载人运输工具

载人飞船(Manned Spacecraft)是载乘太空人的飞船,属载人航天器的一种。

载人飞船能保障宇航员在外层空间执行航天任务并返回地面,属于一次性使用的返回型载人航天器。它可以独立进行航天活动,也可用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。它容积较小,此前受到所载消耗性物质数量的限制,人员外货物携带能力,且不能重复使用。近年来随着新一代载人飞船如Crew Dragan等飞船的实际使用,载人飞船也具备复用能力。

  • “水星”号载人飞船是 美国的第一代载人 飞船,总共进行了25次飞行试验,其中6次是载人 飞行试验。“水星”飞船计划始于1958年10月,结束于1963年5月,历时4年8个月 。水星号飞船总长约2.9米,最大直径1.8米,重约1.3~1.8吨。由圆台形座舱和圆柱形伞舱组成。在发射时,水星号飞船的顶端还有一个高约5米的救生塔。座舱内可乘坐一名航天员,设计的最长飞行时间为2天。航天员躺在特制的座椅上,通过飞船舷窗、潜望镜和显示器可观测地球表面。在座舱外面大钝头处覆盖一层很厚的防热材料。飞船返回前点燃制动火箭,然后抛弃制动火箭组合件,再入大气层,下降到低空时打开降落伞,航天员与飞船一起溅落在海上,由直升机和打捞船只回收。航天员发现在轨道飞行中通过舷窗观测地平线和天体,可使飞船正确定位,从而可取消座舱中笨重的潜望镜,使飞船作漂移式飞行以节省燃料 。
  • “东方”号载人飞船为苏联首代载人飞船。飞船由球形密封座舱和仪器舱等组成。质量约4 730千克,座舱直径2.3米。有可供1名航天员飞行10天的生命保障系统、弹射座椅和各种仪器设备。1961年4月12日苏联发射了世界上第一艘载人飞船“东方”1号,飞船绕地球飞行108分钟后返回地面,航天员Y.A.加加林成为世界上进入太空飞行的第一人。
  • “双子座”号载人飞船为美国第二代载人飞船。从1965年3月到1966年11月共进行10次载人飞行。主要目的是在轨道上进行机动飞行、交会、对接和航天员试作舱外活动等。为“阿波罗”号飞船载人登月飞行作技术准备(见阿波罗工程)。“双子星座”号飞船重约3.2~3.8吨,最大直径3米,由座舱和设备舱两个舱段组成。
  • “上升”号载人飞船是在“东方”号飞船的基础上改进而成的。取消了体积较大的弹射座椅,增加了航天员的座位,最多可乘坐 3名航天员。由于生命保障系统的限制,轨道飞行时间较短。1964~1965 年发射了两艘“上升”号载人飞船。飞船上装有返回着陆系统,备用制动火箭、辅助定向系统、电视和无线电通信设备等,运行在周期为90分钟、倾角为63°的低轨道上。1964年10月发射的“上升” 1号飞船首次载科学家绕地球飞行,进行了天体物理学、航天医学、生物学的研究和技术试验。1965年3月发射的“上升”2号飞船上增设了气闸舱、操纵气闸工作程序和航天员走出舱外进入太空的控制系统,飞船上备有自主式生命保障系统的特制航天服。航天员А.А.列昂诺夫借助这些设备第一次走出飞船,进行了舱外活动。
  • “阿波罗”号载人飞船是美国第三代载人宇宙飞船系列。1966年至1972年共发射17艘:1 ~3号为模拟飞船,4 ~6号为不载人飞船,7 ~ 10号为绕地球或月球轨道飞行的载人飞船,11 ~ 17号为载人登月飞船。“阿波罗”号飞船是美国实施载人登月过程中使用的飞船。“阿波罗”11号飞船于1969年 7月20~21日首次实现人登上月球的理想。此后,美国又相继6次发射“阿波罗”号飞船,其中5次成功,总共有12名航天员登上月球。此后阿波罗飞船还参与“天空实验室”号空间站计划与“阿波罗-联盟”在轨对接的国际合作计划。
  • “联盟”号载人飞船是苏联/俄罗斯载人飞船系列。包括“联盟”、“联盟”T、“联盟”TM、“联盟”TMA、联盟TMA-M\联盟MS等多个型号。由圆柱形服务舱、钟形返回座舱、近似球形的轨道舱和对接装置组成。质量约6.8吨,长7.5米,直径约2.7米。可载3名航天员。具有长期自主飞行、轨道机动、交会和对接的能力。飞船返回前返回舱与轨道舱和服务舱分离,单独再入大气层。飞船曾与“礼炮”号、“和平”号、“国际空间站”和美国的“阿波罗”飞船对接。
  • 神舟号载人飞船是我国自行研制的用于天地往返运输人员和物资的载人航天器,达到或优于国际第三代载人飞船技术,具有完全自主知识产权及鲜明的中国特色。神舟载人飞船可一船多用,既可留轨观测又可作为交会对接飞行器,满足天地往返的需求。神舟号飞船是采用三舱一段,即由返回舱、轨道舱、推进舱和附加段构成,由13个分系统组成。 神舟号飞船与国外第三代飞船相比,具有起点高、具备留轨利用能力等特点。神舟系列载人飞船由专门为其研制的长征二号F火箭发射升空。
  • 两舱的载人“龙”飞船建立在SpaceX的货运“龙”飞船的基础上,但两者之间存在重大差异。载人“龙”飞船有7个座位(一般任务保留4个座位)、3个窗户(供航天员们欣赏沿途风景)、三个可显示飞船状态实时信息的触摸屏,另外内部温度控制在舒适宜人的18.3℃到26.7℃之间。此外,飞船还配备八个“超级天龙座”(SuperDraco)逃生引擎,可在发射出现紧急情况时使飞船脱离危险。飞船空重16976磅(7.7吨),最多装有4885磅(2.2吨)的推进剂,其中包括3004磅(1363千克)的四氧化二氮和1881磅/853千克)的一甲基肼,飞船发射的典型重量在19840到33070磅(9吨到15吨)之间,载人运货时发射重量差距不大。
  • “星际线”号载人飞船是由美国波音公司出资和NASA研制的新型载人飞船,能一次性搭载4-7名航空人员。波音的载人飞船计划重复使用5~10次。”CST-100″中的数字100代表100公里,约为地球与近地轨道间的距离,这说明它专门执行空间近地短途运输任务。2015年9月4日,美国波音公司正式将CST-100载人飞船命名为”Starliner”,中文译为”星际线”。 NASA向波音公司支付了超过50亿美元,用于开发、建造和执行搭载宇航员往返空间站的星际线飞船任务。发射星际线载人飞船的宇宙神N22型火箭其使用的半人马上面级发生了两个主要的变化。一是半人马上面级采用两台RL-10发动机(由洛克达因提供),而之前宇宙神5号火箭使用的半人马上面级采用单台RL-10发动机。跟载人龙飞船的发射一样,本次发射没有整流罩:一方面因为波音载人飞船的直径实在太大,宇宙神没有这么大直径的整流罩;另一方面,美国发射载人飞船的设计基本上取消了整流罩。由于与半人马上面级直径相差较大,在半人马座级的顶部设计了一个结构裙,以减少火箭在大气层上升过程中的空气动力负荷。因为星际线飞船的服务舱直径大于半人马级的直径,这个气动裙是必要的,减少发射期间不稳定的空气动力流。Starliner载人飞船的太阳能电池片贴在服务舱的“屁股”上,如下图所示,可以产生约2900W的电能。宇宙神5火箭只将星际线飞船送到远地点为181公里的亚轨道,后续的轨道提升由服务舱完成。其实宇宙神5火箭还有更大的运力,但是由于是载人飞船,考虑到宇航员最大过载3g的约束,固体助推火箭并没有全推力工作。另外,在飞行阶段中,无论是芯级分离前还是分离后,星际线载人飞船具备全程逃逸的能力,所以飞船入轨轨道最后选择了一条亚轨道。

    2019年12月20日,波音的商业载人飞船首次无人试飞因软件设计错误导致无法与国际空间站交会对接,后续成功完成了再入试验,取得部分成功。随后,NASA和波音的团队进行了审查,发现多处软件设计错误,其中定时器初始化的软件设计错误是导致对接任务失败的直接原因,中继卫星与飞船的通信故障是导致任务无法挽救的间接原因,另外一个再入过程中程控序列的设计错误在后来软件复查中发现并更正。

  • 猎户座”号飞船(Orion Spacecraft)它是美国航天飞机时代后的第一种载人飞船。“猎户座”飞船是一种可携带四名宇航员的多用途飞船,能够~飞出近地轨道,携带宇航员进入月球轨道和小行星。“猎户座”飞船的首次无人飞行将在近日进行,而该飞船的载人飞行要在几年后才能进行,根据美国宇航局公布的时间表,预计在21世纪20年代初进行载人绕月飞行,航天员搭乘其组建或前往月球轨道空间站执行驻留任务(LOP-G)并于2024年前后进行月球南极的登陆,展示“猎户座”飞船深空的飞行能力。到了2030年代中期,“猎户座”飞船的后续改进型将搭载宇航员前往火星。“猎户座”飞船无疑是一个里程碑,它与美国宇航局之前的航天飞机完全不同,其技术状态远高于阿波罗时代的“飞船。
  • 中国新一代载人飞船是为中国空间站及后续载人航天任务研制的载人飞船,可兼顾近地轨道和深空探测任务。与神舟飞船相比,新一代载人飞船体型更大,既能载人也可载货,并且可重复使用,其耐热能力可达神舟飞船的3—4倍。在返回再入控制上,也能保证落点精度,过载不超过航天员承受范围。新一代载人飞船试验船是为我国近地空间站运营和后续载人月球探测等任务研制,全长8.8米,发射质量21.6吨,具备高安全、高可靠、适应多任务和模块化设计特点,主要用于验证气动热防护、再入控制和群伞减速回收等关键技术。
  • 俄罗斯航天技术的最新发展之一是正在研制的“雄鹰”号载人运输飞船。自2009年以来,俄罗斯一直在研制这新一代飞船(此前称“联邦”号飞船),其主要目标是将俄罗斯航天员送上月球。原计划2015年以无人模式完成首次测试发射,2018年进行首次载人飞行,但计划随后变更。
    “雄鹰”号飞船目前定于2023年从东方发射场用“安加拉-A5”运载火箭进行首次无人发射,2025年进行首次载人飞行,2026和2027年依然使用“安加拉”系列火箭进行发射;2028年将首次搭载超重型火箭进入太空,同年完成飞行测试并投入使用,2029年执行环月飞行任务,2030年运送俄罗斯航天员登陆月球。
    2020年6月,“能源”火箭航天公司宣布任命伊戈尔·哈米茨为“雄鹰”号飞船的新总设计师。此前,这项工作是由叶夫根尼·米克林负责的,他在感染新型冠状病毒后已于5月病亡。在对新总设计师伊戈尔·哈米茨的第一次访问中,他向《俄罗斯太空》杂志介绍了正在研制的新一代飞船的任务、技术特点、飞行计划和着陆计划。
    新总设计师伊戈尔·哈米茨在采访中称,“雄鹰”号载人飞船必须为载人登月任务提供支助。此外,技术任务包括将乘员组运送到国际空间站。目前任务书中没有飞行到小行星的规定,但是,也可以飞往火星。
    在谈到为低地球轨道飞行任务设计的飞船与为飞往月球而设计的飞船的区别时,伊戈尔称,会根据任务的不同,只改变飞船的补给系统,生命保障系统中乘组人员的食物、水和氧气储备将首先进行改变。在谈到哪些运载火箭将用于将航天器送入低地球轨道,哪些运载火箭将用于向月球发射时伊戈尔称,为了将“雄鹰”号飞船发射到近地轨道,将使用改装后的“安加拉-A5”运载火箭发射。在研制“雄鹰”号飞船的过程中,在构建船载系统方面应用了许多创新的解决方案。“雄鹰”号飞船将使用基于带有“灵活”菜单和数据显示格式的液晶显示器的现代控制面板进行控制。通信、方向查找和导航的提供将通过卫星环路实时进行。通信设备将通过使用中继卫星的多功能空间中继系统运行。飞船高度重视可靠性,该方案的设计旨在确保在发生任何两次严重故障时确保乘员组人员的安全。
    “雄鹰”号飞船是按单一体积概念设计的。在整个自动飞行过程中,乘组人员都在一个生活舱内。 每位乘组人员的自由活动范围为2.3立方米,是“联盟”号飞船的两倍。 生活舱内设有旨在满足乘组人员日常需求的区域,在这里可以进行饮食、休息和处理个人卫生。与“联盟”号飞船的返回阶段相比,“雄鹰”号飞船所具有的热防护性能允许飞船在返回时以第二宇宙速度进入大气层,并且飞船本身可重复使用,最多可重复使用10次,且可靠性至少为0.995。飞船可以在发射当天与国际空间站对接,与“联盟TMA-M”号飞船一样,它可以在发射后六小时进行对接。着陆设施可以确保飞船在半径为5-7 km的区域内着陆。这足以使载人返回的飞船能够在俄罗斯联邦境内正常降落。
    根据技术任务书,“雄鹰”号载人运输飞船的额定乘员为4人,可以自主飞行至近地轨道站最多需要3天或飞往月球最多需要10天。在近地空间可以进行独立的飞行,可进行2名乘员为期30天的飞行。必须指出的是,技术文件规定了可在返回器的生活舱中增加两个席位,可以使6名乘员从轨道站返回。在飞往月球时,有效载荷约为100公斤。在将乘组人员运送到近地轨道站的飞行作业中,有效载荷可达500公斤。
    “雄鹰”号飞船的登月飞行始于超重型运载火箭的发射。然后通过轨道间运输工具将飞船运送到月球附近。在近月轨道上,飞船必须与月球轨道站或与月球起飞与着陆设施进行交会对接。飞船的乘组人员将进入轨道站或月球起飞和着陆系统,然后降落在月球表面。
    任务完成后,“雄鹰”号飞船及所载货物将通过飞船的返回系统到达地球。在该段将对飞船的飞行轨迹进行修正,以确保飞船返回时以所需的空气动力学特性进入地球大气层。
    在飞船以第二宇宙速度返回进入大气层之前,发动机舱已与飞船进行了分离。随后是下降到一定区域的受控下降,然后借助其着陆装置(降落伞系统、软着陆发动机和起落架)使飞船软着陆。在飞行任务完成后,返回舱将作为新飞船的组成部分,用于下一次载人和载货航天飞行。
    最初设计的飞船返回舱完全用喷气推进装置着陆,是因为俄罗斯联邦只有北纬51.6°以南的相对较小的地区有利于飞船着陆。
    例如,“联盟”号飞船的降落装置,使“联盟”号飞船在哈萨克斯坦草原地区着陆,允许的着陆精度是半径不超过28 km的圆,“联盟”号飞船的降落伞系统从10公里的高度开始运行,这导致着陆点的标称位置出现明显的风漂移。
    由于最初设定了在俄罗斯联邦境内执行任务的所有阶段,所以返回的“雄鹰”号飞船的着陆点必须非常准确。首先,这是防止预定着陆点风漂移的方法。计算表明,在高度小于10 km使用喷气推进装置着陆可以将着陆精度提高到2 km。但是,对飞船初步设计材料进行鉴定后发现,喷气式降落着陆方法的安全性不足。因此,决定实施降落伞-喷气式着陆系统。计算结果表明,以这种着陆方式可以确保在不超过7 km的半径内使飞船着陆,俄罗斯的许多地区都满足这一要求。这不是唯一的变化,特别是在技术咨询方案开发的初期阶段,已决定不再在船上使用电化学发电机,而是使用太阳能电池。砷化镓电池将用于光电转换。
    目前,俄罗斯“能源”火箭航天公司正在生产首批两艘“雄鹰”号飞船,第一艘将于2023年由“安加拉-A5”号火箭和2028年由“叶尼塞”号火箭进行试射,第二艘将是完全合乎要求的可供多次使用的飞船(可进行10次飞行)。
  • 印度“天舟”号载人飞船飞船将由乘员舱、服务舱和轨道舱构成,重约7吨。乘员舱直径3.7米,高7米。乘有3名宇航员的飞船将由“静地卫星运载器”(GSLV)MK3型火箭送入300~400公里的低地轨道,任务将持续5~7天。飞行乘组将由印度空军和ISRO联合选拔,随后将进行2~3年的训练。西万说,宇航员们还将开展实验,重点是微重力实验。ISRO还将征求印度上天第一人拉科什·沙尔马的意见。作为前印度空军飞行员,沙尔马1984年4月乘前苏联的联盟T-11飞船上天。

航天飞机(Space Shuttle)是一种载人往返于近地轨道和地面间的有人驾驶、可重复使用的运载工具,由轨道器、外贮箱和固体或者液体助推器组成。它既能像运载火箭那样垂直起飞,又能像飞机那样在返回大气层后在机场着陆。航天飞机为人类自由进出太空提供了很好的工具,是航天史上的一个重要里程碑,最早由美国研发。

  • 美国航天飞机是世界上第一种往返于地面和宇宙空间的可重复使用的航天运载器。它由轨道飞行器、外贮箱和固体助推器组成。每架轨道飞行器可重复使用一百次,每次最多可将29.5吨有效载荷送入185至1110公里近地轨道,将14.5吨有效载荷带回地面,航天飞机全长56.14米,高23.34米。轨道飞行器可载三至七人,在轨道上飞行7至30天,即可进入低倾角轨道,也可进入高倾角轨道,可进行回合、对接、停靠,执行人员和货物运送,空间试验,卫星发射、检修和回收等任务。
  • 在70年代初,美国研制了“太空梭”轨道飞机,也就是已经退役的航天飞机。这一时间,前苏联也开始制造自己的“太空梭”,即“暴风雪”号航天飞机。为研究从轨道返回时防热问题,设计者还研制了“布拉风-4”无人驾驶试验器,以“宇宙”系列的代号完成了4次轨道飞行,时间分别为1982年6月4日、1983年3月16日和12月27日及1984年12月19日。最初两架空天试验机均溅落在印度洋上,其打捞工作引起了西方国家的注意。于是,后两架“布拉风”均着陆于克里米亚海区。“暴风雪”号于1988年11月15日发射升空,并完成了极其精确的自动着陆。不久整个暴风雪号航天飞机任务下马,计划取消。

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