載人航天將駛?cè)搿翱燔嚨馈?/h1>
2014-01-19 22:34張唯誠
百科知識 2014年20期
張唯誠
自美國“阿波羅”登月任務(wù)結(jié)束后，人類的載人航天活動就沒有再一次突破低地球軌道了，但計劃于今年秋季首飛的“獵戶座”飛船將改變這一現(xiàn)狀。雖然這次飛行并不載人，但“獵戶座”飛船是一艘載人飛船，作為測試性的飛行，它的目的就是為真正意義上的載人飛行做準(zhǔn)備。一旦時機(jī)成熟，“獵戶座”飛船就會把人類帶上月球、小行星和火星。當(dāng)然，它還將頻繁地飛往國際空間站，承擔(dān)以前由航天飛機(jī)承擔(dān)的各項任務(wù)。
“獵戶座”飛船迎接首飛
這次首飛被科學(xué)家們命名為“探索飛行測試1計劃”，簡稱EFT-1。按照設(shè)計，“獵戶座”飛船的正式發(fā)射系統(tǒng)名為“太空發(fā)射系統(tǒng)”，簡稱SLS，但SLS正在研制中，所以EFT-1測試飛行靠德爾塔4重型運載火箭承擔(dān)發(fā)射任務(wù)。
EFT-1測試是一次持續(xù)4個小時的不載人飛行，飛行高度達(dá)5800千米，是國際空間站運行高度的15倍左右。測試還將檢驗飛船返回地面的性能，屆時它穿越大氣層的速度將超過每小時3.2萬千米，表面溫度可達(dá)到2200℃。“獵戶座”飛船在真實環(huán)境中獲得的各項測試數(shù)據(jù)將幫助科學(xué)家們改進(jìn)設(shè)計，減少風(fēng)險和降低成本。
“獵戶座”飛船由3個主要的模塊組成，即頂端的發(fā)射終止系統(tǒng)、中間的乘員艙和底部的服務(wù)艙?！矮C戶座”飛船是繼航天飛機(jī)后的新一代載人航天器，它和航天飛機(jī)完全不同，沒有航天飛機(jī)擁有的機(jī)翼和尾翼，不能像航天飛機(jī)那樣通過滑翔返回地球，只能通過降落傘降落到地面，因此不需要復(fù)雜的氣動外形和防熱系統(tǒng)；它與火箭的聯(lián)接方式也與航天飛機(jī)不同，航天飛機(jī)是與火箭并聯(lián)，而“獵戶座”飛船則處在火箭的頂部，所以能遠(yuǎn)離燃燒的發(fā)動機(jī)和墜落的碎片，避開泡沫材料脫落的威脅。“獵戶座”飛船還設(shè)置有“逃逸塔”系統(tǒng)，在發(fā)射時一旦出現(xiàn)故障，“逃逸塔”即可迅速飛離，然后通過降落傘安全降落，這一系統(tǒng)大大提高了宇航員的安全系數(shù)。按照計劃，“獵戶座”飛船還將于2017年進(jìn)行繞月飛行測試，屆時，它將在不載人的情況下繞月球飛行大約3周。
從“阿波羅”到“獵戶座”
“獵戶座”飛船看上去與“阿波羅”飛船是一脈相承的，所以有人也把“獵戶座”稱為“阿波羅”2.0版?！鞍⒉_”飛船曾經(jīng)使美國的載人航天達(dá)到了一個高峰，但此后航天飛機(jī)取代了“阿波羅”飛船，原因是用火箭發(fā)射的載人飛船難以重復(fù)使用，人們希望建造一種能重復(fù)使用的航天器從而大幅度降低成本，這就是航天飛機(jī)得以問世的重要原因。事實證明，航天飛機(jī)的確擁有很大的優(yōu)勢，它容積大，輸送能力強(qiáng)，可重復(fù)利用，可滑翔返回，還可釋放和回收航天器，并對在軌航天器進(jìn)行維修。
在航天飛機(jī)時代，美國共建造了6架航天飛機(jī)，分別為“企業(yè)”號、“哥倫比亞”號、“挑戰(zhàn)者”號、“發(fā)現(xiàn)”號、“亞特蘭蒂斯”號和“奮進(jìn)”號，但應(yīng)用結(jié)果卻表明，航天飛機(jī)的成本并不比飛船低。除發(fā)射費用高昂外，維護(hù)和檢修的成本更是令人咋舌。相比之下，飛船反而更加節(jié)省成本，并且還有技術(shù)成熟，安全系數(shù)高的優(yōu)勢。在這樣的背景下，經(jīng)過反復(fù)權(quán)衡，人們最后決定拋棄航天飛機(jī)，載人航天重又回到了宇宙飛船的軌道上來。
在繼承了“阿波羅”飛船和航天飛機(jī)的可靠技術(shù)后，科學(xué)家們希望“獵戶座”飛船能成為一種適合進(jìn)行長期太空探索活動的新一代載人航天器。它除了充當(dāng)國際空間站的緊急逃生設(shè)備，為國際空間站承擔(dān)輸送任務(wù)外，還將用于進(jìn)入宇宙深空的載人飛行，如登月、登陸火星和小行星等。
載人航天的“多面手”
人們可以期待，“獵戶座”將成為未來載人航天探測活動的“多面手”。它們將于登陸火星前實施一項登陸小行星的計劃，這項計劃要求宇航員降落到一顆小行星上進(jìn)行考察，然后帶上小行星的巖石樣品返回地球。根據(jù)計劃，這趟旅行應(yīng)該在2020年以后成行。
為什么要登陸小行星呢？首先，小行星本身就是天文學(xué)的未解之謎，它由什么組成？是否為地球帶來了生命？如何防止它們撞擊地球？這些問題都還沒有明確的答案，而尋找答案的最可靠手段就是著陸到小行星上；其次，小行星的內(nèi)部可能含有水和金屬，這是人們進(jìn)行太空旅行的重要資源，且都可以通過萃取獲得，而要這樣做，了解小行星的結(jié)構(gòu)和組成是必不可少的前期工作；第三，小行星可以作為登陸火星的中繼站。在未來，小行星還有可能成為人類進(jìn)入深層空間的“跳板”。
前往小行星的路途非常遠(yuǎn)，所以人們設(shè)計了一個為期一年的登陸小行星任務(wù)，起航時間初步定在2024年。當(dāng)“獵戶座”飛船接近了小行星，一種更小的太空飛行器會與飛船配合工作，它將在最后階段把宇航員們送上小行星。接下來，宇航員們會在這顆小行星上進(jìn)行一段時間的考察。這顆小行星應(yīng)該是一顆C型含碳小行星，這是很多行星天文學(xué)家最感興趣的小行星類型，因為這種小行星可能是太陽系形成時的殘留物，或許還保留著形成地球生命物質(zhì)的原始材料。
登陸火星則被計劃放到“2030年代”。除了正在建造“獵戶座”飛船和“太空發(fā)射系統(tǒng)”外，其他相關(guān)研究和宇航員培訓(xùn)工作正在進(jìn)行中。2015年，美國宇航局準(zhǔn)備讓兩名宇航員在國際空間站上呆一年，目的就是搞清楚人的身體如何適應(yīng)前往火星的漫長旅途。科學(xué)家們還把一個輻射探測器放在了2011年前往火星的“好奇”號火星車上，以測量在前往火星時人們有可能受到的累積輻射。這個測量可為宇航員前往火星提供防輻射的數(shù)據(jù)支持。
太空“聯(lián)合艦隊”
未來的載人航天絕非“獵戶座”飛船一枝獨秀，一些政府航天機(jī)構(gòu)和私人航天公司也有自己的載人航天計劃，有些已經(jīng)進(jìn)入到實施階段，有些已開始運營，一個載人航天的“聯(lián)合艦隊”正在形成。
由于航天飛機(jī)的退役，“聯(lián)盟”號飛船承擔(dān)了運送宇航員和貨物前往空間站的任務(wù)?！奥?lián)盟”號是蘇聯(lián)研制的第三代載人飛船，1967年首飛，它是蘇聯(lián)開發(fā)出來的最成熟的載人航天器，在維持“和平”號空間站的正常運行中發(fā)揮過巨大作用，也是國際空間站天地往返的重要載具。
CST-100新型載人宇宙飛船由美國波音公司與美國宇航局聯(lián)合開發(fā)，可用于短途太空飛行，還將用于太空旅游。每次飛行可將4名宇航員和3名游客送至空間站。該飛船準(zhǔn)備于2017年初進(jìn)行首次無人試飛，如果成功，首次載人軌道測試將于2017年中期進(jìn)行。
“龍”飛船是太空探索技術(shù)公司（SpaceX）牽頭研發(fā)的，計劃代替航天飛機(jī)為空間站運送給養(yǎng)。飛船整體外形呈子彈狀，已成功進(jìn)入太空，成為國際空間站迎來的首個私營企業(yè)制造的航天器。
除了往返于空間站的短途載人和貨運飛船外，私人航天公司更有將人類送往火星的“大手筆”。2013年，荷蘭“火星一號”和美國“靈感火星”公司都宣布了其計劃，如果一切順利，這兩家私人機(jī)構(gòu)將會搶在美國宇航局之前把人送往火星。
“靈感火星”已將其發(fā)射“窗口”確定在2017年12月25日至2018年1月5日之間，那時行星的位置非常有利于火星往返，如果錯過了這個“窗口”，下次機(jī)會就要等到2031年?！办`感火星”的整個行程只需要501天，而不是通常情況下的兩年或者更長時間。它需要兩次發(fā)射，第一次把4個有效載荷送達(dá)地球軌道，包括一枚上面級火箭、一個生活艙、一個供應(yīng)艙和一個返回艙；第二次將兩名宇航員送到待命于地球軌道上的生活艙。然后，上面級火箭再把生活艙、供應(yīng)艙和返回艙推向火星軌道?！办`感火星”的兩名宇航員并不登陸，他們將乘著飛船從距火星地表160千米的地方掠過火星。宇航員可以在這時飽覽火星風(fēng)光，巨大的火山和險峻的溝壑將在他們的眼前展露無遺。然后，“靈感火星”將沿一條環(huán)繞火星后直返地球的路徑完成整個旅行。
后起直追的中國載人航天
中國的載人航天目標(biāo)是建立自己的空間站。中國將于2015起陸續(xù)發(fā)射“天宮”二號和“天宮”三號?！疤鞂m”二號將主要完成再生循環(huán)系統(tǒng)、有效載荷和應(yīng)用系統(tǒng)的實驗。“天宮”三號將把重點放在航天員的在軌駐留和飛船的在軌實驗上，還將開展空間科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)試驗。
“天宮”二號任務(wù)期間，中國將發(fā)射載人飛船和貨運飛船。載人飛船將把航天員送到“天宮”二號從事更長時間的生活和工作，這可以進(jìn)一步驗證航天員的在軌駐留能力；貨運飛船將運送推進(jìn)劑，通過一套自動系統(tǒng)對“天宮”二號進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加。這些技術(shù)的驗證都將為空間站長期載人飛行提供技術(shù)準(zhǔn)備。
經(jīng)過了這些階段后，真正意義上的載人空間站就可以升空了，它大致包括一個核心艙、一艘貨運飛船、一艘載人飛船和兩個用于實驗的其他艙，總重量在100噸以下。其中的核心艙需長期有人駐守，能與各種實驗艙、載人飛船和貨運飛船對接。按照計劃，我國真正意義上的載人空間站將于2020年左右竣工。
接下來，中國的載人航天將走向更加遙遠(yuǎn)的宇宙空間。我國將綜合分析國際載人航天的發(fā)展趨勢，綜合我國的實際國情實施下一步航天發(fā)展計劃，例如載人登月等等，我國的載人航天事業(yè)將進(jìn)入到一個更加輝煌的歷史新時期。
【責(zé)任編輯】龐 云
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這次首飛被科學(xué)家們命名為“探索飛行測試1計劃”，簡稱EFT-1。按照設(shè)計，“獵戶座”飛船的正式發(fā)射系統(tǒng)名為“太空發(fā)射系統(tǒng)”，簡稱SLS，但SLS正在研制中，所以EFT-1測試飛行靠德爾塔4重型運載火箭承擔(dān)發(fā)射任務(wù)。
EFT-1測試是一次持續(xù)4個小時的不載人飛行，飛行高度達(dá)5800千米，是國際空間站運行高度的15倍左右。測試還將檢驗飛船返回地面的性能，屆時它穿越大氣層的速度將超過每小時3.2萬千米，表面溫度可達(dá)到2200℃。“獵戶座”飛船在真實環(huán)境中獲得的各項測試數(shù)據(jù)將幫助科學(xué)家們改進(jìn)設(shè)計，減少風(fēng)險和降低成本。
“獵戶座”飛船由3個主要的模塊組成，即頂端的發(fā)射終止系統(tǒng)、中間的乘員艙和底部的服務(wù)艙?！矮C戶座”飛船是繼航天飛機(jī)后的新一代載人航天器，它和航天飛機(jī)完全不同，沒有航天飛機(jī)擁有的機(jī)翼和尾翼，不能像航天飛機(jī)那樣通過滑翔返回地球，只能通過降落傘降落到地面，因此不需要復(fù)雜的氣動外形和防熱系統(tǒng)；它與火箭的聯(lián)接方式也與航天飛機(jī)不同，航天飛機(jī)是與火箭并聯(lián)，而“獵戶座”飛船則處在火箭的頂部，所以能遠(yuǎn)離燃燒的發(fā)動機(jī)和墜落的碎片，避開泡沫材料脫落的威脅。“獵戶座”飛船還設(shè)置有“逃逸塔”系統(tǒng)，在發(fā)射時一旦出現(xiàn)故障，“逃逸塔”即可迅速飛離，然后通過降落傘安全降落，這一系統(tǒng)大大提高了宇航員的安全系數(shù)。按照計劃，“獵戶座”飛船還將于2017年進(jìn)行繞月飛行測試，屆時，它將在不載人的情況下繞月球飛行大約3周。
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在航天飛機(jī)時代，美國共建造了6架航天飛機(jī)，分別為“企業(yè)”號、“哥倫比亞”號、“挑戰(zhàn)者”號、“發(fā)現(xiàn)”號、“亞特蘭蒂斯”號和“奮進(jìn)”號，但應(yīng)用結(jié)果卻表明，航天飛機(jī)的成本并不比飛船低。除發(fā)射費用高昂外，維護(hù)和檢修的成本更是令人咋舌。相比之下，飛船反而更加節(jié)省成本，并且還有技術(shù)成熟，安全系數(shù)高的優(yōu)勢。在這樣的背景下，經(jīng)過反復(fù)權(quán)衡，人們最后決定拋棄航天飛機(jī)，載人航天重又回到了宇宙飛船的軌道上來。
在繼承了“阿波羅”飛船和航天飛機(jī)的可靠技術(shù)后，科學(xué)家們希望“獵戶座”飛船能成為一種適合進(jìn)行長期太空探索活動的新一代載人航天器。它除了充當(dāng)國際空間站的緊急逃生設(shè)備，為國際空間站承擔(dān)輸送任務(wù)外，還將用于進(jìn)入宇宙深空的載人飛行，如登月、登陸火星和小行星等。
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為什么要登陸小行星呢？首先，小行星本身就是天文學(xué)的未解之謎，它由什么組成？是否為地球帶來了生命？如何防止它們撞擊地球？這些問題都還沒有明確的答案，而尋找答案的最可靠手段就是著陸到小行星上；其次，小行星的內(nèi)部可能含有水和金屬，這是人們進(jìn)行太空旅行的重要資源，且都可以通過萃取獲得，而要這樣做，了解小行星的結(jié)構(gòu)和組成是必不可少的前期工作；第三，小行星可以作為登陸火星的中繼站。在未來，小行星還有可能成為人類進(jìn)入深層空間的“跳板”。
前往小行星的路途非常遠(yuǎn)，所以人們設(shè)計了一個為期一年的登陸小行星任務(wù)，起航時間初步定在2024年。當(dāng)“獵戶座”飛船接近了小行星，一種更小的太空飛行器會與飛船配合工作，它將在最后階段把宇航員們送上小行星。接下來，宇航員們會在這顆小行星上進(jìn)行一段時間的考察。這顆小行星應(yīng)該是一顆C型含碳小行星，這是很多行星天文學(xué)家最感興趣的小行星類型，因為這種小行星可能是太陽系形成時的殘留物，或許還保留著形成地球生命物質(zhì)的原始材料。
登陸火星則被計劃放到“2030年代”。除了正在建造“獵戶座”飛船和“太空發(fā)射系統(tǒng)”外，其他相關(guān)研究和宇航員培訓(xùn)工作正在進(jìn)行中。2015年，美國宇航局準(zhǔn)備讓兩名宇航員在國際空間站上呆一年，目的就是搞清楚人的身體如何適應(yīng)前往火星的漫長旅途。科學(xué)家們還把一個輻射探測器放在了2011年前往火星的“好奇”號火星車上，以測量在前往火星時人們有可能受到的累積輻射。這個測量可為宇航員前往火星提供防輻射的數(shù)據(jù)支持。
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由于航天飛機(jī)的退役，“聯(lián)盟”號飛船承擔(dān)了運送宇航員和貨物前往空間站的任務(wù)?！奥?lián)盟”號是蘇聯(lián)研制的第三代載人飛船，1967年首飛，它是蘇聯(lián)開發(fā)出來的最成熟的載人航天器，在維持“和平”號空間站的正常運行中發(fā)揮過巨大作用，也是國際空間站天地往返的重要載具。
CST-100新型載人宇宙飛船由美國波音公司與美國宇航局聯(lián)合開發(fā)，可用于短途太空飛行，還將用于太空旅游。每次飛行可將4名宇航員和3名游客送至空間站。該飛船準(zhǔn)備于2017年初進(jìn)行首次無人試飛，如果成功，首次載人軌道測試將于2017年中期進(jìn)行。
“龍”飛船是太空探索技術(shù)公司（SpaceX）牽頭研發(fā)的，計劃代替航天飛機(jī)為空間站運送給養(yǎng)。飛船整體外形呈子彈狀，已成功進(jìn)入太空，成為國際空間站迎來的首個私營企業(yè)制造的航天器。
除了往返于空間站的短途載人和貨運飛船外，私人航天公司更有將人類送往火星的“大手筆”。2013年，荷蘭“火星一號”和美國“靈感火星”公司都宣布了其計劃，如果一切順利，這兩家私人機(jī)構(gòu)將會搶在美國宇航局之前把人送往火星。
“靈感火星”已將其發(fā)射“窗口”確定在2017年12月25日至2018年1月5日之間，那時行星的位置非常有利于火星往返，如果錯過了這個“窗口”，下次機(jī)會就要等到2031年?！办`感火星”的整個行程只需要501天，而不是通常情況下的兩年或者更長時間。它需要兩次發(fā)射，第一次把4個有效載荷送達(dá)地球軌道，包括一枚上面級火箭、一個生活艙、一個供應(yīng)艙和一個返回艙；第二次將兩名宇航員送到待命于地球軌道上的生活艙。然后，上面級火箭再把生活艙、供應(yīng)艙和返回艙推向火星軌道?！办`感火星”的兩名宇航員并不登陸，他們將乘著飛船從距火星地表160千米的地方掠過火星。宇航員可以在這時飽覽火星風(fēng)光，巨大的火山和險峻的溝壑將在他們的眼前展露無遺。然后，“靈感火星”將沿一條環(huán)繞火星后直返地球的路徑完成整個旅行。
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經(jīng)過了這些階段后，真正意義上的載人空間站就可以升空了，它大致包括一個核心艙、一艘貨運飛船、一艘載人飛船和兩個用于實驗的其他艙，總重量在100噸以下。其中的核心艙需長期有人駐守，能與各種實驗艙、載人飛船和貨運飛船對接。按照計劃，我國真正意義上的載人空間站將于2020年左右竣工。
接下來，中國的載人航天將走向更加遙遠(yuǎn)的宇宙空間。我國將綜合分析國際載人航天的發(fā)展趨勢，綜合我國的實際國情實施下一步航天發(fā)展計劃，例如載人登月等等，我國的載人航天事業(yè)將進(jìn)入到一個更加輝煌的歷史新時期。
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