载人飞船和航天飞机不同处

第1讲　载人航天器

1961年4月12日10时55分，苏联萨拉托夫州恩格斯城西南郊的田野上，护林员塔赫塔罗夫的妻子塔赫塔罗娃正在田里劳作。“奶奶，快来看！”6岁小孙女丽塔的尖叫声，使塔赫塔罗娃大吃一惊！她抬头望去，只见大麦地里站着一个身穿橘红色飞行服、被彩色降落伞拉住的人。这个人就是刚从天外归来的英雄——尤里·加加林。一个多小时前，他才从拜科努尔发射场乘坐“东方1号”宇宙飞船出发，在遨游太空108分钟后安全返回地面。这一爆炸性的消息，迅即传遍全世界。加加林太空遨游之举是人类飞向太空的第一步，从此结束了人类上太空无门的历史。

载人宇宙飞船

载人宇宙飞船又称载人航天飞船，加加林所乘坐的“东方1号”，就是最早的载人宇宙飞船。它借助于运载火箭进入太空，绕地球轨道运行；载人宇宙飞船内有适合人工作和生活的人造环境；返回地面时用降落伞和缓冲装置实现软着陆。

人类已研制出的载人宇宙飞船的结构有3种，即一舱式、两舱式和三舱式。其中一舱式最为简单，只有航天员的座舱。两舱室载人宇宙飞船由座舱（返回舱）和提供动力、电源、氧气和水的服务舱（推进舱）组成。最复杂的是三舱式，它在两舱式基础上增加了一个轨道舱或登月舱。

航天与宇航

对于航天与宇航，科学家钱学森是这样定义的：在大气层以外太阳系以内飞行的叫“航天”，到太阳系以外的银河系去飞行叫“宇航”。因此，我们现在绝大多数的空间活动都属于“航天”范畴。根据这个定义，于1977年9月5日发射的美国“旅行者1号”空间探测器，目前已抵达太阳系边缘，很快将飞出太阳系，并向宇宙深处飞去，开创人类进行“宇航”的新时代。

“神舟五号”飞船　“神舟五号”飞船是中国首次发射的载人宇宙飞船。它于2003年10月15日发射，将航天员杨利伟送入了太空。“神舟五号”的成功发射标志着中国进入太空新时代。“神舟五号”由轨道舱、返回舱、推进舱和附加段组成，总长8.86米，总质量为7840千克。轨道舱为密封舱结构，位于飞船的前端，外形为两端带有锥度的圆柱形。舱内装有多种仪器，是航天员在空间开展工作的场所。返回舱为密封舱结构，位于三舱中间，外形像一口大钟。它是航天员升空、返回及生活的座舱（舱中设有两个航天员坐的特种椅子）。它是飞船的控制中心和与地面联系的通信中心，是飞船的核心部位。推进舱为非密封结构，位于飞船的后部，呈圆柱形，是飞船的动力源，装有变轨用发动机和姿态控制发动机。附加段亦为非密封结构，位于飞船的最前端，用于飞船之间或飞船与空间站之间的对接，也可用于空间探测。飞船完成使命返回地面时，只有其中的返回舱返回。

“神舟六号”飞船　“神舟六号”飞船于2005年10月12日发射，其主要结构组成仍为三舱，即轨道舱、返回舱和推进舱。由于所承担的飞行任务发生了变化，“神舟六号”取消了附加段，但对轨道舱内的布局做了较大的调整，以便航天员进入轨道舱内工作和生活，实现真正有人参与的空间飞行试验。与“神舟五号”相比，“神舟六号”还进行了100多项技术状态的改进，进一步提高了可靠性。

“神舟七号”飞船“神舟七号”飞船于2008年9月25日发射，也采用三舱式结构。与前两艘“神舟”飞船不同的是，“神舟七号”在轨道舱内设计了一个“夹层”——气闸舱，为航天员进、出舱时升、减压。

“神舟七号”返回舱

航天员杨利伟

空　间　站

空间站是一种可在近地轨道（轨道高度约离地面400~500千米）长时间运行，可供多名航天员在其中生活、工作的载人航天器。它的特点是体积比较大、能源相对充足、在轨飞行时间长、功能多且较经济，是进行技术试验和科学实验研究的空间应用平台。1971年4月19日，苏联成功地将世界上第一个空间站“礼炮1号”发射上天，迄今为止，已有9个空间站被送上了太空。而由16个国家参与的国际空间站的建成，更标志着载人航天事业进入了一个新的阶段。

“和平号”空间站与航天飞机对接

空间站通常由对接舱、气闸舱、轨道工作舱、压力生活舱、服务舱、专用设备舱和太阳能电池阵翼等部分组成。

国际空间站

空间站的结构形式主要有积木式和桁架式。积木式空间站由多个舱段在空间交会对接后组成。“和平号”空间站是典型的积木式空间站。桁架式空间站以桁架为基本结构，各种舱体均可挂靠在桁架上。这种结构灵活性很大，可根据需要“挂”、“搭”成不同形状的空间站，但这种结构需航天员出舱进行搭建，技术难度较大。国际空间站的基本结构为桁架式，又采用积木式结构，是一种混合体结构。

“和平号”空间站　苏联于1986年2月20日发射“和平号”空间站核心舱。后来在核心舱上又对接了“量子一号”、“量子二号”、“晶体号”、“光谱号”和“自然号”专业舱。上述6个舱段和“联盟TM”飞船、“进步号”货运飞船又进一步组成了“和平号”空间站联合体。“和平号”空间站长50多米，总质量为123吨，总容积470立方米。“和平号”空间站原设计寿命为5年，实际上却使用了15年。其间共有12个国家的134名航天员在站上工作和生活。俄罗斯航天员波利亚利夫和阿夫杰耶夫分别创造了连续生活438天和累计生活746天的纪录。还有31艘载人飞船、62艘货运飞船和9架次航天飞机与“和平号”空间站进行过对接。在15年中，“和平号”空间站上进行了生命科学、材料加工、太空制药、对地观测等领域和学科的20多个科研计划和近2.2万次实验，获得了极其重要的科研成果。“和平号”空间站立下了丰功伟绩。2001年3月23日，“和平号”空间站结束了它的载人航天使命，坠入大气层烧毁，未烧毁的部件散落在南太平洋上。

中国的载人航天工程分三步走

第一步：发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验。第一步已经胜利完成。

第二步：在第一艘载人飞船发射成功后，突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术，并利用载人飞船技术改装、发射一个空间实验室，建立有一定规模的、短期有人照料的空间站。于2008年9月25日21时10分成功发射升空并取得圆满成功的“神舟七号”载人飞船，是第二步的良好开局。

第三步：建造载人空间站，建立有较大规模的、长期有人照料的空间站。

国际空间站　国际空间站是由16个国家于1993年联合建造的世界上最大的航天工程。建成后的国际空间站总质量达453.6吨，长108米，宽85米，运行轨道高度为397千米，可容纳7名航天员长期居住和工作，最多可接待15人同时进行科学考察，设计寿命15年。

国际空间站的主要功能是：一、开发和利用太空资源。例如，利用空间站上的微重力条件进行空间材料加工、生物制药和太空育种；利用空间站所处的高远位置，对地面、海洋和大气进行观测；还可利用空间的特殊环境，进行军事应用试验。二、开展空间科学研究。例如，观测和探索空间环境，发射人造卫星和深空探测器，进行空间物理学和天文学研究等。三、试验和发展空间新技术。例如，试验开发新能源、新材料、新结构、新设备。四、开展太空旅游和观光。国际空间站是近期太空旅游的主要目的地。

“天宫”系列航天器

“神舟五号”、“神舟六号”飞船的成功飞行，标志着我国载人航天工程的第一步已胜利完成。“神舟七号”飞船的成功发射和返回，以及航天员在太空行走时的美妙“舞姿”，宣告我国载人航天工程的第二步已开了一个好头，其后续任务是“天宫一号”目标飞行器和“神舟八号”等飞船在空间轨道上进行交会对接。所谓交会对接，是指两个航天器，于同一时间在轨道同一位置以相同速度会合，并连成一个整体的过程。两个航天器要经过接近、接触、捕获和校正，最后才紧固联结成一个复合航天器。

“天宫一号”1∶1模型

“天宫一号”与飞船的对接示意图

“天宫一号”于2011年9月29日发射，它实际上是空间实验室的实验版，采用两舱结构，分别为实验舱和资源舱。实验舱用于航天员驻留太空期间在轨工作和生活。资源舱内有发动机、电源装置等，为“天宫一号”提供动力。在实验舱的前端安装有交会对接机构。该机构像一扇圆形的门，内部直径约0.8米，航天员可通过这扇“门”从飞船进入“天宫一号”。“天宫一号”重8000千克，设计寿命2年。所以“天宫一号”一旦发射上太空，“神舟八号”、“神舟九号”和“神舟十号”飞船就要在两年内连续发射，并与“天宫一号”进行交会对接。2011年11月3日凌晨，“天宫一号”和已于两天前发射升空的“神州八号”飞船成功对接。11天后，两者再次成功对接。

“天宫一号”发射之后，还将发射“天宫二号”、“天宫三号”。“天宫二号”将主要开展对地观测及空间地球科学、空间应用新技术和航天医学等领域的应用和试验。“天宫三号”将主要完成验证水、大气再生和生命保障系统的关键技术试验，航天员中期在轨驻留试验，货运飞船在轨试验等，还将开展部分空间科学和航天医学试验。

航　天　飞　机

“奋进号”航天飞机返回地面

宇宙飞船是用运载火箭发射的，但宇宙飞船和运载火箭的研究、制造、发射要耗费巨大的人力、物力和财力，而且宇宙飞船和运载火箭只能使用一次，下次发射还要重新制造。为了改变宇宙飞船发射费用昂贵、只能使用一次的局面，科学家们便设想将航空和航天结合起来，研制出一种能经常往返于太空和地面的运载工具。这种运载工具能重复使用，在完成任务后能像飞机飞回来并在机场上着落；能携带各种人员；备有较大的货舱，且能让科学家方便地进入舱内从事各种科学实验；能随时改变自己的运行轨道，与人造卫星等航天器对接，并能在太空中施放和回收人造卫星。归结起来，这种运载工具应是一种有人驾驶的、可重复使用的航天器，集火箭、宇宙飞船与飞机的优点于一身，它既能像火箭一样垂直发射，又能像宇宙飞船那样在太空轨道上绕地球飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆。20世纪70年代起，美国研制成功了具备上述功能的6架新型航天器，它们是“企业号”、“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号”、“阿特兰蒂斯号”和“奋进号”，它们都被称作“航天飞机”。

“奋进号”航天飞机发射升空

航天飞机是由轨道器、固体燃料助推火箭和推进剂外储存箱组成的往返式航天器系统。轨道器是航天飞机的核心部分，外形极像飞机。

以“阿特兰蒂斯号”为例，轨道器全长37米，起落架放下后其总高度为17米。轨道器分前、中、后三段。

轨道器的前段是乘员座舱，分上、中、下三层，上层是驾驶室，由于采取了密封、隔热措施，可保持与地面差不多的温度和压力；中层是航天员及随行科学家的生活室；下层是机房，装有空调系统和供给系统。

轨道器的中段由机翼和货舱组成。货舱呈圆筒形，主要存放各种准备带到太空中施放或进行科学实验的设备。货舱里装有遥控机械手，航天员通过操纵遥控机械手可以将人造卫星送入轨道，抓住在轨卫星送回舱内进行修理，发射太空探测器或运送建造空间站的材料。遥控机械手非常灵活且活动范围很大，由于太空是微重力环境，所以遥控机械手能将很重的物件轻轻地抓起来，而且所花时间很少。如要把质量为29吨的圆形金属件从货舱里提起来放到太空中去，随后把一个正在轨道上飞行的质量为11吨的失效人造卫星抓住并放回货舱，总共只需要16分钟。

载人航天器上也有“黑盒子”

飞机上都装有“黑盒子”，即飞行数据记录器。其实“黑盒子”并不是黑色的盒子，为了便于寻找，“黑盒子”的外表均涂以鲜明的色彩。

在载人航天器上也要装“黑盒子”。它的学名叫应急数据记录器。它能及时记录航天器从发射准备到返回着陆整个过程的一系列重要数据，如航天器内的温度、压力、飞行姿态、飞船上的电源供电状况。“黑盒子”只是一个数据记录装置，不会采集更不会处理数据，因此还要配一个会采集又能处理的航天器数据管理分系统。保护好“黑盒子”极其重要，因此“黑盒子”必须用特殊材料进行特殊设计。

轨道器的后段装有3台主发动机和2台机动发动机，还有一组反作用控制发动机组。3台主发动机用于起飞。在航天飞机进入绕地球轨道、改变轨道、与人造卫星交会、脱离绕地球轨道返回地面时，机动发动机可提供适当的推力。反作用控制发动机组因喷气口的朝向能改变，能控制飞行姿态和飞行稳定性。

轨道器的形状设计很有讲究。由于轨道器在返回地球大气层时还要像飞机那样滑翔，根据空气动力学，它应有一对宽大的机翼，以便于控制飞行姿态和下降速度，所以，美国科学家将轨道器的形状设计成普通飞机那样。

航天飞机曾经辉煌一时，也确实对人类的航天事业作出过重大贡献。有不少科学家把“阿波罗11号”载人登月看作是太空时代的第一个里程碑，而把航天飞机的正式飞行列为太空时代的第二个里程碑。

“阿特兰蒂斯号”脱离国际空间站

但是随着航天事业的迅猛发展，存在于航天飞机上的隐患逐渐暴露出来。特别是“挑战者号”、“哥伦比亚号”航天飞机的两次失事，使14名航天员罹难，这血的教训打碎了环绕在航天飞机上的光环！航天飞机从昔日辉煌的顶点迅速滑落下来。美国迄今共建造了6架航天飞机，其中“企业号”为样机；“挑战者号”及“哥伦比亚号”分别于1986年和2003年因爆炸而解体；“发现号”则于2011年2月24日进行了自1984年8月服役以来的第39次飞行，这也是计划中的最后一次飞行；而“奋进号”于2011年5月16日开始了其服役20年来的最后一次太空之旅；“阿特兰蒂斯号”也于2011年7月8日进行了最后一次飞行。2011年7月21日，“阿特兰蒂斯号”安全返回地面，为美国为期30年的航天飞机项目画上了句号。今后，人们只能在博物馆一睹它们的芳容。

航天飞机“乘坐”波音747飞机

航天飞机退出历史舞台，是与它存在诸多“顽疾”分不开的，这些“顽疾”包括：一、研制极其困难，航天飞机涉及的科学技术门类繁多，使其研制非常困难，而且有些困难是宇宙飞船所不能比拟的。比如发动机，航天飞机上的发动机要能多次使用，总使用时间应在数小时，而宇宙飞船上的发动机仅一次性使用，只要几分钟左右。这就使航天飞机的发动机在设计、材料和制造工艺等方面要多花费数倍乃至数十倍的精力、财力。二、高风险性，“挑战者号”和“哥伦比亚号”的爆炸就是一个证明。三、发射费用高昂，维修复杂。据报道，用航天飞机运送1千克载荷到太空，要花费2.5万欧元。维修复杂则主要体现在隔热瓦的修补上。据统计，每次飞行，航天飞机上都会有20~140块隔热瓦脱落或损毁。隔热瓦的维修非常复杂，但不维修还不行，维修不到位也不行，因为隔热瓦是否完好无损是关系到人机存亡的大事，“哥伦比亚号”空中解体就祸自隔热瓦。

空　天　飞　机

航天飞机已全部退役，研制新一代航天器势在必行！于是，一种把航天飞机和航空飞机结合起来的飞机——空天飞机的设想诞生了！

空天飞机又称航空航天飞机，它既能像航空飞机那样在大气层中飞行，又能像航天飞机那样在大气层外飞行！空天飞机不再有固体燃料助推火箭和推进剂外储存箱，飞行中也无需分离装置。它还将采用全新研制的高能高效燃料，并以新型吸气助燃和液氢-液氧火箭推进组合式发动机作为推进系统。

在60千米高空，含氧量仅为地面的6/10000。此时，吸气助燃推进发动机会因缺氧而无法工作，而空天飞机则能自动开启液氢-液氧火箭助推器，使其以8千米/秒的速度飞向100千米的太空轨道。

目前，美国、德国、日本、英国等国家研制中的空天飞机有两种类型：一种是单级型，另一种是双级型。单级型是把航空发动机和航天发动机装在一个飞行器中。美国的空天飞机是典型的单级型，即在起飞和大气层中飞行时用航空发动机；当达到一定时速时，航天发动机启动。双级型是把航空发动机和航天发动机分别装在两个飞行器中。德国的“桑格尔”空天飞机就属双级型空天飞机。双级型的具体做法是让一架高超声速运输机“驮”着一架小型航天飞机。飞行时，先由运输机带着小型航天飞机飞到30千米高空，然后两者分离，航天飞机点火飞向太空。据报道，双级型空天飞机比单级型空天飞机进展快。

空天飞机可以完成航天飞机能完成的所有任务，如可以把大型卫星送入地球轨道，而且一次可以施放几颗卫星；能对运行在地球轨道上的卫星进行维修和回收；能向空间站运送航天员和各种物资；甚至可以作为一种武器，破坏敌方的卫星，执行拦截、侦察、轰炸等军事任务。空天飞机的发射费用低，这主要是因为它不需要专门的发射场。空天飞机可以重复使用，预计第一代空天飞机可以重复使用200~500次。目前一次性的运载火箭发射费用高达1亿美元左右。而空天飞机起飞一次仅需1000万美元左右，如果第二代空天飞机能重复使用数千次，那么它的发射费用应该会更低。空天飞机的导航、控制系统具有很大的自主性，可以大大减小地面控制中心的规模和复杂性。空天飞机的发射和返回程序比较简单，而且可像对普通飞机一样对它加注燃料和进行检修，可大大减少检修人员。另外，空天飞机不易造成污染。

美国X-37B空天飞机

据报道，美国研制的两架X-37B空天飞机已分别于2010年4月22日和2011年3月5日发射升空，执行空间测试任务。据报道，当X-37B发射升空后，所有“动作”均可自动进行，无需地面技术人员遥控。为防止泄密，一旦该机偏离预定轨道，可远程遥控将其引爆！

学习活动

1.请讲述“神舟”系列载人宇宙飞船的结构组成。

2.从2011年开始中国有哪些“挺进深空”的行动？

3.航天飞机退役的原因是什么？

4.请说出空间站的特点。