| 联盟系列 | |||
| http://book.sina.com.cn 2003年09月27日 11:16 新浪读书 | |||
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连载:神舟:载人航天的故事 出版社: | |||
| 登月计划中苏联投入了巨大的财力、物力和人力,但是由于运载火箭等关键技术无法解决,最终落在了美国人的后面。于是苏联明智的调转方向,开始大力发展空间站。在登月计划和轨道空间站的发展中,苏联人研制了足以令其自豪的联盟(Soyuz)飞船系列。 联盟复合体 东方号计划后,1962~1964年间,苏联的航天部门对未来计划进行了大量研究和规划,初步形成了两项计划,东方-ZH飞船和联盟复合体。对于为什么发展联盟复合体,苏联一直没有透漏其具体任务,西方的研究者根据其发动机推力所达到的数值,曾推测是执行载人绕月使命,为载人登月做准备。 科罗廖夫设计局的技术人员提出联盟复合体时,为了解决运载火箭动力不足的问题,同时进行轨道交会和对接的试验和训练,联盟复合采用了多段结构,各段分别发射,在轨道加油的方法。 设计人员设想联盟复合体由三部分组成:联盟-A、联盟-B、联盟-V。首先由联盟运载火箭将联盟-B送入地球轨道,该舱段实际上是一个不载人的火箭舱。接着再由火箭将只携带推进剂的联盟-V送入地球轨道,这两段在轨道上自动会合对接,由V段供给B段的燃料。 联盟-A是一个载人飞船,最后发射入太空,在轨道上与V段对接后,航天员可以启动B段的火箭发动机开始太空机动。联盟-A的上部是圆桶形的轨道舱。圆桶的一端装有与联盟-V的对接装置,另一端连接着钟形返回舱,返回舱的下部通过过渡段与设备舱相连。 20世纪60年代中期,整个苏联的航天计划都是服从于政治需要的,为了与美国较量,复合体计划被一再拖延,再加上后来苏联的登月方案发生了根本性变化:取消轨道加油方案,代之以研制大运载能力的运载火箭。所以联盟复合体计划只处于设计论证阶段就中止了,并没有具体实施。但它并不是毫无成果的,苏联的工程师们后来在联盟-A的基础上发展出了新型号的载人飞船——联盟系列飞船。 联盟飞船 从20世纪60年代开始,苏联的技术人员一直在对联盟飞船进行不断的改进,到现在联盟飞船已经发展成载人飞船中最大的一个家族。所有的联盟飞船基本保留了联盟-A所使用的布局,由三个舱体——轨道舱(Orbital Module)、返回舱(Reentry Capsule)、设备舱(Service Module)构成。 科罗廖夫在联盟飞船最初的方案中就曾指出要把飞船造得“更加紧凑”,因为这与运载火箭离地的推力以及返回舱的质量大小有直接关系,同时飞船越小,可以承受的力就越大,安全性更好。因此联盟飞船无论重量还是大小,都要比美国的阿波罗号飞船小得多,不需要使用土星5号这种大推力的火箭。到目前为止,联盟飞船的发射都是由联盟运载火箭完成的。 一些人认为科罗廖夫发展的联盟飞船,把苏联人引入了歧途,但事实说明科罗廖夫的考虑是正确的,充分显示了他的坚韧和创造性。 飞船发射前的几个小时,2名或3名航天员从轨道舱侧面的圆形密封舱门进入飞船,轨道舱的外壳是两个半球,中间嵌以圆柱形的“腰带”。航天员进入轨道舱后再经过下面的另一扇密封舱门进入返回舱,躺在座椅上的等待发射,座椅上的靠垫是根据每个航天员的具体体形制作的,这样可以有效的减小了航天员在发射和返回时所受到的过载影响。 大量试验的证明,人对“胸-背”方向的过载具有更大的承受能力,联盟座椅安装时椅背与返回舱的底部只有很小的角度,所以航天员是“躺”在座椅上的。 火箭点火后,在火箭的上升阶段,如果出现紧急情况,将飞船送入轨道后,航天员观察面前的仪表板监控飞船的工作状态,通过座舱两侧的圆形舷窗,航天员能够观察到协同飞行的航天器和进行天体观察,以及飞船的定位,操纵飞船执行飞行任务。 飞船后部设备舱内的发动机使得飞船可以在太空中进行各种机动。设备舱底部中央是主发动机的喷口,该发动机可以多次启动,根据任务需要在适当的时刻点燃,进行飞船的变轨机动。技术人员为了保证飞船的安全性,在飞船内安装了备份的双燃烧室发动机,喷口分别位于主发动机的两侧。设备舱的四周还布置数台小发动机,用来调整飞船的姿态和微小的移动。 提供较大的推力,主要使飞船进行变轨机动的发动机,称为变轨发动机。控制飞船姿态的发动机称为姿态控制发动机,一般推力较小。 除了发动机,设备舱内还安装飞船的电子设备、环境控制、通讯等大部分仪器设备。由于这些仪器设备的对工作条件都有一定要求,不能直接暴露在太空中,所以安装在设备舱前部密封舱内;而变轨发动机及推进剂贮箱则安装在后部的非密封段。在设备舱的外面还有一圈圈的“螺纹”,是用来散热的,称为辐射散热器。 在大多数联盟飞船上,苏联的技术人员采用了太阳能产生电力的技术,即在设备舱两侧安装太阳电池翼。发射过程中,太阳翼折叠贴靠着飞船的舱体,进入轨道后电池翼即展开,航天员操纵飞船自转,使太阳翼的帆板面向太阳,吸收太阳能。之后飞船绕太阳-飞船的轴线旋转,由于几乎没有阻力影响,飞船会在相当长的时间内保持旋转,这样太阳翼就一直受到太阳的照射。在航天工程中,这种使联盟飞船相对太阳保持适当姿态的方式称为“翘向太阳(solar warping)”。 太空中航天员的生活以及各种科学实验是在轨道舱中完成的,轨道舱与返回舱合在一起构成了联盟飞船的居住空间。轨道舱内除贮存有实物和饮用水装置、床和睡袋、废物收集器等太空生活必需品,还设有科学实验设备,至于具体的设备航天技术人员在飞行前,根据此次飞行的具体任务来安装在轨道舱上。例如联盟6号在轨道舱外安装了焊接试验设备,成功进行了太空中第一次的焊接试验。联盟22号在轨道舱上安装了德国的多光谱照相机研究地球的地质构造。 轨道舱前端设有对接机构,供飞船与其它飞船或空间站对接用。早期的联盟飞船完成对接后,对接机构无法移开,乘员不能直接从飞船内通过。1969年1月6日,联盟4号与联盟5号的对接中,联盟5号的两名航天员只能从轨道舱侧面的舱门爬出舱外,从外面进入联盟4号。到联盟10号,苏联的技术人员改进了对接机构,飞船在轨道上对接后,航天员可以移开对接机构,直接进入对方的飞船。 航天员在完成太空任务后,由主发动提供推力,使飞船开始脱离轨道,返回地球。再入大气层前,大约140 000千米高度,轨道舱和设备舱分别与返回舱分离,并在再入过程中焚毁,而返回舱携带航天员返回地球。联盟飞船的返回舱采用了钟形结构,由上、下两个圆球切块,中间一个圆锥面平滑过渡构成。再入时底部的大圆球切面冲前。由于底部受大气分子的冲击最厉害,温度最高,所以采用了可分离的烧蚀复合材料。 之所以抛弃了东方号与上升号的球形布局,主要是考虑到球形舱体在大气层中下落时,气流不会对其产生升力,返回舱一旦脱离原来的轨道,就沿着一定的轨道返回,着陆位置也就确定,没有调整的余地。如果返回舱脱离地球轨道开始返回的时机不当,着陆地点就会发生很大偏差,没有办法调整。而联盟飞船的钟形返回舱在穿过大气层时,不仅受到大气阻力的影响,而且会产生一定的升力。 返回舱下降到大约83 000千米的高度时,通过分布在返回舱外壁的6台小发动机调整飞船穿过大气层时的姿态,会使升力大小有所变化,从而在一定的范围内控制了返回舱的运动轨迹,调整着落点,可以控制着陆点偏差在30 000千米以内。返回舱下降到10 000千米左右的高度时减速伞舱盖弹出,拉出引导伞,再拉出减速伞。8 500千米左右时,拉出主降落伞。离地面还有1米时,返回舱底部的缓冲发动机启动,进一步减小落地速度。为了减小返回舱落地时对航天员的冲击,航天员的座椅下专门安装了减震装置,飞船着陆前,减震器升起,缓和了着陆时对航天员冲击力。 联盟系列 1963年12月苏联政府正式批准科罗廖夫开始联盟飞船的研制,从最初研制到现在已经有40年的历史了,由于采用了“模块化”的设计思想,设备舱中推进剂载量及轨道舱中的设备可以根据任务改变,因此联盟飞船具有很强的适应性,可以执行各种任务。既能自主长期飞行,为载人航天站接送航天员,在对接后又可作为空间站的一个舱体进行联合飞行。到目前为止,苏联/俄罗斯已经制造各种型号的联盟飞船超过230多艘,形成了一个庞大的家族,包括有几十种型号。其中的联盟,联盟T,联盟TM号飞船是最成功的飞船系列。 从1967年4月联盟1号飞船的上天到1981年5月的14年中,联盟号共进行了40次载人飞行,主要的目的是为苏联发展轨道空间站进行服务。实现这40次载人飞行的联盟号飞船具体包括了6种改型——7K-OK、7KT-OK、7K-T、7K-T/A9、ASTP和7K-MF6。 联盟T系列之前执行载人飞行任务的联盟飞船名称按顺序编号,不区分飞船类型。如联盟7K-OK的第一次载人飞行为联盟1号(Soyuz 1),7KT-T第一次载人飞行的飞船名称为联盟12号(Soyuz 12)。但联盟20号例外,为不载人飞行。 7K-OK是联盟飞船的最初型号,共发射了9次,主要目的是为建立轨道站复合体做技术准备。联盟1号的飞行是很糟糕的,进入太空后飞船左侧的太阳翼没有展开,造成电力不足,接着在整个飞行中又接二连三的出现其它故障,返回时又因减速伞未能打开,出现了机毁人亡的惨剧。1969年1月14日和15日联盟4号、5号分别发射,在轨道中实现联盟号的第一次对接,对接后两艘飞船工作间的总容积达到18立方米,建立了世界上第一个轨道空间站的雏形。1969年10月联盟6、7、8号的编队飞行进行了大量复杂的机动,并验证了在太空焊接材料的可行性。 7KT-OK是7K-OK的改进型,除了减轻对接机构的重量,还在对接机构上实现了航天员可以直接进入另一飞船的通道。但不幸的是该型号飞船只进行了两次载人飞行。1971年6月29日,联盟11号在结束飞行返回时,座舱突然漏气,由于航天员没有穿航天服,造成3名航天员缺氧窒息而死。 此后,苏联的载人航天活动中断两年多,设计人员对联盟飞船进行了一系列的改进。直到1973年9月27日,联盟12号即7K-T型太空飞行成功,苏联才恢复载人航天活动。7K-T在安全性方面作了重大改进,拆除返回舱内3人座椅中的一个,并在取消的座椅位置上增加生命保障系统。另外,用化学电池代替原来的太阳能电池,防止再次出现联盟1号太阳翼不能展开的故障。改进后7K-T共进行了19次载人飞行,直到1981年联盟T系列投入正式使用才被代替。在7K-T的基础上,为了配合苏联军用空间站“钻石(Almaz)”计划的研究,还发展了7K-T/A9型飞船。 ASTP主要是为实现阿波罗-联盟对接而改进的,共飞行了两次。ASTP共制造3艘,第3艘后来经过改装,在对接机构的位置安装了德国的多光谱照相机MF6,环绕地球飞行8天,拍摄了大量地球照片,该艘飞船称为7K-MF6。 联盟T系列是联盟号的改进型。虽然飞船外形、容量和质量与联盟号大体相同,但技术上做了许多改进,主要的改进包括:恢复了两个太阳电池板;主推进系统重新设计,推进剂贮箱有了更大的载量,使用与礼炮-6空间站上的发动机同样的推进剂;飞船的姿态控制喷管重新配置;采用了更轻、更结实的舱体材料。这些改进使联盟T具有更长时间的飞行和更好的机动能力。此外,飞船的生命保障系统、飞行控制系统和返回着陆系统进行了更为可靠和更为自动化的设计,当飞船出现故障时,内部的计算机会对故障作出迅速的判断,并采取相应的应急措施。所有这些措施都保证了航天员的安全,而且经过长期的飞行试验及改进,设计人员又恢复了飞船的3人制的座舱。1979年12月26日联盟T首次进行不载人飞行试验。从1980年~1986年共完成了14次载人飞行。 联盟TM系列是为适应和平号空间站长期飞行而改进发展的第三代载人飞船。设计人员采用了称为“航向”的新对接机构,替代以前联盟号飞船的“针状”对接机构。这种装置允许飞船在任何姿态下与空间站进行对接,减少了空间站的机动动作,使可靠性大为提高。采用了强度更高、质量更轻材料制成的降落伞,使发射和着陆的有效载荷均有所增加,且在钟形座舱里占有更小的体积。除此以外联盟TM还做了一系列改进来保障飞船的安全性,这些改进使的联盟TM飞船在提高安全、可靠性的同时还提高了运载能力。 联盟号飞船的“针状”对接系统,要求空间站与载人飞船呈直线对接,这就需要对接时空间站做机动飞行,调整到一定姿态,与飞船呈直线对接。 1986年5月21日,联盟TM首次试飞时不载人。截止到2002年4月,联盟TM飞船总共进行33次载人飞行,创造了载人到空间站上长期生活的一系列新纪录。1994年1月8日乘第18艘联盟-TM升空的俄罗斯航天员波利亚科夫,在和平号上创造了连续逗留438天的世界纪录。 由于联盟飞船的可靠性,联盟TM-31~TM-34已经开始作为国际空间站的运输飞船及救生艇。2002年10月29日,俄罗斯发射了新型的改进飞船联盟TMA-1代替空间站上的TM-34。TMA采用了更人性化的设计,座舱内空间增大,可以运送个子更高、体重更大的航天员。联盟-TM能运送身高164~182厘米、体重56~85公斤的航天员,而联盟TMA可以运送身高150~190厘米、体重50~95公斤的航天员。设计人员还改进了座椅结构、降落伞、操纵模块和呼救信号装置等,允许坐在左右两侧的航天员体重相差45kg也能在降落时保持平衡,落地更加"柔软"。2003年4月26日,联盟TMA-2发射升空,两天后与空间站对接。 从1967年4月联盟1号首次飞行到今天,30多年的实践证明联盟飞船是一种经久耐用、性能良好的运输飞船,这棵“常青树”还将在整个人类的航天事业中继续发挥作用。
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