“伽利略”飞向木星

第四章　航天飞行器科技大观

载人航天器的分类

载人航天是指人类驾驶和乘坐载人航天器在太空从事各种探测、试验、研究、军事和生产的往返飞行活动,其目的在于让人类更好地认知整个宇宙。

载人航天器能突破地球大气的屏障,克服地球引力,把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空,使人类能更广泛和深入地认识地球及其周围的环境,更好地认知整个宇宙,并充分利用太空和载人航天器的特殊环境从事各种试验和研究活动,开发太空及其丰富的资源。

根据飞行和工作方式的不同,载人航天器可分为载人飞船、空间站和航天飞机三类。

载人飞船是能保障宇航员在外层空间生活和工作、执行航天任务并返回地面的航天器。它运行时间有限,是仅能一次使用的返回型载人航天器。载人飞船可以独立进行航天活动,也可作为往返于地面和空间站之间的“渡船”,还能与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。飞船容积较小,受到所载消耗性物资数量的限制,不具备再补给的能力。

载人飞船用途很多,主要包括进行近地轨道飞行,试验各种载人航天技术,如轨道交会与对接和宇航员在轨道上出舱、进入太空活动等;考察轨道上失重和空间辐射等因素对人体的影响,发展航天医学;进行载人星际飞行;为空间站接送人员和运送物资;进行军事侦察和地球资源勘测;进行临时性的天文观测等。

苏联于1961年4月12日发射了世界上第一艘“东方号”载人飞船,后来又相继发射了“上升号”飞船和“联盟号”飞船。“水星计划”是美国1958年开始实施的第一个载人航天计划。1969年7月21日,美国成功发射阿波罗Ⅱ号登月飞船,人类载人航天和空间探索取得重大突破。

空间站与载人飞船相比,具有容积大、载人多、寿命长、可综合利用的优点,是发展航天技术、开发利用宇宙空间的基础设施。1971年,苏联发射了第一个空间站礼炮号,标志着人类航天技术进入新的阶段。迄今俄罗斯已经发射了三代共8艘航天站。

航天飞机是美国继“阿波罗”之后的又一项庞大航天计划。这个计划的主要优势在于:技术上有创新,有利于保持美国的技术领先地位;用途广泛,可满足军民两方面发射、修理和回收卫星以及运送人员、物资等需要;可多次重复使用,能显著降低运载成本。

美国从1972～1981年集中大量财力研制航天飞机,经过近10年的努力终于研制成功并投入使用。1981年,美国发射了世界上第一架航天飞机—哥伦比亚号,接着又相继研制了“挑战者号”“发现号”“亚特兰蒂斯号”和“奋进号”航天飞机(1986年“挑战者号”、2004年“哥伦比亚号”相继失事)。

宇宙飞船的类型

宇宙飞船是一种运送航天员或货物到太空、并安全返回的航天器。它一般可载2～3名航天员,在轨运行时间通常为几天到半个月,能基本保证航天员在太空短期生活并进行一定量的工作。宇宙飞船经过五十多年的发展,技术日臻成熟,飞船也已发展成为一个庞大的家族。

宇宙飞船除了有载人飞船外,还有货运宇宙飞船、载人货运混合型宇宙飞船。若按照飞行任务的不同可分为卫星式载人飞船、登月式载人飞船和行星际载人飞船。

目前用途最广的是卫星式载人飞船,如中国的“神舟”五号、六号、七号、八号、九号飞船均属此类。它像卫星一样在距地面几百千米的近地轨道上飞行,飞行速度为第一宇宙速度(7.9千米/秒),根据其结构组成可分为一舱式、二舱式和三舱式3种。一舱式只有座舱,二舱式由座舱和服务舱组成,三舱式是在二舱式基础上再增加一个轨道舱。有的还附有气闸舱、对接机构,但在载人飞船上均配置应急救生装置。

登月式载人飞船是在两舱式飞船的基础上增设一个登月舱而成。当登月飞船进入月球轨道时,航天员可乘坐登月舱在月面着陆,完成在月面的任务后再乘登月舱飞离月面。该种飞船在美国“阿波罗计划”中已多次使用,并获得成功。

行星际载人飞船是未来的宇宙飞船。根据发展需要,行星际载人飞船要向这三个方面发展:一是有多种功能;二是返回落点的控制精度要达到百米级范围以内;三是返回地面的座舱经适当修整后可重复使用。据报道,美国珀杜大学研究人员正在研制一种地球与火星之间来回飞行的旅游星际飞船,它利用太阳、行星及卫星的引力将游客送到目的地。美国航空航天局还在研制核能动力星际飞船,这种飞船能在2个月内从地球飞到火星,命名为“普罗米修斯计划”。它自带小型核能发电机,时速可达到8.7万千米/小时,这一速度大约是普通航天器的3倍。有了核能航天器,就能用比目前短得多的时间将乘员送到比月球更远的地方去。美国德克萨斯有一家名为“集体行动”的公司,正在研制一艘有一个足球场那么大的太阳能飞船,称之为“人类首架星际飞船”。据资料介绍,该星际飞船的目的地是穿越太阳系进入神秘的银河系世界去探访。俄罗斯也不示弱,决心与美国在行星际载人飞船方面较较劲,2002年12月首次发射了以太阳能为动力的“宇宙1号”飞船,开创了以太阳能为动力的航天器新时代,并计划研制光子航天器。光子是一种极微小的能量包,既可能是波,也可能是一种粒子,无数光子的反射使飞船受到力量相等的反作用力,从而使光子飞船虽加速比较缓慢,但能持久加速,足以使它在星际快速飞翔。

在飞船的研制中,美、俄两国各有千秋,在登月式飞船中美国是一枝独秀(俄罗斯至少尚未实际使用过),而卫星式飞船应该是俄罗斯技高一筹:俄罗斯至今在飞船上已发展了三代,第一代是“东方号”,第二代是“上升号”,第三代是“联盟号”,最新型的“联盟”飞船为“联盟-TMA”型。当然,在航天飞机方面,俄罗斯自愧不如。航天飞机是一种载人的太空飞行器。它的最突出优点在于可以反复使用,因此是空间技术发展进程中的一个突破。它为人类探索宇宙、开发太空领域提供了经济实用的工具,所以航天飞机的发明被称为人类通向宇宙之路的又一里程碑。在航天飞机诞生之前,人类探索太空的工具,不论是人造卫星、登月飞船,还是随后的太空实验室,都是通过发射一个又一个功率巨大的运载火箭来把它们送上太空的。运载火箭是使卫星和飞船进入预定 轨道运行的主要运输工具。

研究、设计和制造这样的运载火箭需要耗费大量的人力、物力和财力,这种代价高昂的运载火箭只能使用一次;每发射一次卫星或飞船都要重新制造一个甚至几个运载火箭。1969年,美国发射的第一次把人送上月球的“土星5号”运载火箭和“阿波罗”登月飞船,起飞总重量为2800多吨,但除了约5吨重的登月指令舱外,全部器件只使用一次就丢弃在宇宙空间。像这样的发射,每次要花费1750万美元。正因为如此,所以美国的“阿波罗计划”到1972年12月19日,“阿波罗17号”宇宙飞船运载3名宇航员登月归来以后,就此告一段落。

不过,有很多宇航方面的专家不肯罢休,他们始终认为探索宇宙,能为人类带来无法估量的好处。所以,每年仍然有一大批人造卫星飞上天空。美国宇航局的科学家还利用“阿波罗计划”中已造好而没有来得及利用的“土星5号”火箭,成功地发射了太空实验室。然而,由此也带来了麻烦:施放到太空围绕地球运转的人造卫星并不能保证百分之百地投入使用,有时由于装在它“肚子”里的仪器设备发生了意料不到的故障,导致整个卫星失效。像这种局部损坏,只需稍加修理就能正常工作的人造卫星为数不少。它们不能发挥作用,只是绕着地球一圈又一圈地转,变成了太空的“流浪汉”,如果碰巧撞上了正在正常飞行的人造卫星,还会引起一场爆炸。还有比人造卫星更复杂、高级、造价更高的太空实验室,一旦它储存的食物、氧气、实验物品用完以后,无法得到补充,结果也逃脱不了被丢弃的命运。它和失效的人造卫星一样,白白占据了地球上空目前已经显得很“拥挤”的运转轨道的位置。

当然,也可以另外派一艘宇宙飞船到轨道上去给实验室补充给养。但这样一来,问题又涉及每次要动用一枚只能用一次、价值几千万美元的运载火箭,花费太大了!

这种被动局面严重地阻碍了宇宙航行事业的蓬勃发展。因此,研究一种可以重复使用的工具,以便大大降低宇宙航行的成本,就成了人们发展宇宙航行事业需要解决的当务之急。对于这种未来的运载工具应该具备什么特点呢?各方面的专家为当时还没有出生的“胎儿”勾勒了一副大致的“面貌”:它必须可以重复使用、经久耐用,在完成了各项任务以后,能像普通飞机一样返回,在常规机场跑道上平稳降落。它必须能携带各种各样的人员,包括没有受过专门飞行训练的普通人。它必须有较宽大的货舱,可以容纳各种各样的物品,而随机的科学家只需通过短距离的通道就能够进入货舱,进行各项理化实验。它能随时改变自身的运行轨道,跟正在绕地球运转的各种人造卫星、太空实验室靠拢甚至对接,从而对那些失效的人造卫星进行修理保养工作,为太空实验室运送物资,担负太空紧急救援任务。它必须能施放和回收各种人造卫星,或者作为一种中间站,供飞往其他星球的宇宙飞船起落逗留。一句话,它是一种具有运载火箭性质、来回于太空与地球之间、像飞机一样的宇宙运输工具……它的名称就叫“航天飞机”。

美国是最早研究航天飞机各种可行方案的国家。从1972年停止“阿波罗计划”以后,就立即集中5万名高级技术人员,花了差不多10年时间和将近100亿美元的研制费用,终于把一张张蓝图上的设想变成了一架真正的航天飞机。

1981年4月12日,世界上第一架航天飞机“哥伦比亚号”,在一片欢呼声中徐徐上升,进入太空,在轨道上遨游了54小时后,安全返回地面。至1991年止,有5架航天飞机曾在太空遨游,其中美国有4架,苏联有1架。航天飞机往返于地球表面和近地轨道之间。运送有效载荷(如卫星、物品等)的飞行器,可以重复使用。

航天飞机设计成用火箭推进的飞机,它发射时像火箭那样垂直起飞,返回地面时能像滑翔机或飞机那样下滑和着陆,集中了许多现代科学技术成果,是火箭、航天器和航空技术的综合产物。

美国“哥伦比亚号”航天飞机由一个轨道器、1个外储箱和2个同体火箭助推器组成。

轨道器是航天飞机最复杂的部分,它的外形是一个三角翼滑翔机,长约37 米,高17.3米,翼展24米,它的货舱能把29.5吨重的有效载荷送上地球轨道,并能把15吨重的有效载荷带回地面。它可乘坐3～7名航天员,在轨道上连续飞行7～30天。

外储箱是航天飞机最大的部件,也是唯一不可回收的部件,用于储存航天飞机的燃料——液氢和液氧,并向发动机输送燃料。它长47.1米,直径8.38 米,装满燃料后重约740吨。固体火箭助推器内装固体燃料,为航天飞机垂直起飞和飞出大气层提供约78%的动力。它长45.5米,直径3.7米,重约566 吨,使用寿命为20次。

从1981年4月到1991年4月,航天飞机在太空中飞行了40次,完成了许多科学实验和研究项目,也执行了多次军事飞行任务,取得了许多重大科学技术成果,获得巨大的经济效益。

2008年7月7日,美国宇航局宣布现役3架航天飞机——“奋进号”“亚特兰蒂斯号”和“发现号”在2010年底前退役,同时启用新一代的“战神”火箭和“奥赖恩”载人飞船,承担美国人重返月球等载人飞行任务,不过奥巴马总统上台后,取消了“星座”项目,鼓励美国航空航天局发展商用载人航天器。

载人航天器与航天飞机有什么不同

载人飞船与航天飞机都能将航天员送入太空。它们具有载人航天器某些相同的特征。如它们都有环境控制和生命保障系统、应急救生系统、测控通信系统、交会与对接系统、返回着陆系统等。但它们在采用的技术和承担的任务等诸多方面都有很大的不同。它们的主要不同处如下。

航天飞机是一种有翼载人航天器,完成轨道飞行任务,由它本身携带的固体火箭助推器和轨道器主发动器作垂直起飞完成。返回地球时借助机翼获得升力,像飞机一样滑翔着陆,能准确降落在跑道上。无论是起飞还是返回,在整个过程中所产生的加速度较小,对航天员的影响远比飞船小,而且航天飞机上的各种条件如环境空间等都比较舒适。

载人飞船是一种无翼的载人航天器,靠运载火箭发射升空,完成轨道任务后只能以弹道式等方式返回地面,落地的误差较大(和航天飞机能准确对准跑道降落相比,其误差相差数十倍到更大)。无论是升空和返回加速度都很大,即会出现过载。因此,对航天员有更高的要求,必须经过特殊训练。

航天飞机还是一种可部分重复使用的航天器。它由轨道器、固体助推器、液体推进剂外储箱组成,其中轨道器使用后经维修可再次发射,设计寿命为可重复使用100次(主发动机为50次),固体助推器可重复使用20次,外储箱仅能使用一次。航天飞机运载能力很大,可将29.5吨物资送入185～1110千米的近地轨道,可载3～7人,独立飞行10～20天。它可用于空间运输、对地观测和天文观测、进行出舱活动,还可用来发射人造卫星、在轨维修航天器、回收失效卫星、开展空间科学实验和供军事侦察,或将14.5吨的货物运回地面。美国航天飞机经过5年研制,于1977年6月首次试飞取得成功。1981年4月12日,在肯尼迪航天中心,航天员约翰·杨和克里平驾驶航天飞机在太空翱翔,揭开了航天史上新的一页。它集火箭、卫星和飞机的技术特点于一身,它能像火箭那样垂直发射进入空间轨道,又能像卫星那样在太空轨道飞行,还能像飞机那样进入大气层滑翔着陆。1981～2000年,美国共有5架航天飞机进行了共101次飞行(“哥伦比亚”号26次,“挑战者号”10次,“发现号”28次,“亚特兰蒂斯号”22次,“奋进号”15次)。

载人飞船目前只能使用一次(不能重复使用),运载能力也有限,一般只能载3人和几百千克物资,在轨飞行10天左右。可用作空间运输等和航天飞机相类似的用途(登月载人飞船则可以执行登月飞行任务)。

航天飞机看似功能出众,但它结构复杂,技术难度大,制造和运行成本昂贵,而且至今还有一些关键问题没有得到根本解决。两次空难,14名航天员殒命,使航天飞机从昔日的辉煌急速滑落下去,迫切需要有更新的航天器来替代。

载人飞船则具有结构简单、技术成熟、研制周期短、成本低等特点。因此,选择载人飞船还是航天飞机,对任何一个国家来说,要根据本国国情、国力等来做决策,我国就是根据国情、国力等走载人飞船的道路,走高起点的载人飞船道路!事实证明是正确的。而能重复使用的载人飞船正在考虑之中,它的出现只是时间问题。

“挑战者号”航天飞机

“挑战者号”航天飞机是肯尼迪航天中心发射的第2架航天飞机,“挑战者”的名字来源于英国海军的一艘研究船,19世纪70年代,该船曾在大西洋和太平洋中航行过。

同其前任一样,“挑战者号”航天飞机为美国的航天科学发展作出了巨大贡献。1982 年,“挑战者号”开始正式服役,在完成了9次成功飞行后,1986年1月28日,载着7名成员的“挑战者号”在发射73秒后爆炸,这一惨剧震惊了世界。其实,“挑战者号”航天飞机最初只被设计为用于进行可靠性测试(STA-099)。在当时的条件下经过减重改进后的机体结构根本无法通过计算得到每一部件的受力情况,因此唯一保险的方法就是利用实验进行测试。“挑战者号”最初就是扮演这样的角色。1978年2月4日,罗克韦尔公司完成“挑战者号”主框架后送交洛克希德公司第42车间进行结构测试,实验在专门为航天飞机设计的重达43t的试验台上进行了11个月,试验台上有256个液压杆,作用于836个载荷作用点,在计算机的控制下,基本可以模拟航天飞机在发射、爬升、入轨和着陆时的载荷状态。3个100万磅重的液压装置模拟主发动机的推力。此外,还进行罗克韦尔公司原本被授权花费26亿美元建造两架航天飞机用于静态测试。1978年,美国政府决定不把“企业号”投入运营,这将导致当时的美国只有“哥伦比亚号”一艘可用的航天飞机。1979年1月29日,NASA决定同罗克韦尔公司追加合同,将“挑战者号”改造为用于太空飞行的航天飞机。“挑战者号”于1979 年11月7日返回罗克韦尔公司,开始了转为专用轨道飞行器的过程,这次改动规模仍非常大。为了将“挑战者号”上原先安装的伪成员舱改为可用,机身要进行大改;而机翼也必须经过加强才能抵消实验测试带来的破坏;座舱中还要加入两个显示屏。

“挑战者号”空重70.5吨,装上发动机后重79.43吨,比“哥伦比亚号”轻1.31吨。发生爆炸之前,“挑战者号”航天飞机共完成了9次飞行,在轨道上飞行了987圈,太空飞行时间为69天。

太空望远镜和著名的“哈勃太空望远镜”

地球周围被一层厚厚的大气所包围。这层大气是人类赖以生存繁衍的根本。没有它,地球就会像月球那样成为一个没有生命的死寂世界。但是,这层厚厚的大气却为天文观测设置了重大的障碍。这层大气使天文观测受到歪曲,使精确度大打折扣。天文学家为了尽量减少大气层的影响,往往要把天文台建筑在人迹罕至的高山上,理由很简单,就是为了在那里可以得到比较多的晴天,具有比较稳定的大气环境,为天文观测创造有利的条件。然而,即使是在高山上也远远比不上将望远镜架设在地球轨道上来得好,它不仅可以比在地面看到更多的天体和细节,而且观测的距离会更深远。为此,美国航空航天局决定要建造这样一架架设在太空中的天文望远镜。

太空望远镜要完成的使命包括以下几个方面。

一是测定宇宙的距离;二是测定宇宙的年龄,因为太空望远镜若能看到一百多亿光年或更远的地方,那或许就能看到一百多亿年的情景;三是洞察宇宙的命运,宇宙怎样发展下去;四是推测宇宙星系的变化,因为有了太空望远镜,就能使我们看到不同年龄的星系,从而可以描绘出星系变化的图像;五是寻找地球以外的行星系,也就是去寻找其他的太阳系。现在已知银河系中就有2000亿颗恒星,除了太阳系难道别的恒星周围就没有行星?若有行星,那么这个“新太阳系”中是否也有生命?有了太空望远镜,肯定会找到类似于人类居住的太阳系,因为它“站得高,看得远”;六是探测黑洞,由于黑洞有无比巨大的吸引力,能把周围一切物质吸进去,因此对黑洞无法直接观测,只能通过黑洞的温度变化和能量辐射被太空望远镜侦察出来;七是探测类星体,类星体处在十分遥远的空间,很难看到它的本来面目(在地面上观测,类星体只是一个点),依靠太空望远镜或许能揭开它的神秘面纱;八是从太空中观测太阳系,比在地球上观测要清楚得更多更多。还可以提出一些其他的探测内容。可以这样说,太空望远镜肩负着帮助人类进一步认识宇宙太空的重大使命。

“哈勃太空望远镜”

“哈勃太空望远镜”是美国航空航天局主持建造的一座巨型空间天文台,也是迄今为止在天文观测项目中投资最多、最受关注的一架太空望远镜。为纪念杰出的天文学家哈勃而定名为“哈勃太空望远镜”。

“哈勃太空望远镜”自1994年发射入太空后,至今近二十年的时间里虽然数度身患“重症”,但均“妙手回春”。它在空间观测中立下了丰功伟绩,取得了一系列极有价值的发现,例如,它观测的最远距离已达140亿光年。并证明在某些星系中央存在超高质量黑洞;拍摄到第一幅太阳系外的行星图像;对千载难逢的“彗木相撞”做了详细的观测;对火星等太阳系行星的气候情况进行了研究等。因此,“哈勃太空望远镜”大大增进了人类对宇宙的了解,使天文学家有可能跟踪宇宙发展的历史。

哈勃太空望远镜的主要数据如下:

镜筒长度13.3米,镜筒直径4.3米,总重量1.16万千克,主镜直径2.4 米,副镜直径0.34米,预计寿命约15年。

可观测范围:可见光、紫外光与红外光。

太阳能电池板面积:11.8米×(2～3)米。

轨道高度:600千米。

绕地球一周:95分钟。

能看到的最暗天体:30星等(约相当于人眼视力的40亿倍)。

哈勃太空望远镜主要组成件:主镜、副镜、精密导光器、恒星追踪器、无线电天线、科学仪器,太阳能电池板等。

哈勃太空望远镜的简要工作过程如下。

太空中的微弱星光首先进入直径2.4米的主镜,然后通过主镜集光再反射到0.34米直径的副镜上,再通过主镜中央的小孔聚焦在观测仪器上。恒星追踪器可以保证星象的位置准确稳定,精密导光器可使星象十分清楚。其他各种仪器可根据不同的目的开展有关工作,通过无线电天线接收地面指令。太阳能电池板提供望远镜工作所需的能源。

探索空间站

由于宇宙飞船体积较小,人在飞船上的行动不便,在太空停留的时间又不长,不能携带太多的科学仪器设备进行科研活动,而且一个接一个的发射也耗费了巨额资金和大量的人力、物力。为了开发太空,人们需要建立长期生活和工作的基地。这就迫使人们考虑建造体积更大、活动更自由的飞船,以便装上更多的生活用品和仪器设备,送上轨道长期运行。在这种情况下,空间站就应运而生了。

空间站是一种在近地轨道长时间运行,可供多名航天员在其中生活工作和巡访的载人航天器。小型的空间站可一次发射完成,较大型的可分批发射组件,在太空中组装成为整体。在空间站中要有人能够生活的一切设施,不再返回地球。

到目前为止,全世界已发射了9个空间站。其中苏联共发射8座,美国发射1座。

苏联是首先发射载人空间站的国家。其“礼炮1号”空间站在1971年4月发射,后在太空与“联盟号”飞船对接成功,有3名航天员进站内生活工作近24天,完成了大量的科学实验项目,但这3名航天员乘“联盟11号”飞船返回地球过程中,由于座舱漏气减压,不幸全部遇难。

1986年2月20日,苏联发射了“和平号”空间站,这是第二代空间站。2000年底,俄罗斯宇航局因“和平号”部件老化(设计寿命10年)且缺乏维修经费,决定将其坠毁。2001年3月23日,“和平”号最终坠入地球大气层。

1973年5月14日,美国成功发射一座叫天空实验室的空间站,它在435千米高的近圆空间轨道上运行,宇航员用58种科学仪器进行了270多项生物医学、空间物理、天文观测、资源勘探和工艺技术等试验,拍摄了大量的太阳活动照片和地球表面照片,研究了人在空间活动的各种现象。直到1979年7月12日在南印度洋上空坠入大气层烧毁。

20世纪80年代,美国宇航局提出了建造国际空间站的建议。随后,欧洲航天局11国和日本、加拿大、巴西等陆续加入。1993年11月1日,美俄签署协议,决定携手建造国际空间站。

在国际空间站从蓝图走向现实的过程中,各国宇航员借助“和平”号实现了多种形式的空间合作,为国际空间站的顺利建造提供了保障。1995年3月,俄美联合小组乘坐“联盟TM-21”飞船完成了同“和平号”空间站的对接,随后与美“奋进号”航天飞机对接,使同时在太空飞行的总人数达13人。同年6 月29日,美“亚特兰蒂斯号”航天飞机与“和平号”首次对接成功并进行了5昼夜联合飞行,标志着国际空间合作进入一个新时代。

在经过了若干年准备之后,国际空间站的建设于1998年进入实质性装配阶段。同年11月20日,俄“曙光号”功能货舱被成功送入轨道;12月4日,美“团结号”节点舱实现了与“曙光号”的对接。随后美、俄火箭进行多次发射,运送舱段、设备等,使空间站初具规模,可供宇航员长期居住,并具备了开展科研工作的条件。

2000年7月12日,俄罗斯成功发射了国际空间站服务舱“星辰号”,并与空间站联合体顺利对接。该舱使空间站能够接待长期宇航考察组,加快了整个工程的建设。同年11月2日,美国人谢泼德与俄宇航员克里卡廖夫和吉德津科成为国际空间站的首批长期住户。

按计划,建成后的国际空间站将是个“太空中的城市”,成为人类在太空中长期逗留的一个前哨。空间站主结构长88米,首尾距离110米,体积为1300立方米。它将包括6个实验舱和1个居住舱、3个节点舱等,总重500吨。整个项目到2005年结束,空间站寿命在15年以上。

从“和平号”到国际空间站,人类外空探索事业承前启后,薪尽火传。

最早的国际空间站

国际空间站,又名“阿尔法”空间站,它由美国、俄罗斯、日本、加拿大、巴西和欧洲航天局的11个成员国共16个国家联手筹建,是世界航天史上第一次由多国合作建造的最大的空间工程。国际空间站的结构非常复杂、体积庞大,投资总额超过630亿美元,由6个实验舱、一个居住舱、两个连接舱、服务系统及运输系统等组成,是一个长88米,重约430吨的庞然大物。

国际空间站的设想是1983年由美国总统里根首先提出的,即在国际合作的基础上建造迄今为止最大的载人空间站。经过近十余年的探索和多次重新设计,直到苏联解体、俄罗斯加盟。1993年11月1日,美国宇航局与世界上唯一拥有长期航天飞行经验和向轨道运送大型物品经验的俄罗斯航天局签署协议,决定在“和平”号空间站的基础上建造一座国际空间站。1998年1月29日,15个国家的代表在美国华盛顿签署了关于建设国际空间站的一系列协定和3个双边谅解备忘录,计划用9年时间建成国际空间站,到2006年全部建设完毕。

1994～1998年,美、俄两国完成航天飞机与俄罗斯“和平”号空间站的9次对接飞行。美国宇航员累计在“和平”号空间站上工作2年,取得了航天飞机与空间站交会对接以及在空间站上长期进行生命科学、微重力科学实验和对地观测的经验,可降低国际空间站装配和运行中的技术风险。1998～ 2001年,美国和俄罗斯等国经过航天飞机、“质子”号火箭等运输工具15次的飞行,完成了国际空间站第二阶段的装配工作。2001～2006年,国际空间站完成装配,达到6～7人长期在轨工作的要求。此阶段先组装美国的桁架结构和俄罗斯的对接舱段,接着发射日本实验舱和欧空局的哥伦布轨道设施等。

目前,空间站已建成“曙光”、“星辰”等6个舱以及机械臂和太阳能电池等外部设施。最终建成的国际空间站包括6个实验舱、1个居住舱、3个节点舱以及平衡系统、供电系统、服务系统和运输系统,总重量约为500t。

其主要结构是:①基础桁架。它用来安装各舱段、太阳能电池板、移动服务系统及站外暴露试验设施等。②居住舱。它主要用于航天员的生活居住,其中包括走廊、厕所、淋浴、睡站和医疗设施,由美国承担研制与发射到太空。③服务舱。它内含科学仪器设备等服务设施,也含一部分居住功能,由俄罗斯研制并发射。④功能货舱。它内设有航天员生命保障设施和一部分居住功能(如厕所、卫生设施等),以及电源、燃料暂存地等,舱体外部设有多向对接口,由俄罗斯研制并发射。⑤多个实验舱。其中美国1个、欧空局1个、日本1个、俄罗斯3个。美国、日本和欧空局的3个实验舱将提供总计为33个国际标准的有效载荷机柜;俄罗斯的实验舱中也有20个实验机柜。另外,日本的实验舱还连有站外暴露平台,用于对空间环境直接接触实验。⑥3个节点舱。它们由美国和欧空局研制,是连接各舱段的通道和航天员进行舱外活动的出口。此外,节点1号舱还可作为仓库,用于存储;节点2号舱内有电路调节机柜,用于转换电能,供国际合作者使用;节点3号舱为空间站的扩展留有余地。⑦能源系统和太阳能电池帆板。它们由美国和俄罗斯两国提供。⑧移动服务系统。它由加拿大研制。

装配完成后的国际空间站长110米,宽88米,大致相当于两个足球场大小,总质量达400余吨,将是有史以来规模最为庞大、设施最为先进的人造天宫,运行在倾角为51.6°、高度为397千米的轨道上,可供6～7名航天员在轨工作,之后国际空间站将开始一个为期10～15年的永久载人的运行期。

寿命最长的空间站

开展载人航天事业的最终目的不是创造辉煌和连篇不断地谱写光彩夺目的史诗,而是全面、深刻地开发和利用宇宙资源。为实现这一目的,一方面必须发展一种通向太空的经济高效的常规运输手段,另一方面就是要建立永久性航天基地。“空间站”就是向这种永久性的航天基地发展的过渡形式。

空间站是能载人进行长期宇宙飞行的航天器,又称航天站或轨道站。由于宇宙飞船体积较小,人在飞船上的行动不便,在太空停留的时间又不长,不能携带太多的科学仪器设备进行科研活动,而且一个接一个的发射也耗费了巨额资金和大量的人力、物力。这就迫使人们考虑建造体积更大、活动更自由的飞船,以便装上更多的生活用品和仪器设备,送上轨道长期运行,就像一个搬到空间去的实验室。人们称它为空间站,它是宇宙飞船发展的必然结果。

空间站一般重达数十吨,可居住空间数百立方米。它基本上由几段直径不同的圆筒串联组成,分为对接舱、气闸舱、轨道舱、生活舱、服务舱和太阳电池翼等几个部分。对接舱一般有数个对接口,可同时停靠多艘载人飞船或其他航天器,是空间站的停靠码头。气闸舱是宇航员在航道上出入空间站的通道。轨道舱是宇航员进行科研和工作的场所,装有各种必需的仪器设备。生活舱是宇航员吃饭、休息和娱乐的地方。服务舱主要用来承装动力和能源系统。太阳电池翼通常装在空间站本体的外侧,为空间站上各个仪器设备提供电源。

目前世界上寿命最长的空间站是前苏联发射的永久型空间站“和平号”。1986年2月20日,苏联发射了第三代永久型空间站“和平号”。它有6个对接口,可作为联盟号载人飞船和其他专业舱停靠的太空基地。“和平号”总长13.13米,最大直径4.2米,轨道重约21吨。“和平号”空间站的轨道倾角为51.6°,轨道高度300～400千米。自发射后除3次短期无人外,站上一直有航天员生活和工作。它提供基本的服务、航天员居住、生保、电力和科学研究能力。

“和平号”是一个阶梯形圆柱体,预计寿命10年。它是由工作舱、过渡舱、非密封舱3个部分组成的,共有6个对接口。“和平号”作为一个基本舱,可与载人飞船、货运飞船、4个工艺专用舱组成一个大型轨道联合体,从而扩大了它的科学实验范围。4个专业舱都有生命保障系统和动力装置,可独立完成在太空机动飞行。这包括工艺生产实验舱、天体物理实验舱、生物学科研究舱和医药试制舱。这几个实验舱可根据任务需要更换设备,成为另一种新的实验舱。在空间站中,宇航员们进行了天体物理、生物学、材料工艺试验和地球资源勘测等科学考察活动。

“和平号”空间站不但接待了“联盟T号”和“联盟TM号”载人飞船,还先后与“进步号”、“进步M号”货运飞船对接组成轨道联合体。最大的轨道联合体全长达35米,总重70吨,俨然像一座太空列车,绕地球轨道不停地飞驰。

“和平号”是世界上第一个载人、在宇宙空间长期运转的宇宙空间站。自1986年升空以来绕地球飞行了近8万圈,行程35.2亿千米,共有28个宇航组、15个国家的138名宇航员和科学家在这里工作、生活过,进行了几千次科学实验,对人类科学事业发展作出了巨大贡献。

“和平号”空间站原设计寿命10年,到1999年它已在轨工作了12年多,从1999年8月28日起,“和平号”进入无人自动飞行状态,至2001年3月23 日,“和平号”平安坠落在南太平洋预定海域,完成其历史使命。作为人类历史上最为成功的长期载人空间站,“和平号”无疑将永垂史册。

第一艘“空间渡船”

空间渡船又称轨道转移飞船,是一种正在研究中的空间运输器。由乘员舱(也可没有)、推进剂箱、动力装置及制动盘等组成。可以有人或无人。由大型运载系统把它送到空间站,由它将大型有效载荷或人员在空间站与静地轨道、月球间转移。采用积木式结构,能重复使用,其动力可以是化学能或电能(太阳能或核能)。由于仅在空间轨道中转移,所需动力较小,又能重复使用,故成本较低。

航天飞机可称得上是第一种“空间渡船”。航天飞机,是一种兼有航天器和航空飞机两者特性的大型运载工具,英文为SpaceShuttle,其中Shuttle就是梭子的意思。由于航天飞机具有在地球和轨道间重复往返行动的功能,所以也称之为“太空梭”。

在天上居住的梦想的历史比希腊文化乃至19世纪凡尔纳关于登月的天才预测要年轻得多。它包括生活并工作在地球以外的空间,建立空间站和太空建筑等。这个梦想是由19世纪末以来的几代科幻小说家笔下涌现的无数关于太空探索的幻想构成的。这些讨论太空时代细节的文字也启发火箭先驱们要创造一种可以往返于地球和太空之间的货船,以满足空间站建设和维护的需要。

德国人冯·布劳恩曾是V-2火箭的总设计师,也是后来“阿波罗登月计划”的总导演。在20世纪40年代末50年代初的岁月里,人造卫星计划尚未被美国政府看重,洲际导弹更只是一个模糊的影子。冯·布劳恩乐得向普通人推销他征服太空的宏伟蓝图。1952年3月,在发行量超过1000万的《科里尔》杂志封面上,出现了一枚货运火箭在太平洋上空攀升的瞬间。在内文中,布劳恩设想要建造一个轮辐式空间站,数千人在其中生活。为了向这个太空城运送人员物资,有一枚高度超过24层楼房、重达7000吨的火箭(相当于一艘驱逐舰)充当渡船。火箭的头两级配有降落伞,在燃料耗尽后可以在水面上回收,火箭的第三级带有翼翅,可以像滑翔机一样从太空中螺旋式下降,并以飞机的方式着陆。这正是20年后,冯·布劳恩执掌NASA时美国航天飞机的蓝图。甚至,布劳恩对其功能的设想也被后来的航天飞机设计者采纳——“望远镜主要用于研究宇宙的外层区域,对宇宙的这种测绘将得到在地球上无法企及的成果。但是这台带摄影机的望远镜也可以转动,拍摄下面的地球,这样一来,‘铁幕’也就不存在了……”。这正是后来航天飞机释放哈勃太空望远镜和对地面进行军事侦察的预言。不要忘记,布劳恩是一个经历过战争、讲究实际的工程师,他在1952年预测“这种航天器可以改装成一种极其有效的原子弹运载工具……还可以提供军事史上最重要的战术和战略优势。航天器上的人有充足时间发现敌人发射火箭的企图,从而有可能在火箭还没有打到他们之前,就发射反导弹导弹把它摧毁”。

1969年4月,美国宇航局提出建造一种可重复使用的航天运载工具的计划。1972年1月,美国正式把研制航天飞机空间运输系统列入计划,确定了航天飞机的设计方案,即由可回收重复使用的固体火箭助推器,不回收的两个外挂燃料储箱和可多次使用的轨道器三个部分组成。经过5年时间,1977年2月研制出一架“创业号”航天飞机轨道器,由波音747飞机驮着进行了机载试验。1977年6月18日,首次载人用飞机背上天空试飞,参加试飞的是宇航员海斯(C.F.Haise)和富勒顿(G.Fullertorl)两人。8月12日,载人在飞机上飞行试验圆满完成。又经过4年,第一架载人航天飞机终于出现在太空舞台,这是航天技术发展史上的又一个里程碑。1977年8月12日上午,美国宇航局在加利福尼亚莫哈维沙漠上空成功地进行了航天飞机的第一次大气试验飞行。这架命名为“企业号”的航天飞机由一架波音747型飞机托载飞行,到达6736米的高空,指令长海斯点燃一组起爆器,使航天飞机脱离母机。然后,由驾驶员驾驶它绕了一个大圈子。最后,在爱德华兹空军基地降落。

1981年4月12日,在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心聚集着上百万人。参观第一架航天飞机“哥伦比亚号”发射。宇航员翰·杨(JohnW.Young)和克里平(RobertL.Crippen)揭开了航天史上新的一页。这架航天飞机总长约56米,翼展约24米,起飞重量约2040吨,起飞总推力达2800吨,最大有效载荷29.5吨。它的核心部分轨道器长37.2米,大体上与一架DC-9客机的大小相仿。每次飞行最多可载8名宇航员,飞行时间7～30天,轨道器可重复使用100次。

探秘月球的“阿波罗”

总结一下美国和苏联在20世纪50年代末到70年代,月球探测经过的一些非常艰难的历程。开始是击中月球,但这是非常艰难的——38万千米远的距离,而且要很准确地落在月球上。苏联科学家曾经有一句话,说这就好像是在几千米以外用手枪打一只苍蝇。月球距离地球确实非常遥远,也是很难控制住的。击中月球以后就是逼近月球,然后就在月球上硬着陆、软着陆,最后进行环月飞行,然后是载人环月飞行,然后是载人登上月球,取样返回地球,大约经过了一个将近20年的漫长的探索过程。

一张美国宇航员把美国国旗插在月球上的照片,让很多人流传说“阿波罗”登月是假的,最主要的一个证据就是这面旗帜竟然在月球上飘扬,因为月球上没有风,没有大气,旗帜怎么会飘扬?大家看到这张图后,这个疑问是可以解决的。因为这面旗帜是用一根杆子撑起来的,撑得不很整齐,所以看起来像飘扬。实际上就像我们打伞一样,是撑开插在月球上的,只不过没有撑直就是了,所以这个旗帜显得有点飘扬,但这绝不是“阿波罗”没有登上月球的证据。

那么,“阿波罗”工程究竟会给人们带来什么效益呢?月球探测是不是只是一种非常巨大的消耗呢?应该说,“阿波罗”工程是当时规模最大、耗资最多的一项科技项目。由于“阿波罗计划”的出现,导致在20世纪60年代至70年代,产生了液体燃料火箭、微波雷达、无线电制导、合成材料、计算机等一大批高科技的工业群体。后来这个计划取得的技术进步又向民用转移。应该说,“阿波罗计划”带动了整个科学技术的发展和工业的繁荣,而且带来了非常巨大的经济效益。据不完全统计,“阿波罗计划”派生出了大约3000种应用技术的专利成果,包括航天航空、军事、通信、材料、医疗卫生、计算机和其他民用等。“阿波罗计划”当中,每投入1美元,就可以获得4～5美元的产出。所以,月球的探测绝对不仅仅是一个花费巨额经费的工程,同时它也对人类、对整个科学技术产生了巨大的推动作用,更使人们获得了很多实际的效益。

“麦哲伦号”金星探测器

麦哲伦是葡萄牙的航海者,16世纪20年代初,他率领船队完成了首次环绕地球的航行。

1989年5月5日,“麦哲伦号”金星探测器,由美国航天飞机“亚特兰蒂斯号”携上太空。它是美国11年来发射的第一个从事星际考察的探测器,也是从航天飞机上发射的第一个担负这种任务的探测器。

“麦哲伦号”探测器将在太空游弋15个月,行程约13亿千米,计划1990 年8月飞入金星引力圈内,最后点燃火箭发动机,进入一条周期约为3小时的绕金星轨道。

“麦哲伦号”探测器的主要使命是:了解金星的地质情况,如表面构造、电特性等;研究火山和地壳构造以及形成金星表面特性的原因;了解金星的物理学特性,如密度分布和金星内部的力学特性等。

“麦哲伦号”探测器上采用了先进的合成孔径雷达,对金星进行探测,并绘制金星图像。

1990年8月10日,“麦哲伦号”探测器顺利到达金星。8月16日,探测器上的合成孔径雷达开始对金星表面进行探测,虽然只获得金星表面的一小部分资料,但图像非常清晰,可以清楚地辨认出断层、火山熔岩流、火山口、高山、峡谷和陨石坑。“先驱者金星号”探测器发现金星上可能曾经有过水,“麦哲伦号”将要“看看”金星上是否有河床和海滩等。

在西方被称作女神维纳斯的金星,总被浓云密雾包围着,让“麦哲伦号”透过浓云密雾,早日揭开金星的面纱。

“伽利略”飞向木星

在古代,我们的祖先发现,在太空的亿万颗星辰中,有5颗特别明亮的星星穿行其间。这就是水星、金星、火星、木星和土星,而木星的亮度仅次于金星,名列第二。在太阳系的八大行星中,无论从体积或是质量上衡量,木星都是排行第一。

为揭开木星的奥秘,1989 年10月18日,美国“亚特兰蒂斯号”航天飞机发射了考察木星的“伽利略号”探测器。

从20世纪70年代初至今,人们孜孜不倦,试图揭示木星的秘密,先后发射了“先驱者10号”、“先驱者11号”、“旅行者1号”和“旅行者2号”等探测器访问木星和它的卫星,人们逐渐揭开了被色彩斑斓的浓密云层笼罩着的木星的奥秘,使人们对木星有了初步了解。

考察发现,木星有一个由大量的黑色碎石块组成的宽大光环,光环的宽度达数千千米,厚度为30千米,组成光环的黑色碎石块大小不等,大的有数百米,小的有数十米。

木星的卫星有多少?过去说法不一。经考察,迄今为止,发现木星有4颗大卫星和12颗小卫星,木星和它的卫星系统很像一个小型的太阳系。“伽利略号”将围绕木星飞行11圈,进行历时两年的考察,它将依次考察木星的4个大卫星:木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。它携带的照相机比“旅行者号”上的照相机灵敏度高100倍,加上考察时它靠近木星卫星的距离比“旅行者号”近,因此,“伽利略号”将满载而归。

“旅行者1号”

1989年8月25日,亿万观众从电视里欣赏了“旅行者”发回的神秘太空壮景。

“旅行者”是美国行星和行星标探测系统。“旅行者1号”是1977年8月发射的,它的任务是详细观测木星、木星卫星、土星、土星卫星和土星环。

“旅行者1号”,原名为美国“水手计划”中的“水手11号”,是一艘无人外太阳系核动力太空探测器,携带有105千克科学探测仪器。它的主体是扁平的十面棱柱体,顶端装有一直径为3.7米的抛物面天线,左右两侧各伸出一根悬臂,较长的一根是磁强计支柱,短的一根是科学仪器支架。它的飞行速度比截止到目前的任何人造太空船都较快一点,使较它早半个月发射的姊妹船“旅行者2号”永远都不会超越它,即使在地球以比两艘太空船要高的发射速度送上太空的“新视野号”也如是。它的一生里曾受惠于几次的引力加速。“旅行者1号”目前正处于太阳影响范围与星际介质之间,将于2012年真正意义上飞出太阳系。“旅行者1号”已经进入了日鞘,即介乎太阳系与星际物质之间的终端震波区域。如果“旅行者1号”最终在离开日球层顶后仍能有效运作,科学家们将有机会首次量度到星际物质的实际情况。太空船发出的信号需要16个小时以上才能抵达它的控制中心,美国太空总署与位于加州帕萨蒂纳的加州理工学院合作的喷气推进实验室。“旅行者1号”在沿双曲线轨道运行,并已经达到了第三宇宙速度。这意味着他的轨道再也不能引导太空船飞返太阳系,与没法联络的“先驱者10号”、已停止操作的“先驱者11号”及其姊妹船“旅行者2号”一样,成为了一艘星际太空船。根据美国太空总署2012年5月7日的消息,“旅行者1号”现在已经飞到了太阳系边缘,很快将驶出太阳系范围,成为一艘在恒星空间旅行的飞船,为传播地球文化和联络其他宇宙生物服务。

“旅行者2号”

太阳系八大行星中,天王星地处太阳系的边远地带,距地球约28亿千米,相当于地球到土星距离的两倍。它像地球一样有公转和自转,不过由于距太阳太远,绕太阳公转一周长达84年之久。天王星是个庞然大物,它的体积比地球大64倍,质量约为地球的15倍,其大气主要成分是氢和氦。

“旅行者2号”,以18千米/秒的速度向天王星进发。

1986年1月24日,在距天王星表面只有107080千米处掠过,用它携带的各种现代化科学探测手段,对这颗奇特的大行星进行人类有史以来首次近距离考察,拍摄它多姿多彩的“身姿”及“面容”,并将拍摄的照片及其他信息通过无线电波及时发回地球。经过2小时45分钟后,这些电波穿越浩瀚的宇宙深空到达地球,由地面的64米大型抛物面天线接收并送入计算机处理。科学家们利用大型计算机进行一系列分析计算,就可以揭开这颗至今了解甚少的行星的真实面目,也为探索太阳系的起源和进化问题提供重要的证据。

“旅行者2号”是何物呢?它是一艘携带各种科学仪器的飞船,重量为820千克,外形为16面体,中央有一个存放燃料的球形箱体,四周安装各种无线电设备,如直径为3.7米的抛物面天线等。

“旅行者2号”飞船携带12种科学仪器,以及“地球之音”——向外星人的问候语和反映地球人类文明的照片。这些科学仪器可分为三大类:一是摄像设备,用于拍摄天王星的各种图像;二是空间环境探测设备,用于探测宇宙射线、宇宙粒子、磁场等;三是射电天文接收机,用于探测大气层和电离层的特性等。“旅行者2号”不负众望,将丰硕成果送到人间。“旅行者2号”发现,天王星大气中氦的含量为10%～15%,其余是氢。大气中有风暴云,但没有大气漩涡。高层大气的温度很高,在南极上空达1800℃,而北极达2400℃,真令人惊讶!“旅行者2号”还发现天王星有10颗卫星,但它们都比较小。这样,天王星就有15颗卫星了。地面观测发现天王星有9条环,“旅行者2号”发现它至少有20条环,这些环由冰块组成,个别的为碎石块组成。

“旅行者2号”传回的资料很多,这些资料将帮助人们了解天王星的奥秘。

核动力火箭

20世纪50年代,随着和平利用原子能的呼声日益高涨,原子火箭发动机应运而生。法国人设计了以水为工作物质的原子能火箭,它靠核反应堆产生的热量将水汽化,高速喷射出的水蒸气能使星际飞船逐渐加速。火箭要喷出5000吨的水才能在50年内把飞船送往最近的恒星——比邻星(距地球4.22光年)。

一般化学火箭的结构质量占总质量的6%～10%,有效载荷仅占1%;而原子能火箭的结构质量占总质量的12%～15%,但有效载荷可占总质量的5%～ 8%。以氘为燃料的核聚变火箭,排气速度可达15000千米/ 秒,足以在几十年内把宇宙飞船送到别的恒星。

聚变比裂变放出更大的能量。在一个核聚变推进系统中理论上每千克燃料能够产生100万亿焦耳能量——比普通化学火箭的能量密度高一千万倍。核聚变反应将产生大量高能粒子。

用电磁场约束这些粒子,使之向指定方向喷射,飞船就可以高速前进了。为安全起见,核飞船至少应在近地轨道组装。为利用月球上丰富的氦资源,月球也是理想的组装发射地。此外也可以在拉格朗日点(此点处的物体在绕地球运转的同时保持与月球相对距离不变)处完成组装,原材料从月球上用电磁推进系统发送。

光　帆

中国古代的纸鸢无法和现在的超音速飞机同日而语,也无法和今人设想的喷射式推的星际飞船相提并论。相对于核动力火箭来说,以下几种进入太空的方法更有可能在未来的星际飞行中使用。

15世纪地理大发现时期,西欧的水手们扬帆远航,驶向传说中的大陆。未来的星际航行恐怕还要借助“帆”这种古老的工具,只不过驱动“太空帆”的不是气流而是光。早在20世纪20年代,物理学家就已证明电磁波对实物具有压力效应。1984年,科学家提出,实现长期太空飞行的最佳方法是向一个大型薄帆发射大功率激光。这种帆被称为“光帆”。它采用圆盘状布局,直径达3.6千米,帆面材料为纯铝,无任何支撑结构,其最大飞行速度可达到光速的1/10。在搭载1吨的有效载荷时,飞抵半人马座的α星仅需40年或更少的时间。以这个速度,太空船可以在两天内从太阳飞到冥王星,但要是飞越另一个太阳系并对其进行考察,这速度显然太低了。

为了进行详细的考察,可以采用“加速—减速”的飞行方案。这时光帆直径取100千米,使用功率为7.2×1012瓦的激光器向它发射激光。在减速阶段,将有一个类似减速伞的小型光帆被释放出来。它把大部分激光向飞船的前进方向反射,以达到制动的目的。

虽然要求较高,但较其他形式的星际飞船而言,光帆是在技术和经济上最容易实现的方案。根据估算,在使用金属铍作为帆面材料时,飞到半人马座α星的总费用为66.3亿美元,这只相当于阿波罗计划投资的1/4。

“勇气号”和“机遇号”

“勇气号”和“机遇号”是美国为了探索火星而发射的漫游机器人。经过半年多的星际旅行,美国“勇气号”火星车于美国太平洋时间2004年1月3日20时35分左右,在火星表面成功着陆,并于20时52分向地球发回第一个信息。

“勇气号”登陆过程中,全球共有3个联络站,分别位于西班牙的马德里、澳大利亚的堪培拉和美国的加利福尼亚。“勇气号”外部为登陆舱,只有当火星车和登陆舱都发回信号,才能证实整个登陆计划成功。

三周以后,美国“机遇号”火星车于美国当地时间1月24日晚在火星的梅里迪亚尼平原成功着陆。由于“勇气号”登陆火星后不久即遭遇麻烦,“机遇号”的表现就更加引人关注。

因为从地球到“机遇号”的指令传递时间长达10分钟,所以“机遇号”当晚只能根据预设程序自动完成着陆。整个着陆过程与“勇气号”的着陆如出一辙:当火星车连同降落伞一起接近火星时,它的外层气囊弹出,同时火箭制动发动机向地面喷出火焰,增加着陆缓冲力。此后,降落伞绳索自动断开,被气囊包裹得严严实实的“机遇号”像皮球一样在火星表面进行长达数分钟的弹跳、翻滚,直至最后落稳。

目前,“机遇号”已找到了4个证据证明曾有液态水从其着陆区域的岩石上流过。第一个证据是火星车拍到的照片,上面发现岩石上嵌有小球,而且小球并非集中在岩石特定岩层中。这显示它们有可能是被水浸泡过的多孔岩石中所溶解的矿物的凝结产物。

第二个证据是火星车相机和显微成像仪的图片,上面发现岩石上有很多奇怪的小孔。一般来说,矿物盐晶体在位于咸水中的岩石内部成长,然后经过腐蚀或溶解而消失,通常就会形成类似特征。

第三个证据来自火星车上的阿尔法粒子X射线分光计发现在岩床中有大量的硫。其他仪器的观测显示,这些硫以硫酸盐形式存在。这进一步证明岩石曾经浸泡在水中。

最后一个证据来自火星车的穆斯鲍尔分光计,在岩石中发现了名为黄钾铁矾的水合硫酸铁矿物质,一般来说,岩石处于酸性湖泊或酸性温泉环境下有可能会形成这种矿物质。

另外,“机遇号”还拍摄了大量照片,并寻找了其他一些可能证明火星上有水的证据,比如,它着陆点附近到处都是赤铁矿,这是水存在的典型证据之一。在接下来的时间里,“机遇号”将试着分析这些赤铁矿,进一步探索火星上有水的历史。

美国宇航局下一步的目标是从火星上取样,而“机遇号”所在的梅里迪亚尼平原是优先考虑的取样区,因为这一区域具有典型的火星地貌。

“嫦娥一号”

“嫦娥一号”绕月飞行卫星上共装有6套25台高科技设备。这些设备在我国都属首次使用,有的是世界首创。这些设备有CCD立体相机、激光高度计、成像光谱仪、Y/X射线谱仪、微波探测仪、太阳高能粒子和低能粒子探测仪等。为了绘制完整的立体月球地图。利用搭载的CCD立体相机和激光高度计,两台仪器结合起来,一张比较精细、全面的月球立体图就可显现出来。CCD相机同时对卫星飞行的前方、下方和后方进行拍照。科学家把不同视角的3张照片合成后,即可获得月球的立体地图。激光高度计是由激光器、望远镜和接收电路3个部分组成,它在探月卫星的发射阶段和转移阶段都处在“睡眠状态”。当卫星进入环月轨道后,激光高度计会“自觉”苏醒过来,首先向月面发射激光束,并立刻用望远镜把反射回来的光束变成电信号,接着接收电路迅速进行精确计算,在最短的时间里得出该探测点的月球海拔高度。激光高度计完成绕月飞行后,月面的每个探测点(包括南北极的黑暗深坑)的海拔高度就一清二楚了。这些数值再和CCD立体相机所拍摄的高精度图像相叠加,就是一幅完整而精确的全月球立体地形图。

要探测月球上一些元素的分布,首先要了解哪些元素可能对地球有用,其储量和分布又如何?“嫦娥一号”将做14种元素的全月球分布图,包括美国已 做过的5种元素(铁、钛、铀、钍和钾)。元素分布图的确定可以为将来月球基地选址提供参考。“嫦娥一号”卫星上搭载的Y/X射线谱仪就可完成这一使命。月球土壤的厚度和3氦的资源量的探测由“嫦娥一号”卫星上的微波探测仪来完成。微波探测仪可以对微波波段的物体进行照相,探测这些物体的微波辐射强度。由于微波探测仪能够实行全天候工作,除了可以不分白天黑夜工作,还具有一定的穿透功能,能够探测到埋藏在一定深度的物体。科学家们通过对月球微波辐射强度的分析,便可估算出月球上3氦的总量,而且还能知道哪些地区比较多,哪些地区比较少。根据资料显示,用微波探测仪进行月壤厚度和3氦资源量的探测是世界上首次,或许探测的精确度不会很高,甚至比较粗略。但通过加强对月球微波遥感后的地面仿真研究和模拟试验,再借鉴以往的经验,应该说可以达到一个前所未有的新认识。3氦是一种宝贵的可控核聚变发电重要原料,如果我国用3氦材料进行发电,只需要十多吨3氦,就可解决我国一年的全部能源需求。而在月球上却储藏着可供全人类使用700年的3氦。

为了监测从地球到月球这38万千米范围内的空间环境(目前我国仅监测7万千米内的空间环境)和记录原始太阳风数据,研究太阳活动对地—月空间环境的影响。“嫦娥一号”上的太阳高能粒子探测器和低能离子探测器可以探测到4万～40万千米间的空间环境。这些关键的科学数据对今后深空航天器的环境防护设计具有重要的参考价值。

卫星飞行轨道的选定是一项极为重要的技术内容,是我国卫星第一次进行 38万千米这样漫长而遥远的飞行,飞行轨道的选定更是不能等闲视之。

飞行轨道的选定必须能满足这样几个要求:一是能实现对全月面进行观测,因此拟选择月球极轨。二是使获得的数据具有相同的分辨率,拟采用近月圆轨道。三是要具有较高的图像分辨率。为此,轨道高度拟设置在100～200千米以内。四是根据“嫦娥一号”应有一年的使用寿命,如果选定的轨道高度为100千米,可能会因月球引力场的异常,而在半年内坠落月面,这是我们所不希望出现的。为避免万一有这样的情况发生,轨道高度应向高端定位,即200千米。五是必须考虑光照条件,在一年的绕月飞行中,仅靠太阳板的单轴旋转已不能满足要求,为此需设计成卫星作90°旋转的飞行姿态。在日光下,卫星的光照时间为82分,阴影时间为45分,卫星的飞行周期为127分。六是卫星轨道高度的保持很重要,估计由于月球引力场等的作用,一年内“嫦娥一号”的飞行轨道有可能滑落至100千米左右,因此必须对“嫦娥一号”的飞行轨道作出调整,根据经验,其轨道高度调整的时间为每两个月一次。

奔月轨道的选择,应是一条远地点为38万千米的大椭圆轨道。“嫦娥一号”卫星采取的是近地点为600千米,并逐步增加近地点速度,以抬升远地点的方式。加速则采用三次加速方案,使卫星的远地点高度分别达到5.1万千米、7.1万千米和12万千米左右。这三次轨道变化周期分别需16小时、24小时和48小时。这样的设计将有利于地面测控系统的工作。

当“嫦娥一号”卫星通过三次加速后,踏上了一条地—月转移轨道,向着月球飞去。下一步最为关键的是“嫦娥一号”卫星要能被月球捕获,而且要非常完美地被捕获,万一捕获得不够完美,将使卫星掠月而过或撞月触地,“嫦娥 一号”一旦掠月而过,可能再也完不成绕月飞行、探月的任务,撞月触地的结果和掠月而过相同,都是严重的失误。

“嫦娥一号”要能被月球正常捕获必须进行3次减速,使轨道周期从12小时、3.5小时变为环绕月球的极地圆轨道所设定的127分钟。这3次减速是由设在卫星上的测控系统实施的。

“嫦娥一号”卫星测控系统主要完成卫星的自动调整和卫星姿态的确定,对月、对地、对星、对太阳的多体跟踪与控制等功能。为完成卫星在轨运行的各项任务,卫星上装有诸多仪器,如对日敏感器、对月紫外敏感器、对星敏感器、推力控制器、星载计算机等,并且卫星上的制导、导航、控制具有自我诊断和故障处理能力。为了确保运行可靠,星载计算机等均采取冗余设计,并对“嫦娥一号”卫星的数据处理系统作了认真周密的设计,还将以往卫星设计的经验应用到“嫦娥一号”卫星上并作出适应性修改。