王永生 趙東明 （中國航天員科研訓練中心）

從加加林首飛到“國際空間站”和深空探索—載人航天發(fā)展歷程和未來主要發(fā)展方向

From the First Flight of Gagarin to ISS and Deep Space Exploration—History and Future Trends of Human Space Flight

王永生 趙東明 （中國航天員科研訓練中心）

1 載人航天主要發(fā)展歷程

時至今日，世界首次載人航天飛行已過去了50多年。1961年4月12日是載人航天新時代的里程碑，從加加林首次108min的航天飛行，到“國際空間站”十幾年不間斷的載人飛行，世界載人航天走過了50多年不平凡的飛速發(fā)展之路。

為了實現(xiàn)首次載人航天飛行，廣大科技人員和航天企業(yè)機構(gòu)付出了長期的努力和艱辛的汗水。1957-1961年進行了自動飛行器的發(fā)射，目的是對地球及近地空間、月球和深空進行研究和探索。20世紀60年代初期，在蘇聯(lián)試驗設(shè)計局總設(shè)計師科羅廖夫的主持下，蘇聯(lián)專家們刻苦攻關(guān)，解決了一系列難題，研發(fā)出了世界第一艘載人飛船“東方”。

在“東方”飛船飛行期間，主要研究了超重、失重，以及長期在狹小密閉空間駐留對航天員身體所產(chǎn)生的影響。1961年4月，加加林駕駛第一艘“東方”飛船完成了繞地球1周的飛行，同年，格爾曼·季托夫（1935-2000）成為世界上第二位進入太空的航天員，當時他還不滿26歲，因此也是世界上最年輕的航天員。1961年8月6日-7日，東方-2飛船繞地球飛行25h11min，繞地球11圈，格爾曼·季托夫成為第一個在太空“睡覺”的人，同時他還是第一位拍攝地球的航天員，是第一位太空攝影師。如今，航天員配備了現(xiàn)代化的攝影器材，在太空攝影已成為航天員太空生活的組成部分。

蘇聯(lián)航天員貝科夫斯基乘東方-5飛船在太空連續(xù)飛行已達到5天。1963年6月16日，世界首位女航天員捷列什科娃乘東方-6飛船實現(xiàn)了太空飛行。

“上升”飛船是世界第一艘多座位載人飛船。1965年3月18日，航天員列昂諾夫從上升-2飛船上實現(xiàn)了世界首次出艙活動，現(xiàn)在艙外活動已成為幾乎所有載人航天飛行計劃必不可少的組成部分。

得益于應用了世界最先進的科學和技術(shù)成果，50多年間載人航天飛速發(fā)展。在蘇聯(lián)時期，新一代載人飛船“聯(lián)盟”取代了“上升”飛船；在美國，“阿波羅”飛船則代替了“水星”和“雙子星”航天飛船。在20世紀60年代末和70年代初，發(fā)生了許多值得紀念的航天事件。

1969年1月，首次實現(xiàn)了2艘飛船在軌交會對接（手控方式）。航天員阿列克謝·葉利謝耶夫和葉夫根尼·赫魯諾夫完成了從聯(lián)盟-5飛船向聯(lián)盟-4飛船的過渡。

1969年7月，阿波羅-11飛船飛向月球，美國航天員阿姆斯特朗和奧爾德林首次踏上月球?？梢灶A見，在不久的將來，人類一定會重返月球，屆時將帶去新的任務(wù)、新的技術(shù)和新的研究計劃。

1971-2011年空間站在軌飛行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1971年6月，聯(lián)盟-11飛船的飛行，航天員多布羅沃利斯基、沃爾科夫、帕察耶夫?qū)Φ谝粋€長期空間站禮炮號的考察，開辟了軌道飛行的新階段。航天員在軌飛行22天，首次開展了周期性飛行計劃，這些計劃成為了以后空間站長期考察的典型工作任務(wù)。

1）飛船與空間站交會對接；

2）艙載設(shè)備開封并在空間站完成科學計劃；

3）對服務(wù)和科研系統(tǒng)進行技術(shù)維護和維修；

4）排除異常情況和設(shè)備故障；

5）對空間站設(shè)備進行封存；

6）與空間站分離并返回地面。

在載人航天發(fā)展史上，具有特殊意義的事件是1975年實施的“阿波羅-聯(lián)盟”飛行試驗計劃，這是蘇聯(lián)和美國2個不同體制國家共同開展航天活動的首次嘗試，是國際太空合作的開端。此后相繼開展了“國際太空”、“和平-NASA”、“和平-航天飛機”、“國際空間站”等項目的國際合作。今天，國際合作走過了40年的發(fā)展之路，在未來的深空探索中，國際合作還將具有極為重要的意義。

20世紀70年代初，2個航天強國蘇聯(lián)和美國針對多次使用的運輸系統(tǒng)開展了研制工作，實施了“航天飛機”、“能源-暴風雪”計劃。

多次重復使用的運輸系統(tǒng)相比一次性載人航天器具有以下能力和優(yōu)勢：

1）能夠?qū)⒋蟪叽缈腕w送至軌道站（使用貨艙）；

2）能夠?qū)⒌厍蛉嗽煨l(wèi)星帶入軌道和脫離軌道；

3）能夠在軌對航天器進行檢查；

4）能夠在軌對衛(wèi)星進行維護和維修；

5）航天運輸系統(tǒng)的元器件能夠再次利用。

在30年間，美國的5架航天飛機完成了133次飛行。蘇聯(lián)的“暴風雪”航天飛機在1988年11月成功實現(xiàn)了首次自動軌道飛行，但后來命運發(fā)生了變化，“能源-暴風雪”計劃終止。

1971-1997年，蘇聯(lián)/俄羅斯一共將8個載人空間站艙段送入了軌道。在禮炮號計劃中，首批空間站的使用為研制復雜的載人軌道組合體積累了經(jīng)驗，為保障航天員長期在軌生活和工作奠定了基礎(chǔ)，當時共有34名航天員在禮炮號空間站工作。

美國航空航天局（NASA）在“天空實驗室”完成了有趣的計劃，在此共進行了3次考察，3批考察組均由“阿波羅”飛船運送。

和平號空間站是多用途軌道組合體，在站上開展了廣泛的科學研究，對未來載人空間組合體的應用進行了驗證。在和平號空間站共駐留過28批主要考察組和數(shù)批訪問乘組，共完成78次艙外活動，進行了23000多次科學研究和試驗。共有來自12個國家的71人在和平號空間站工作過，完成了27項國際科學計劃。其中，航天員波利亞科夫連續(xù)飛行了438天，相當于火星往返飛行的時間長度，創(chuàng)造了單次飛行時間的世界紀錄。在和平號空間站運行的15年間，獲取了應對和消除各類異常情況和偏差的寶貴經(jīng)驗。

空間站的應用始于禮炮-1，有數(shù)據(jù)表明，空間站載人狀態(tài)的飛行時間在不斷地增長。截至2011年10月1日，“國際空間站”載人的飛行時間已達到了85.6%，已經(jīng)超過了和平號相應的指標。

截至2016年4月12日，在世界首次載人飛行55周年之時，總計有來自37個國家的544人進行了太空飛行，俄羅斯、美國和中國3個國家具有獨立進行載人發(fā)射的能力。

2 “國際空間站”運營概況

“國際空間站”是由16個國家參與的國際項目，集以往所有載人航天計劃的經(jīng)驗和技術(shù)于一身。俄羅斯對于“國際空間站”建設(shè)和運行保障做出了巨大的貢獻。在1993年“國際空間站”組建之初，俄羅斯已具有了25年的空間站使用經(jīng)驗，并具備了完善的地面基礎(chǔ)設(shè)施。

“國際空間站”乘組完成的作業(yè)總量和復雜度超過了和平號空間站相應的指標，這對一體化國際乘組訓練水平的提高產(chǎn)生了極大的影響。

2000年11月2日，第一批長期考察組進駐“國際空間站”，截至2016年，已連續(xù)16年保持有人駐留的狀態(tài)?？臻g站從1998年11開始建造，共有代表15個國家的5個空間機構(gòu)為此付出了財力和物力。2009年伊始，“國際空間站”乘組人數(shù)增至6人，這使空間站資源得到了更加有效地利用。

截至2016年6月，已有49批主要考察組進駐了“國際空間站”，先后迎接了來自83個國家的222名考察乘員，共進行了1922項科學實驗，取得了1200多項科研成果，其中包括微重力植物生長、微重力環(huán)境對人體的影響等?！皣H空間站”的長期運行證明了人類已具備了在軌生存所需的技術(shù)和進一步探索太空的潛力。

空間站各類任務(wù)的復雜性對“國際空間站”乘員選拔、訓練和康復過程提出了更高的要求，這些過程是系統(tǒng)性的，是一脈相承的。

航天員選拔和訓練過程的階段性和延續(xù)性是系統(tǒng)性最重要的原則，這是載人航天器乘組提高職業(yè)技能的保證。

航天員職業(yè)訓練的一個主要特點是，必須在地面條件下獲取首次“航天”飛行經(jīng)驗，在地面訓練器上模擬出飛船和空間站的工作環(huán)境，在此體驗飛行感覺，獲取飛行經(jīng)驗。航天飛行的效率和安全在很大程度上取決于地面訓練的效果。

目前，在航天員訓練中心供航天員訓練的主要技術(shù)設(shè)備是綜合性專用訓練器，包括“聯(lián)盟”飛船和“國際空間站”俄羅斯艙段軌道艙全尺寸模擬器。

在航天員訓練中還使用了一些專用訓練器和技術(shù)設(shè)備，模擬各種航天飛行因素，以及正常和異常著陸情況。虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機模擬器應用越來越廣泛。

“國際空間站”乘員訓練是一體化的訓練過程，是以多艙段訓練為原則，每個伙伴國（航天機構(gòu)）針對自己的艙段（艙）訓練乘員，訓練在本國的基地進行?；凇皣H空間站”乘組訓練的經(jīng)驗，確定出在各伙伴國基地訓練的時間和任務(wù)。在俄羅斯“聯(lián)盟”飛船上進行飛行訓練最為普遍，因為“聯(lián)盟”飛船是目前往返天地間運送航天員唯一的航天器。

在“國際空間站”俄羅斯艙段進行了諸多的科學研究和試驗，許多研究和試驗是與美國及歐洲航天局（ESA）共同完成的。

“國際空間站”科學研究的主要方向

航天研究擴大和加深了人們對地球和宇宙的認識，為解決基礎(chǔ)科學和社會經(jīng)濟問題奠定了基礎(chǔ)。在“國際空間站”俄羅斯艙段開展的科學研究數(shù)量不斷增長，原因是科研設(shè)備的數(shù)量增加了，“國際空間站”俄羅斯航天員的人數(shù)也增至3人。

原計劃2013年向空間站發(fā)送“多功能試驗艙”，屆時將向“國際空間站”運送整套新的科學儀器。得益于此，俄羅斯的科研計劃將會極大地增加（“多功能試驗艙”已推遲至2018年發(fā)射，譯者注）。此外，ESA還將運送“歐洲機械臂”，以保障“國際空間站”乘組進行艙外活動。未來還將向“國際空間站”俄羅斯艙段運送節(jié)點艙和科學能源艙。

3 人在載人航天發(fā)展中的作用

在加強俄羅斯艙段建設(shè)的同時，正在研究使用自由飛行的無人飛行器的問題（“自由飛行航天器計劃”），未來將與空間站對接并由航天員負責維護。在策劃和組織航天活動過程中，一直困擾決策者的一個問題是：無人飛行和載人飛行哪個更好？

可以說，有一些活動和任務(wù)沒有人的參與是不行的，如，裝配大型結(jié)構(gòu)；人造地球衛(wèi)星的技術(shù)維護和維修；完成一些科學實驗；控制軌道飛機；自動航天器設(shè)備的試驗性訓練。

載人航天在以下研究方向取得了豐碩的成果：生物醫(yī)學研究、材料學、生物技術(shù)、維生素溫室（受控生態(tài)）研究等。諸如“庫侖晶體”、“等離子晶體”這樣的物理實驗極大地推動了對基礎(chǔ)科學的認識。“等離子晶體”實驗由俄羅斯和德國共同完成，10年間該實驗取得了舉世矚目的成果，再次證明了軌道組合體能夠有效地用于基礎(chǔ)科學研究。

關(guān)于無人探測或載人航天的作用，О.Г.加津科有過這樣的論述：“兩者各有優(yōu)勢和局限，一切取決于需要。”

航天員的優(yōu)勢在于，人具備高智商和高能力，能夠完成很多操作；而機器人探測器只能完成某些工作，機器人的智慧遠遠低于人類。

無人航天器、機器人不善于完成精確性的操作，如電子、光學及電子機械設(shè)備的調(diào)整、調(diào)節(jié)和維修，更談不上異常情況的排除等。此類工作要有選擇地完成，而人就能做得很好，人的聰明才智能夠提高航天器的可靠性。

和平號空間站、“國際空間站”、“哈勃空間望遠鏡”在空間的運行和使用經(jīng)驗表明，只有人才能完成大結(jié)構(gòu)的裝配任務(wù)，維護復雜科技綜合體在軌的工作狀態(tài)，在長期的考察中完成對綜合體的改進。

1982年，著名德國科學家、航天事業(yè)的奠基人格爾曼·奧別爾特造訪俄羅斯航天員訓練中心，在觀察航天員水槽訓練后指出，未來人將直接參與深空探索，而在地球軌道，諸如大型望遠鏡的裝配及鏡片的調(diào)整、技術(shù)維護和維修等這些工作將成為常態(tài)。他當時的預見現(xiàn)在正在變?yōu)楝F(xiàn)實。

4 商業(yè)載人航天的發(fā)展前景

這里不得不提到一個具有發(fā)展前景的載人航天發(fā)展方向—太空旅游。一些國家已經(jīng)開始發(fā)展太空旅游產(chǎn)業(yè)，保障不具備職業(yè)航天員資格的普通人進行太空飛行。私人企業(yè)參與航天事業(yè)的發(fā)展不僅可以為企業(yè)帶來相應的利潤，而且還能引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新，提高企業(yè)的創(chuàng)新能力。太空旅行不僅僅局限于亞軌道和地球軌道的飛行。2020-2035年有可能出現(xiàn)軌道旅館，初期會安置幾個人，以后會達到幾十人，再往后將會出現(xiàn)出租性的太空多座飛機，就像現(xiàn)在租賃飛機將人們運往馬略卡或加納利群島一樣。這樣的旅館項目在美國和俄羅斯都有。

多數(shù)航天機構(gòu)和私營公司在深空探索的道路上已經(jīng)邁出了實質(zhì)性的一步，正在進行各類研究和試驗，開發(fā)新的運輸系統(tǒng)。俄羅斯正在進行多功能載人飛船的研制，NASA也在進行相同的工作，私營公司也參與其中。在這方面發(fā)展較快的是美國太空探索技術(shù)公司，洛馬公司也有很好的發(fā)展前景，該公司正在研制“獵戶座”載人飛船。

太空游客訓練及在俄羅斯航天器上完成飛行的統(tǒng)計

5 載人航天發(fā)展的主要成就和未來主要發(fā)展方向

在50年的發(fā)展歷程中，世界載人航天取得了巨大的成就，主要包括以下幾個方面：

1）掌握了空間大結(jié)構(gòu)組合體的裝配和應用技術(shù)，使人在軌駐留成為常態(tài)（乘組輪換）；

2）實現(xiàn)了載人登月；

3）驗證了可重復使用載人航天系統(tǒng)的研制和使用技術(shù)；

4）完成了大規(guī)模的空間科研和試驗計劃；

5）驗證了人造地球衛(wèi)星的維護和維修技術(shù)；

6）創(chuàng)建了國際一體化航天飛行地面保障設(shè)施；

7）開展了空間國際合作；

8）保障了非職業(yè)航天員的太空之行。

盡管載人航天取得了巨大成就，但在宇宙探索的征途中我們卻剛剛起步，正如著名學者和作家阿瑟·克拉克說的那樣，“航天紀元才剛剛開始”。

現(xiàn)階段明確了未來載人航天幾個主要的發(fā)展方向，其中包括：

1）保障人進入近地空間，進一步開發(fā)近地空間的潛力；

2）開發(fā)月球，開發(fā)近月空間（建立月球基地）；

3）向小行星和拉格朗日點飛行（走向深空的第一步）；

4）飛向火星（人登陸火星并建立火星基地）.

在未來100年，職業(yè)航天員的訓練和飛行主要針對的是進行新的軌道飛行、完成深空探索任務(wù)，包括月球、小行星、拉格朗日點、火星，同時也要為太空旅游提供保障。

中國順利進行了軌道飛行，接下來將進行空間站建設(shè)，并進行登月計劃的制定和論證。

據(jù)預測，在22世紀到來之前，職業(yè)航天員的飛行數(shù)量將達到數(shù)千次，而太空游客的數(shù)量將達到數(shù)十萬人。

在未來的100年，職業(yè)航天員將執(zhí)行以下考察任務(wù)：

1）進行軌道飛行（人造地球衛(wèi)星軌道）；

2）向月球飛行并登月；

3）在月球基地進行考察；

4）向小行星飛行；

5）向拉格朗日點飛行（科學研究，空間望遠鏡的技術(shù)維護和維修）；

6）向火星飛行；

7）登陸火星。

太空游客將進行以下活動：

1）亞軌道飛行；

2）長期軌道飛行（太空旅館）；

3）向月球飛行并登陸月球。

基于當前的科技發(fā)展水平，月球計劃（包括建立首個月球基地）可能會在2030-2035年實施。未來月球還可能成為進行更廣泛的科學研究及驗證火星探索技術(shù)的平臺。

火星計劃還需要更廣泛的科學技術(shù)論證，既要論證其技術(shù)上的可行性，也要論證航天員的安全保障。鑒于火星項目具有超常的復雜性和危險性，以及需要高額的經(jīng)費，因此該計劃應該成為國際化項目。

近年來，關(guān)于月球的最有趣數(shù)據(jù)是來自印度的航天器月船-1和美國的“月球坑觀測與感知衛(wèi)星”，發(fā)現(xiàn)了冰態(tài)水，以及以前未發(fā)現(xiàn)的化學元素。特別值得一提的是，日本航天器“月女神”在月球表面找到了直徑為65m、深達100m的洞。如果在月球曾經(jīng)發(fā)生過火山變化過程，那么不難推測，所發(fā)現(xiàn)的洞就是火山熔巖洞的入口。在這種巖洞里可以安置生物和工作隔艙，可以起到有效防護輻射的作用，這樣就能解決月球上最為重要的生命保障問題。如果洞的拱頂厚度達到1～2m，則洞內(nèi)的溫度應當是恒定的（-30～40℃），這對于生命保障也是非常重要的。

在巖洞中建立月球基地可能有幾種方法，我們認為，建立充氣式結(jié)構(gòu)的月球基地基本生活和工作艙是最實用和最安全的。開發(fā)此類巖洞最佳的方案是，利用機器人完成艙室安放和充氣，航天員盡量少參與或根本不參與。航天員主要負責進行啟封，安裝，將服務(wù)、科研和生活設(shè)備調(diào)制到工作狀態(tài)。

向小行星飛行也許是深空探索的重要步驟，美國專家多次表現(xiàn)出對該項目的興趣，NASA甚至在水下開展了航天員在小行星表面的模擬活動。

為了順利開展未來人向深空的飛行任務(wù)，必須解決以下航天員飛行安全和飛行訓練的問題：

1）為了執(zhí)行深空探索任務(wù)，必須樹立新的航天員選拔理念，開發(fā)新的方法；

2）建立新的航天員訓練器材和綜合的訓練方法（實物的、虛擬的飛行訓練器、月球和火星模擬器）；

3）訓練在月球上進行安全的生產(chǎn)活動；

4）開發(fā)可靠和輕便的生命保障系統(tǒng)；

5）開發(fā)和實施航天員深空飛行醫(yī)學心理學保障的原則和方法；

6）開發(fā)和實施航天員深空飛行結(jié)束后的康復方法，制定航天員長期職業(yè)活動的保障原則；

7）對職業(yè)航天員進行訓練，以保障航天旅游業(yè)的需要。

所謂深空探索，就是通過人在深空開展活動掌握其行星上的資源，了解其特性和環(huán)境，以解決科學、技術(shù)、經(jīng)濟和其他問題。在開發(fā)月球和深空探索中，人主要充當開拓者、研究者和試驗者的角色。

在開發(fā)月球和深空探索征途中不能沒有人的參與，人作為修理工的作用并不是主要的，但在一些情況下只有人才能保證自動化綜合體、自動化系統(tǒng)和自動化裝置發(fā)揮可靠和長久的作用。

人應當是為開發(fā)月球或深空探索而建立的永久性基地中的一個有機組成部分，在這種條件下，人的生活和工作應當是安全、高效和舒適的。

探月和深空探索任務(wù)啟動后，必須制定新的航天員選拔和訓練方法，建立有效的航天員飛行安全和飛后康復的保障機制。

目前，科學技術(shù)的發(fā)展水平、現(xiàn)行的技術(shù)工藝，以及在航天員職業(yè)活動保障領(lǐng)域的技術(shù)儲備，可以保障在近年內(nèi)啟動探月和深空探索任務(wù)。