第八章 载人航天器

第八章 载人航天器
载人飞船：能保障航天员在外层空间生活和工作，以执行航 天任务并能返回地面的航天器； 空间站：可供多名航天员巡访、长期工作和居住的载人航天 器； 航天飞机：可以重复使用的，往返于地面和高度在1000km以 下的近地轨道之间，运送有效载荷的航天器。 载人航天是现代科学技术发展的一个显著标志。
载人飞船的结构组成
1、载人飞船是一种载人的小型航天器，它的构造要比人造卫星的 构造复杂得多。 2、载人飞船除了具有类似人造卫星的结构系统、姿态控制等设备之 外，为了保证航天员在飞行过程中正常的生活和工作，还有许多特 殊的设施。如飞船的座舱要很好的密封，使座舱里保持足够的氧 气、一定的压力和适当的温度，还要为航天员准备足够的水和食 物。 3、此外，飞船上还需要安装类似飞机驾驶员用的那种手控装置、各 种飞行显示仪表以及航天员跟地面联络的通信设备等等。
载人飞船的结构特点
载人飞船的结构采用分舱段布置的原则。 从功能上分，可分为座舱和服务舱； 从再入与否分，载人飞船是由再入舱（也称返回舱）和其他舱段组 成。再入舱是需要再人大气层的飞船舱段，它具有再入时的防热结 构。座舱是再入舱的核心部分，是航天员工作与生活的地方，也是 飞船的指挥中心。有些飞船的整个再入舱就是座舱。座舱结构一般 包括外部防热层与内部密封压力舱等结构部分。密封压力舱必须满 足最小泄漏量的要求。
两台固体火箭助推器是航天飞机系统的第 三个部件
两台固体火箭助推器平行地安装在外储箱的两侧，航天飞机的 下 方 。 两 台 固 体 火 箭 助 推 器 的 结 构 完 全 相 同 ， 每 台 助推器 长 约 45.46m，直径3.7m，自重83t，可以装503t的固体推进剂，推力 13MN，可以重复使用20次。
3、轨道机动飞行器（OMV）：它是从空间站到空间平台或自由飞 行器等之间的交通工具。它能把航天员带到离空间站几百公里远 处，维修、更换、检测、回收自由飞行的卫星和空间平台。 4、轨道转移飞行器（OTV）：能够将大型的卫星和空间平台进一 步送往深空轨道。 这些种类繁多的航天器能够飞向并接近空间站基地（简称空间 站），而空间站则成为这些航天器的工作、供给和服务基地，为 它们提供消费品、备件、有效载荷和其他设备。此外，所有这些 货物、航天员以及空间站、空间平台的全部构件均由航天飞机和 飞船利用运载火箭运送到空间站，或直接运送到空间平台。所以 运载火箭、飞船和航天飞机等天地运载工具也成为空间站系统不 可缺少的组成部分。
空间站大系统
（概念）空间站发射、在轨执行任务所需要的所有系统组成空间站 管 理 测 量 通 信
飞 船
运 载 器 航 天 飞 机 火 箭
同 轨 道 平 台
极 轨 道 平 台
轨 道 间 运 载 飞 船
数 据 中 继 卫 星
轨 道 作 业 飞 船
空间站大系统
“阿波罗”载人飞船：
“阿波罗”载人飞船是美国的第三代载人飞船，从1968年到1972 年期间进行了11次载人飞行，其中6次登上月球。首次登月是在1969 年7月20日实现的。当时，“阿波罗”把美国航天员阿姆斯特朗和奥尔 德林送上月球。
除救生塔系统和飞船与运载 火箭过渡舱外，“阿波罗”飞 船主要由三部分组成，即指 挥舱、服务舱及登月舱（见 图），总质量约为45t。
由于航天员的存在，就必须考虑他们的不同活动方式及其安全。
1、返回地球的特点 载人飞船返回地球时必须有气动加热防护系统和着陆系统。 飞船再入舱的外形很简单，都是无翼的大钝头体。 2、保证乘员生活及活动条件的特点 密封舱 生活条件 3、飞行安全的特点 飞行安全在保证其高可靠性和制造载人飞船时具有重要的作用。
空间站系统的组成
空间站是在载人飞船基础上发展起来的，除了地面支持 系统以外，主要是在空间设置的空间站系统。虽然迄今对空 间站系统还没有为人们普遍能接受的简单明了的定义，但是 人们能够明确的是，空间站系统是由空间飞行结构和地面支 持系统两大部分组成的一个大系统，如图所示。它们同时协 调工作，完成各种飞行任务，包括商业任务，科学实验及其 应用，以及空间技术开发等任务。
第一部件是轨道器，即航天飞机，它是整个系统的核心 部分。
航天飞机系统的第二个部件是外储箱
外储箱的作用就是为航天飞机的主发动机储存入轨前所用的全 部推进剂。外储箱装在航天飞机的下方，夹在两台固体火箭助推器 的中间。它是航天飞机系统上惟一不可回收的部件。全长47m，直径 8.64m，净质量33t，是一个十分庞大的尖头圆柱体，由铝合金制 成。内有前、后两个储箱，前储箱装600t多液氧，后储箱装102t 液氢，外储箱总共可装700t多的推进剂。
美国的载人飞船
美国的载人飞船有三种，分别是“水星”、“双子星座”和“阿波罗”飞 船。 1、“水星”载人飞船： “水星”飞船是美国的第一代载人飞船，从1961～1963年间进行了6次 飞行。“水星”飞船呈钟形，最大直径1.86m，高2.9m，总质量1.6t， 只能乘坐一名航天员。 飞船的球面形底部外壳有烧蚀防热层，底部上面的锥形部分是座舱。 座舱外表面有辐射防热结构，内部有一个载人密封压力舱。座舱内安 装有环境控制系统，电源系统及其他有关系统和设备，此外还有必要 的仪表显示及操纵装置。座舱上面的圆柱部分是回收舱，舱内主要包 含有降落伞系统，外表面为金属铍。顶部截锥是天线舱，除天线外还 有稳定伞及红外地平仪。两个供航天员出入的舱口，一个在飞船的侧
航天飞机
航天飞机是一种有人驾驶的、主要部分可以重复使用的空间运输 工具。它可以像火箭那样垂直起飞，像载人飞船那样在轨道上运动， 像飞机那样滑翔，在地面上水平着陆。它把飞机、火、箭、卫星三者 的功能有机地结合起来，在航天史上这是继“阿波罗”登月成功后又一 次划时代的技术突破，同时也标志着空间科学技术已经从研制阶段成 功地走向广泛应用时代。 航天飞机除了运载和部署卫星以外，还可以检修、回收卫星，或 进行空间营救。后者在航天史上是一个突破，它的技术意义和经济效 益是非常巨大的。如1997年2月，美国“发现号”航天飞机对“哈勃”太 空望远镜的检修就是成功的一例。 在军事方面，航天飞机还可以执行载人近地轨道实时侦察、拦截 卫星、战略轰炸等任务。在空间科学技术的应用方面也非常广泛，如 发射空间实验室和建立永久性国际空间站等。
“自由号”空间站
80年代初美国国家航空航天局研制成功航天飞机以后，就开 始永久性载人空间站的概念研究。1984年美国政府批准“自由号”永久 性载人空间站的计划。这个计划现在已发展成为目前由美国、俄罗 斯、欧洲空间局、加拿大和日本共同参加的国际合作计划，即目前正 在建造和在轨组装的国际永久性载人空间站，简称为国际空间站。 国际空间站采用桁架式结构，难度很大，空间站的大部件由美国 航天飞机多次发射入轨，然后由航天员在轨道上组装完成。 在目前的国际空间站中，美国负责研制一个4人乘员舱、一个多用 途实验舱、空间桁架结构、太阳能电站、推进系统和气闸舱等；俄罗 斯提供服务舱、一个实验舱、太阳帆板、生命保障系统、能源平台、 大型运载工具及空间站建造的关键技术和经验；欧洲空间局提供一个 哥伦布对接轨道舱，加拿大提供一个移动遥控服务器和一个专用空间 机械臂组成的移动服务中心，日本提供一个实验舱。总之，受到了世 界许多航天大国的支持和参与。
“双子星座”载人飞船：
“双子星座”载人飞船是简单的“水星”飞船和复杂的“阿波罗”飞船之间 的桥梁。在1965年和1966年中进行了10次载人飞行，作了多次轨道交 会和对接试验，为“阿波罗”飞船载人登月飞行作了准备。飞船由座舱 和设备舱组成，其形状像“水星”飞船，最大直径3.05m，高5.74m，总 重量3.3~3.8t，可乘坐两名航天员，
航天飞机的飞行控制
航天飞机每次飞行所执行的任务是各不相同的，所携带的有 效载荷也是多种多样的。但是，无论执行什么任务，携带哪些有 效载荷，航天飞机的基本飞行过程都是相同的，可分为5个主要阶 段，即上升段、入轨段、轨道段、离轨段和再入着陆段。
1、上升阶段
2、入轨阶段 3、轨道运行阶段 4、离轨阶段 5、再入与着陆阶段
空间站技术
前苏联和美国所走的空间发展道路是不相同的，20世纪60年 代，两国以月球为目标，美国以载人飞船“阿波罗”登月，而前苏联 以无人月球自动站，展开了激烈的空间竞争。以后，美国以航天飞 机为主发展可重复使用的空间运输系统，而前苏联则以建立载人空 间站为首先发展目标，这两者都取得很好的成果。进入80年代以 后，美国在发展航天飞机的基础上，积极准备发射永久性空间站， 而前苏联则在发展空间站的基础上，积极研制并成功发射了航天飞 机。 1984年1月，美国宇航局提出了发展永久性空间站“自由号”的建 议。永久性空间站分两期实现，第一期永久性空间站上的6名航天 员以及所需的补给物资由航天飞机运送。第二期工程准备容纳18名 航天员。
航天飞机的结构组成
航天飞机系统整体外形结构如图所示。轨道器驮在外储箱 上，两台固体火箭助推器则平行地挂在外储箱的两侧。当航天飞机 竖立在发射台上时，整个系统依靠助推器的尾裙支撑。整个系统全 长56.14m，高23.34m，起飞总质量2000t多，海平面的起飞总推力 为31400KN。 航天飞机系统的整体几何尺寸也如图所示。下面分别针对航天 飞机系统的三大部件：轨道器，外储箱和助推器进行介绍。
和平号空间站
和平号是苏联/俄罗斯的第3代空间站，亦为世界上第一个长久性 空间站(设计成在轨多模块组装，站上长期有人工作)。和平号空间 站的轨道倾角为51.6度，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。 和平号核心舱于1986年2月20日发射，它提供基本的服务、航 天员居住、生保、电力和科学研究能力。联盟-TM载人飞船为和平 号接送航天员，进步-M货运飞船则为和平号运货。6个对接口，可 同时与多个舱段对接。到1990年，苏联只为和平号核心舱增加了3 个对接舱：即1987年与核心舱对接的量子-1(载有望远镜和姿态控 制及生命保障设备)、1989年对接的量子-2(载有用于舱外活动的气 闸舱、2个太阳电池翼、科学和生命保障设备等)、1990年对接的 晶体舱(载有2个太阳电池翼、科学技术设备和一个特别的对接装 置，它可与美国航天飞机对接)。俄罗斯自1995年起发射了3个 舱，先后与和平号对接，这3个舱是：1995年发射的光谱号(载有 太阳电池翼和科学设备)和一个对接舱(停靠在晶体号特别对接口 上，用于与航天飞机对接)以及1996年4月26日发射的和平号的最 后一个舱体--自然号(载有对地观测和微重力研究设备)。自此和平 号在轨组装完毕。全部装成的和平号空间站全长87米,质量达123 吨(如与航天飞机对接则达223吨),有效容积470立方米。