)盟號(hào)”和其經(jīng)相繼改進(jìn)而成的“聯(lián)盟T號(hào)”、“聯(lián)盟TM號(hào)”3種載人飛船。

1、“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船

“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船1962年開(kāi)始研制,起飛重量6.5～6.8噸。其中,返回艙重量2.8噸(其著陸時(shí)的重量為2.0～2.2噸),軌道艙(包括對(duì)接裝置,下同)重量1.2～1.3噸,儀器/設(shè)備艙重量2.5～2.8噸。返回艙(外形為鐘形)和軌道艙都是密封艙,最大直徑2.2米,自由空間容積分別為2.5立方米和4.0立方米。該載人飛船有兩種狀態(tài):一為原狀態(tài),即原設(shè)計(jì)方案狀態(tài);二為新?tīng)顟B(tài),即對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更改后的狀態(tài)。原狀態(tài)的“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船為設(shè)置了太陽(yáng)能電池翼、可自主飛行十幾天的3座位飛船。因座艙(即返回艙)直徑小,乘載的3名航天員只能穿普通飛行服而不能身著航天服。該狀態(tài)“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船在執(zhí)行為“禮炮1號(hào)”空間站運(yùn)送航天員任務(wù)前,于1967年4月～1970年6月共進(jìn)行了9次飛行。其中,第一艘飛船(即“聯(lián)盟1號(hào)”載人飛船,以下類同)載1名航天員,座艙返回時(shí)因降落傘系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致航天員殉職;第二艘飛船未載人,是第三艘飛船的軌道交會(huì)目標(biāo);第三艘飛船載1名航天員,與第二艘飛船進(jìn)行了2次軌道交會(huì);第四艘和第五艘飛船(1969年1月發(fā)射)分別載1名航天員、3名航天員,兩者實(shí)現(xiàn)了軌道交會(huì)對(duì)接。第五艘飛船的2名航天員還通過(guò)37分鐘的艙外活動(dòng)轉(zhuǎn)移到第四艘飛船。第六艘、第七艘和第八艘飛船(1969年10月發(fā)射)分別載2名航天員、3名航天員、2名航天員,三者進(jìn)行了編隊(duì)飛行。其中第六艘飛船進(jìn)行了首次空間材料加工實(shí)驗(yàn);第九艘飛船(1970年6月發(fā)射)載3名航天員,但未裝對(duì)接系統(tǒng),創(chuàng)軌道飛行18天的記錄,進(jìn)行了醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物實(shí)驗(yàn)、地球資源觀測(cè)、導(dǎo)航試驗(yàn)和天文物理觀測(cè)。在“聯(lián)盟1號(hào)”和“聯(lián)盟2號(hào)”載人飛船發(fā)射間隙,前蘇聯(lián)于1966年11月～1968年8月發(fā)射了“宇宙”133號(hào)、140號(hào)、186號(hào)、188號(hào)、212號(hào)、213號(hào)、238號(hào))7個(gè)以“宇宙號(hào)”命名的無(wú)人飛行器,來(lái)試驗(yàn)“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船的有關(guān)技術(shù),其中有2組(每組2個(gè))飛行器進(jìn)行了軌道交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。

原狀態(tài)的“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船于1971年4月和6月進(jìn)行的第10次、第11次飛行中,承擔(dān)了向“禮炮1號(hào)”空間站各運(yùn)送1組3名航天員的任務(wù)。其中,“聯(lián)盟10號(hào)”載人飛船雖與空間站成功對(duì)接,但航天員未能進(jìn)入空間站;“聯(lián)盟11號(hào)”載人飛船的3名乘員進(jìn)入空間站工作生活了22天后乘飛船返回地面時(shí),因座艙漏氣導(dǎo)致3名航天員窒息身亡。

“聯(lián)盟11號(hào)”載人飛船發(fā)生了災(zāi)難性事故后,前蘇聯(lián)對(duì)“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船原設(shè)計(jì)方案作了如下重大更改。首先,為了安全起見(jiàn),將乘員從3人減為2人,從而使航天員在發(fā)射和返回時(shí)均能穿航天服坐于座椅內(nèi);其次,取消了太陽(yáng)能電池翼,船上用電全部由化學(xué)電池供給。后面這項(xiàng)改變,使“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船的自主飛行時(shí)間減至2天多。在這2天多的自主飛行時(shí)間內(nèi),飛船如不能完成與空間站的交會(huì)對(duì)接任務(wù),就必須向地面返回。

新?tīng)顟B(tài)的“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船于1973年9月和12月各進(jìn)行了1次獨(dú)立的載人飛行。其中,后一次飛行使用的“聯(lián)盟13號(hào)”載人飛船(通常將原狀態(tài)飛船與新?tīng)顟B(tài)飛船統(tǒng)一連續(xù)編號(hào))未裝對(duì)接系統(tǒng),但仍配置了太陽(yáng)能電池翼。在為期8天的軌道飛行期間,進(jìn)行了醫(yī)學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)、地球資源觀測(cè)、天文物理觀測(cè)和自主導(dǎo)航等試驗(yàn)。在新?tīng)顟B(tài)的“聯(lián)盟號(hào)”飛船這2次飛行的前后,前蘇聯(lián)于1972年6月～1974年3月用“宇宙”496號(hào)、573號(hào)、613號(hào)、656號(hào)4個(gè)“宇宙號(hào)”無(wú)人飛行器,對(duì)新?tīng)顟B(tài)飛船作了檢測(cè)性飛行。

新?tīng)顟B(tài)的“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船從其第三次飛行(按統(tǒng)一編號(hào),此次飛行使用的是“聯(lián)盟14號(hào)”載人飛船)開(kāi)始,執(zhí)行向“禮炮”3～6號(hào)空間站運(yùn)送航天員的任務(wù)。

新?tīng)顟B(tài)的“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船于1974年7月～1977年2月與“禮炮”3～5號(hào)空間站進(jìn)行的9次軌道交會(huì)對(duì)接中,有2次對(duì)接失敗,1次雖成功對(duì)接但航天員未能進(jìn)入空間站,1次未載航天員,主要用來(lái)考察飛船隨同空間站作較長(zhǎng)時(shí)間飛行后的性能,在軌飛行93天。其余5次共將10名航天員送入空間站;于1977年10月～1981年5月與“禮炮6號(hào)”空間站進(jìn)行的16次軌道交會(huì)對(duì)接中,有2次對(duì)接失敗、1次未載人,其余13次共將26名航天員送入空間站。

新?tīng)顟B(tài)的“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船除上述27次飛行外,還進(jìn)行了4次載人飛行。其中,1974年12月發(fā)射的“聯(lián)盟16號(hào)”載人飛船試驗(yàn)了將與美國(guó)“阿波羅號(hào)”載人飛船對(duì)接飛行的技術(shù)狀態(tài);1975年7月發(fā)射的“聯(lián)盟19號(hào)”載人飛船實(shí)現(xiàn)了與美國(guó)“阿波羅18號(hào)”載人飛船對(duì)接飛行和兩飛船航天員的互訪,也就是一飛船上的航天員通過(guò)艙外空間進(jìn)入另一飛船;1975年4月發(fā)射的“聯(lián)盟18A號(hào)”載人飛船,因運(yùn)載火箭末級(jí)制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致飛船應(yīng)急返回;1976年9月發(fā)射的“聯(lián)盟22號(hào)”載人飛船,試驗(yàn)了多光譜相機(jī)對(duì)地?cái)z影技術(shù)。

2、“聯(lián)盟T號(hào)”載人飛船

“聯(lián)盟T號(hào)”載人飛船為“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船的改進(jìn)型,其外形與原狀態(tài)的“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船相同,起飛重量6.85噸。其中,返回艙重量3噸(其著陸時(shí)的重量為2.3噸),軌道艙重量1.1噸,儀器/設(shè)備艙重量2.75噸。與新?tīng)顟B(tài)的“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船相比,“聯(lián)盟T號(hào)”載人飛船的主要改進(jìn)點(diǎn)和效果有:恢復(fù)了太陽(yáng)能電池翼,從而使飛船自主飛行時(shí)間增長(zhǎng);采用了新的、質(zhì)地更加柔軟和輕逸的材料制作航天服,從而使航天服的重量和體積均有減小;控制系統(tǒng)改為基于船載數(shù)字計(jì)算機(jī)的無(wú)平臺(tái)慣性系統(tǒng)(即捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)),可使飛船在無(wú)人干預(yù)的情況下自動(dòng)執(zhí)行飛行控制任務(wù);動(dòng)力系統(tǒng)采用雙組元統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng),由此使姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)在緊急情況下可作為主發(fā)動(dòng)機(jī)(變軌發(fā)動(dòng)機(jī))的備份;返回艙內(nèi)部進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),加之航天服體積縮小,使返回艙可容納3名身著航天服的乘員。

“聯(lián)盟T號(hào)”載人飛船于1979年12月啟用,首次發(fā)射的是1艘無(wú)人飛船。在此之前,前蘇聯(lián)于1974年8月～1979年1月用“宇宙”670號(hào)、772號(hào)、869號(hào)、1001號(hào)、1074號(hào)5個(gè)“宇宙號(hào)”無(wú)人飛行器進(jìn)行了與“聯(lián)盟T號(hào)”載人飛船有關(guān)的技術(shù)試驗(yàn)。“聯(lián)盟T號(hào)”載人飛船于1980年6月～1985年6月分別為“禮炮6號(hào)”空間站和“禮炮7號(hào)”空間站送入3組(共7名)航天員、9組(共24名)航天員。在此期間,還進(jìn)行了另外2次載人發(fā)射。其中,1983年4月發(fā)射的“聯(lián)盟T8號(hào)”未能與“禮炮7號(hào)”空間站對(duì)接;1983年9月發(fā)射的“聯(lián)盟T10A號(hào)”臨射前運(yùn)載火箭推進(jìn)劑泄漏引起大火,航天員逃逸救生成功。題圖為“聯(lián)盟T號(hào)”飛船與“禮炮7號(hào)”空間站組成的軌道聯(lián)合體。

最后一次發(fā)射的“聯(lián)盟T號(hào)”載人飛船為1986年3月發(fā)射的“聯(lián)盟T15號(hào)”飛船。該飛船將2名航天員先送入當(dāng)年2月發(fā)射入軌的“和平號(hào)”空間站的核心艙,后又轉(zhuǎn)移到“禮炮7號(hào)”空間站、最后再送回到“和平號(hào)”空間站,完成了航天員在處于相鄰軌道上兩個(gè)空間站之間的轉(zhuǎn)移任務(wù)。它在一定程度上起到了軌道間機(jī)動(dòng)飛行器的作用。

3、“聯(lián)盟TM號(hào)”載人飛船

“聯(lián)盟TM號(hào)”載人飛船是“聯(lián)盟T號(hào)”載人飛船的現(xiàn)代化產(chǎn)物,起飛重量7.7噸。其中,返回艙重量3.7噸(其著陸時(shí)的重量為3噸),軌道艙重量1.2噸,儀器/設(shè)備艙重量2.8噸。與“聯(lián)盟T號(hào)”載人飛船相比,“聯(lián)盟TM號(hào)”載人飛船的主要改進(jìn)點(diǎn)和效果有:采用了新的對(duì)接系統(tǒng),使飛船能與處在任何相對(duì)姿態(tài)的空間站對(duì)接,而“聯(lián)盟T號(hào)”載人飛船的錐形對(duì)接裝置要求空間站與飛船的軸線一致才能對(duì)接;采用了新而輕的降落傘,使飛船攜帶物資達(dá)350公斤,使其攜帶返回地面物資的重量增加到100公斤;動(dòng)力系統(tǒng)提高了性能和可靠性,使封存時(shí)間延長(zhǎng)到6個(gè)月;采用了新的通信系統(tǒng)等。

“聯(lián)盟TM號(hào)”載人飛船于1986年5月進(jìn)行了1次不載人飛行、試驗(yàn)了與“和平號(hào)”空間站的對(duì)接可行性后,從1987年2月開(kāi)始執(zhí)行為“和平號(hào)”空間站運(yùn)送航天員的任務(wù)。截至前蘇聯(lián)完全解體的1991年12月,“聯(lián)盟TM號(hào)”載人飛船共為“和平號(hào)”空間站送入11組(共29人次)航天員。1992年～2000年,俄羅斯研制發(fā)射的“聯(lián)盟TM號(hào)”載人飛船共為“和平號(hào)”空間站送入17組(共45人次)航天員,其中包括最后一次進(jìn)駐“和平號(hào)”空間站的1組2名航天員,并為正在建造的國(guó)際空間站送入第一組3名航天員。

小結(jié)

從前蘇聯(lián)(俄羅斯)于1958年～2000年發(fā)展飛船載人航天的情況,可以看到:

在各種型號(hào)載人飛船進(jìn)行載人飛行之前(個(gè)別的型號(hào)在首次載人飛行發(fā)生災(zāi)難性事故之后),都用與之相近的無(wú)人航天器或不載人狀態(tài)的飛船進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)的先驗(yàn)性試驗(yàn)。對(duì)有的型號(hào)的載人飛船,如“東方號(hào)”、“聯(lián)盟號(hào)”等,進(jìn)行這種先驗(yàn)性試驗(yàn)的無(wú)人航天器較多,最多達(dá)7個(gè)。

研制載人飛船首先解決的是航天員安全進(jìn)入太空、在軌道上生活和工作、返回地面的問(wèn)題,然后再試驗(yàn)兩航天器軌道交會(huì)對(duì)接技術(shù)和航天員出艙活動(dòng)技術(shù)。同時(shí),進(jìn)行后兩項(xiàng)試驗(yàn)的飛船狀態(tài)不僅相互之間(指或單獨(dú)試驗(yàn)對(duì)接、或單獨(dú)試驗(yàn)出艙)可以有所不同,而且與僅用于前一項(xiàng)試驗(yàn)的飛船狀態(tài)有較大差異。例如,“上升1號(hào)”載人飛船實(shí)現(xiàn)了1船載3名航天員,而用來(lái)進(jìn)行首次航天員出艙活動(dòng)的“上升2號(hào)”載人飛船只載2名航天員、但增設(shè)了1個(gè)作為航天員出艙通道的氣閘艙;不進(jìn)行交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)的“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船不帶對(duì)接裝置。

從發(fā)生時(shí)間的先后來(lái)看,1965年3月用載人飛船進(jìn)行航天員首次出艙活動(dòng)試驗(yàn)要比進(jìn)行兩載人飛船首次軌道交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)(1969年1月)來(lái)得早。但在載人飛船用作空間站的乘員運(yùn)輸器之前,僅利用載人飛船進(jìn)行過(guò)2次為時(shí)很短、任務(wù)簡(jiǎn)單且具有政治色彩(爭(zhēng)世界第一)的出艙活動(dòng)。除上述2次外,航天員出艙活動(dòng)直至1977年12月才有“禮炮6號(hào)”空間站重新開(kāi)始進(jìn)行。從安全性出發(fā),利用載人飛船進(jìn)行出艙活動(dòng)試驗(yàn)也具有一定的局限性。因?yàn)檩d人飛船的飛行時(shí)間很短,而航天員在入軌后的頭3～5天內(nèi)處于適應(yīng)太空環(huán)境的調(diào)節(jié)期。在這個(gè)調(diào)節(jié)期內(nèi),一般不宜進(jìn)行航天員出艙活動(dòng)。

盡管在將載人飛船用作空間站的乘員運(yùn)輸器之前,用2艘“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船進(jìn)行了1次軌道交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)并獲得成功,但“聯(lián)盟”型載人飛船與空間站的對(duì)接一直到“聯(lián)盟TM號(hào)”載人飛船、“和平號(hào)”空間站出現(xiàn)后才未出現(xiàn)兩者對(duì)接失敗的記錄。“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船在與“禮炮”1號(hào)、3～6號(hào)空間站進(jìn)行的27次軌道交會(huì)對(duì)接中,有4次失敗,兩者對(duì)接失敗率為14.8%?！奥?lián)盟T號(hào)”載人飛船在與“禮炮”6號(hào)、7號(hào)空間站進(jìn)行的15次軌道交會(huì)對(duì)接中有1次失敗,兩者對(duì)接失敗率為6.7%。

研制載人飛船的最終目的是作為載人空間站的乘員運(yùn)輸器,即所謂“造船為建站”。

責(zé)任編輯:兆然■