前苏联如何发展载人飞船

李大耀

前苏联自1958年开始发展载人飞船,截至其1991年12月完全解体止,共研制成功“东方号”、“上升号”、“联盟号”、“联盟T号”和“联盟TM号”载人飞船。前苏联解体后,俄罗斯继承了前苏联的载人航天技术,继续研制发射“联盟TM号”载人飞船。上述这5种载人飞船按它们的发展顺序、主要目的和技术水平,可以分为第一代和第二代。

前苏联的第一代载人飞船

前苏联的第一代载人飞船主要用来验证在几天时间内载人航天的可行性,基本上由返回舱和仪器舱两个舱段组成。返回舱是航天员的座舱,为密封舱。其容积小,采用弹道方式返回地面。这一代飞船有2个型号:“东方号”载人飞船和其经改装而成的“上升号”载人飞船。

1、“东方号”载人飞船

“东方号”载人飞船为前苏联、也是世界上的第一种载人航天器,1958年开始研制,只能载1名航天员。该飞船起飞重量4725公斤,其中返回舱重量2460公斤。返回舱外形为圆球形,直径2.3米,自由空间容积1.6立方米。“东方号”载人飞船于1961年4月～1963年6月共进行了6次载人航天,每次飞行的持续时间最短约1.5小时、最长约6天。其中,第三、四次(即1962年8月发射的“东方”3号、4号载人飞船)和第五、六次(即1963年6月发射的“东方”5号、6号载人飞船)还进行了两艘飞船的编队飞行。2两艘飞船之间的距离最近时为5公里。

在用“东方号”飞船进行载人航天前,前苏联于1960年5月～1961年3月发射了5艘称为卫星式飞船的无人试验飞船。其中,第一艘装人体的模拟件,其返回舱返回时因制动火箭定向不准确未能转入返回轨道;第三艘载2条狗,其返回舱在返回过程中因再入角大而被烧毁;第二艘(载2条狗)和第四、五艘(均载1条狗和1个航天员模拟件)的返回舱均成功回收。

2、“上升号”载人飞船

“上升号”载人飞船为“东方号”载人飞船的改型产品,起飞重量约5.5吨。该飞船首次实现了1船载3名航天员和进行了航天员出舱活动试验。

“上升号”载人飞船只进行了2次载人航天,每次飞行时间约1天。其中,1964年10月第一次发射的“上升1号”载人飞船载3名航天员;1965年3月第二次发射的“上升2号”载人飞船载2名航天员,有1名航天员出舱在舱外空间逗留20多分钟。为适应航天员出舱的需要,“上升2号”增加了1个气闸舱。

在“上升号”飞船进行的上述2次载人航天之前,前苏联于1964年10月和1965年2月分别发射了与“上升1号”飞船结构相同的“宇宙47号”无人飞行器、与“上升2号”飞船结构相同的“宇宙57号”无人飞行器,进行了“上升号”载人飞船的先验性试验。

前苏联的第二代载人飞船

前苏联第二代载人飞船起先主要用于验证从几天到十几天较短时间载人航天的可行性和试验两个航天器在轨道上交会对接的技术、航天员通过舱外空间在两个飞船之间进行转移的技术,后来主要用作载人空间站(本文为叙述方便起见,将载人太空实验室也归于载人空间站)的运人运输器。这一代载人飞船由返回舱、轨道舱和仪器/设备舱等3个舱段和对接机构等组成。返回舱容积不大,采用弹道-升力方式返回地面。这一代飞船有3个型号:“联盟号”和其经相继改进而成的“联盟T号”、“联盟TM号”3种载人飞船。

1、“联盟号”载人飞船

“联盟号”载人飞船1962年开始研制,起飞重量6.5～6.8吨。其中,返回舱重量2.8吨(其着陆时的重量为2.0～2.2吨),轨道舱(包括对接装置,下同)重量1.2～1.3吨,仪器/设备舱重量2.5～2.8吨。返回舱(外形为钟形)和轨道舱都是密封舱,最大直径2.2米,自由空间容积分别为2.5立方米和4.0立方米。该载人飞船有两种状态:一为原状态,即原设计方案状态;二为新状态,即对原设计方案进行更改后的状态。原状态的“联盟号”载人飞船为设置了太阳能电池翼、可自主飞行十几天的3座位飞船。因座舱(即返回舱)直径小,乘载的3名航天员只能穿普通飞行服而不能身着航天服。该状态“联盟号”载人飞船在执行为“礼炮1号”空间站运送航天员任务前,于1967年4月～1970年6月共进行了9次飞行。其中,第一艘飞船(即“联盟1号”载人飞船,以下类同)载1名航天员,座舱返回时因降落伞系统发生故障导致航天员殉职;第二艘飞船未载人,是第三艘飞船的轨道交会目标;第三艘飞船载1名航天员,与第二艘飞船进行了2次轨道交会;第四艘和第五艘飞船(1969年1月发射)分别载1名航天员、3名航天员,两者实现了轨道交会对接。第五艘飞船的2名航天员还通过37分钟的舱外活动转移到第四艘飞船。第六艘、第七艘和第八艘飞船(1969年10月发射)分别载2名航天员、3名航天员、2名航天员,三者进行了编队飞行。其中第六艘飞船进行了首次空间材料加工实验;第九艘飞船(1970年6月发射)载3名航天员,但未装对接系统,创轨道飞行18天的记录,进行了医学实验、生物实验、地球资源观测、导航试验和天文物理观测。在“联盟1号”和“联盟2号”载人飞船发射间隙,前苏联于1966年11月～1968年8月发射了“宇宙”133号、140号、186号、188号、212号、213号、238号)7个以“宇宙号”命名的无人飞行器,来试验“联盟号”载人飞船的有关技术,其中有2组(每组2个)飞行器进行了轨道交会对接试验。

原状态的“联盟号”载人飞船于1971年4月和6月进行的第10次、第11次飞行中,承担了向“礼炮1号”空间站各运送1组3名航天员的任务。其中,“联盟10号”载人飞船虽与空间站成功对接,但航天员未能进入空间站;“联盟11号”载人飞船的3名乘员进入空间站工作生活了22天后乘飞船返回地面时,因座舱漏气导致3名航天员窒息身亡。

“联盟11号”载人飞船发生了灾难性事故后,前苏联对“联盟号”载人飞船原设计方案作了如下重大更改。首先,为了安全起见,将乘员从3人减为2人,从而使航天员在发射和返回时均能穿航天服坐于座椅内;其次,取消了太阳能电池翼,船上用电全部由化学电池供给。后面这项改变,使“联盟号”载人飞船的自主飞行时间减至2天多。在这2天多的自主飞行时间内,飞船如不能完成与空间站的交会对接任务,就必须向地面返回。

新状态的“联盟号”载人飞船于1973年9月和12月各进行了1次独立的载人飞行。其中,后一次飞行使用的“联盟13号”载人飞船(通常将原状态飞船与新状态飞船统一连续编号)未装对接系统,但仍配置了太阳能电池翼。在为期8天的轨道飞行期间,进行了医学、生物实验、地球资源观测、天文物理观测和自主导航等试验。在新状态的“联盟号”飞船这2次飞行的前后,前苏联于1972年6月～1974年3月用“宇宙”496号、573号、613号、656号4个“宇宙号”无人飞行器,对新状态飞船作了检测性飞行。

新状态的“联盟号”载人飞船从其第三次飞行(按统一编号,此次飞行使用的是“联盟14号”载人飞船)开始,执行向“礼炮”3～6号空间站运送航天员的任务。

新状态的“联盟号”载人飞船于1974年7月～1977年2月与“礼炮”3～5号空间站进行的9次轨道交会对接中,有2次对接失败,1次虽成功对接但航天员未能进入空间站,1次未载航天员,主要用来考察飞船随同空间站作较长时间飞行后的性能,在轨飞行93天。其余5次共将10名航天员送入空间站;于1977年10月～1981年5月与“礼炮6号”空间站进行的16次轨道交会对接中,有2次对接失败、1次未载人,其余13次共将26名航天员送入空间站。

新状态的“联盟号”载人飞船除上述27次飞行外,还进行了4次载人飞行。其中,1974年12月发射的“联盟16号”载人飞船试验了将与美国“阿波罗号”载人飞船对接飞行的技术状态;1975年7月发射的“联盟19号”载人飞船实现了与美国“阿波罗18号”载人飞船对接飞行和两飞船航天员的互访,也就是一飞船上的航天员通过舱外空间进入另一飞船;1975年4月发射的“联盟18A号”载人飞船,因运载火箭末级制导系统发生故障导致飞船应急返回;1976年9月发射的“联盟22号”载人飞船,试验了多光谱相机对地摄影技术。

2、“联盟T号”载人飞船

“联盟T号”载人飞船为“联盟号”载人飞船的改进型,其外形与原状态的“联盟号”载人飞船相同,起飞重量6.85吨。其中,返回舱重量3吨(其着陆时的重量为2.3吨),轨道舱重量1.1吨,仪器/设备舱重量2.75吨。与新状态的“联盟号”载人飞船相比,“联盟T号”载人飞船的主要改进点和效果有:恢复了太阳能电池翼,从而使飞船自主飞行时间增长;采用了新的、质地更加柔软和轻逸的材料制作航天服,从而使航天服的重量和体积均有减小;控制系统改为基于船载数字计算机的无平台惯性系统(即捷联式惯性系统),可使飞船在无人干预的情况下自动执行飞行控制任务;动力系统采用双组元统一推进系统,由此使姿态控制发动机在紧急情况下可作为主发动机(变轨发动机)的备份;返回舱内部进行了重新设计,加之航天服体积缩小,使返回舱可容纳3名身着航天服的乘员。

“联盟T号”载人飞船于1979年12月启用,首次发射的是1艘无人飞船。在此之前,前苏联于1974年8月～1979年1月用“宇宙”670号、772号、869号、1001号、1074号5个“宇宙号”无人飞行器进行了与“联盟T号”载人飞船有关的技术试验。“联盟T号”载人飞船于1980年6月～1985年6月分别为“礼炮6号”空间站和“礼炮7号”空间站送入3组(共7名)航天员、9组(共24名)航天员。在此期间,还进行了另外2次载人发射。其中,1983年4月发射的“联盟T8号”未能与“礼炮7号”空间站对接;1983年9月发射的“联盟T10A号”临射前运载火箭推进剂泄漏引起大火,航天员逃逸救生成功。题图为“联盟T号”飞船与“礼炮7号”空间站组成的轨道联合体。

最后一次发射的“联盟T号”载人飞船为1986年3月发射的“联盟T15号”飞船。该飞船将2名航天员先送入当年2月发射入轨的“和平号”空间站的核心舱,后又转移到“礼炮7号”空间站、最后再送回到“和平号”空间站,完成了航天员在处于相邻轨道上两个空间站之间的转移任务。它在一定程度上起到了轨道间机动飞行器的作用。

3、“联盟TM号”载人飞船

“联盟TM号”载人飞船是“联盟T号”载人飞船的现代化产物,起飞重量7.7吨。其中,返回舱重量3.7吨(其着陆时的重量为3吨),轨道舱重量1.2吨,仪器/设备舱重量2.8吨。与“联盟T号”载人飞船相比,“联盟TM号”载人飞船的主要改进点和效果有:采用了新的对接系统,使飞船能与处在任何相对姿态的空间站对接,而“联盟T号”载人飞船的锥形对接装置要求空间站与飞船的轴线一致才能对接;采用了新而轻的降落伞,使飞船携带物资达350公斤,使其携带返回地面物资的重量增加到100公斤;动力系统提高了性能和可靠性,使封存时间延长到6个月;采用了新的通信系统等。

“联盟TM号”载人飞船于1986年5月进行了1次不载人飞行、试验了与“和平号”空间站的对接可行性后,从1987年2月开始执行为“和平号”空间站运送航天员的任务。截至前苏联完全解体的1991年12月,“联盟TM号”载人飞船共为“和平号”空间站送入11组(共29人次)航天员。1992年～2000年,俄罗斯研制发射的“联盟TM号”载人飞船共为“和平号”空间站送入17组(共45人次)航天员,其中包括最后一次进驻“和平号”空间站的1组2名航天员,并为正在建造的国际空间站送入第一组3名航天员。

小结

从前苏联(俄罗斯)于1958年～2000年发展飞船载人航天的情况,可以看到:

在各种型号载人飞船进行载人飞行之前(个别的型号在首次载人飞行发生灾难性事故之后),都用与之相近的无人航天器或不载人状态的飞船进行了相关技术的先验性试验。对有的型号的载人飞船,如“东方号”、“联盟号”等,进行这种先验性试验的无人航天器较多,最多达7个。

研制载人飞船首先解决的是航天员安全进入太空、在轨道上生活和工作、返回地面的问题,然后再试验两航天器轨道交会对接技术和航天员出舱活动技术。同时,进行后两项试验的飞船状态不仅相互之间(指或单独试验对接、或单独试验出舱)可以有所不同,而且与仅用于前一项试验的飞船状态有较大差异。例如,“上升1号”载人飞船实现了1船载3名航天员,而用来进行首次航天员出舱活动的“上升2号”载人飞船只载2名航天员、但增设了1个作为航天员出舱通道的气闸舱;不进行交会对接试验的“联盟号”载人飞船不带对接装置。

从发生时间的先后来看,1965年3月用载人飞船进行航天员首次出舱活动试验要比进行两载人飞船首次轨道交会对接试验(1969年1月)来得早。但在载人飞船用作空间站的乘员运输器之前,仅利用载人飞船进行过2次为时很短、任务简单且具有政治色彩(争世界第一)的出舱活动。除上述2次外,航天员出舱活动直至1977年12月才有“礼炮6号”空间站重新开始进行。从安全性出发,利用载人飞船进行出舱活动试验也具有一定的局限性。因为载人飞船的飞行时间很短,而航天员在入轨后的头3～5天内处于适应太空环境的调节期。在这个调节期内,一般不宜进行航天员出舱活动。

尽管在将载人飞船用作空间站的乘员运输器之前,用2艘“联盟号”载人飞船进行了1次轨道交会对接试验并获得成功,但“联盟”型载人飞船与空间站的对接一直到“联盟TM号”载人飞船、“和平号”空间站出现后才未出现两者对接失败的记录。“联盟号”载人飞船在与“礼炮”1号、3～6号空间站进行的27次轨道交会对接中,有4次失败,两者对接失败率为14.8%。“联盟T号”载人飞船在与“礼炮”6号、7号空间站进行的15次轨道交会对接中有1次失败,两者对接失败率为6.7%。

研制载人飞船的最终目的是作为载人空间站的乘员运输器,即所谓“造船为建站”。

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