第三节俄罗斯宇宙飞船系列
1.“东方”号宇宙飞船
“东方”号飞船是前苏联发射的第一代载人飞船,也是世界上第一个将人类送上太空的载人飞船。
“东方”号飞船由两部分组成,上端是球形乘员舱,直径2.3米,重2.46吨,乘员舱外部有两根遥控天线和顶端安装的通信天线,通信电线下端是一个小型通信电子设备舱。乘员舱侧傍有一个观察窗和一个弹射窗,内部除装有生命保障及食物外,还有一台电视摄象机、一个光学定向装置、一个航天员观测装置和航天员应答装置。航天员按设计一直躺在弹射座椅上,生命保障系统可供航天员生存10昼夜。
东方号飞船的下端是仪器舱。它呈圆台圆锥结合体,最大直径2.43米,高2.25米,重2.27吨。在紧靠乘员舱处有18个球形高压氮气和氧气瓶,为航天员提供尽可能类似地面的大气环境。
“东方”号飞船的轨道设计有一个突出的特点,就是采用近地点只有180千米的低轨道。这样低的高度,大气对飞船轨道衰减十分厉害。这种设计有几大优点:一是如果制动火箭系统失灵,飞船可以在10天内逐渐衰减降低轨道,最终以不太大的再入速度返回地面;二是飞船设计可以不必考虑复杂的轨道保持系统,简化了设计;三是由于飞船不是垂直高速再入而是缓慢地大倾角再入,因而使烧蚀防热设计更容易些。
但这也随之带来了一个严重的缺点,就是飞船的再入和着陆点很难预测,而且往往离发射场地很远。
东方号载人飞船的运行轨道大约是180千米×250千米左右的近地轨道。根据飞行计划安排空间飞行时间,需要返回时,在预定时刻启动制动发动机,向飞船提供一定的冲量。据计算此冲量在给定的方向上对飞船提供了每秒100米到每秒140米的速度增量。这样不仅降低了速度值,同时也改变了速度方向,同时使飞船脱离了原运行轨道而进入返回轨道。
飞船沿返回轨道下降,在达到100千米左右高度时便开始进入稠密的大气层。东方号飞船是以弹道式再入的,其上只有阻力作用,无升力或有限的无控升力作用。飞船再入最大制动过载为8克~12克,而过载大于5克的持续时间约有100秒。地面试验也证明了人能承受这样的过载条件。
当返回舱下降到20千米高度时,速度已减慢到亚音速。到10千米左右时,速度趋近于一个稳定值,大约为每秒200米到220米。以后,其速度值变化甚小。为了进一步减慢到安全着陆速度,必须利用降落伞系统提供更大的阻力面积。
在正常返回的情况下,东方号飞船的航天员有两种不同的着陆方式可供选择:一是坐在返回舱的座椅内着陆,另一是利用弹射座椅将航天员弹出舱外,分别着陆。
“东方”号飞船在正式载人飞行之前,已经进行了7次不载人飞行试验,全面考验了飞船的设计、轨道飞行、再入回收各个环节,其中有两次还搭载了试验用的小狗。载人飞行一共进行了6次,包括加加林的首次航天飞行。
2.“上升”号宇宙飞船
早在1962年,科罗廖夫就开始了联盟号飞船系统的方案研究,以期作为东方号飞船的后继型号。但是1964年末美国载有2名航天员的双子星座飞船成功发射入轨,出于政治上的考虑,前苏联需要有一项与双子星座相抗衡的飞船计划。
前苏联当局临时改变计划取消了原定的“东方7号”飞行任务,推迟了联盟号飞船研制计划,开始上升号的研制与飞行、该计划从1964年10月至1965年3月历时5个月。
上升号计划的主要任务是试验承载多人的飞船系统,考查航天员之间的配合能力,并试验舱外活动的能力。既然是临时性计划,按科罗廖夫的计划,将在1964年末进行历时一天的3人轨道飞行;在1965年初进行历时一天的2人轨道飞行;在1965年末进行历时2周的2人轨道飞行。但实际上其仅进行了2次载人飞行。
上升号与东方号的主要不同点有:
(1)去掉了弹射座椅和航天服。前苏联研制上升号飞船的任务就是为了在原来的东方号飞船那样的返回舱容纳下三名航天员,因而取消了弹射座椅,换上了三个带有减震器的座椅。由于航天服体积较大而又笨重,三名航天员都穿着它,也挤不进去座舱,只好穿普通的飞行服坐在座椅上。
在着陆时,航天员只能采用坐在座舱内着陆,而不能采用弹射座椅到舱外分别着陆的方案。返回舱带有两个主伞下降,着陆火箭若不工作,垂直着陆速度为每秒10米。此时,着陆冲击载荷大部分由座椅减震器吸收。座椅在航天员肩部附近的减震器的行程为0.2米~0.3米,这样使座舱的着陆冲击过载减少到20克~30克,作用时间约0.05秒。
这样强度的冲击过载,航天员是可以承受的。
(2)增加一个备份制动火箭。
上升号飞船的运动轨道较高,轨道飞行时间只有一天,万一制动火箭失效,不能指望依靠其轨道的自然衰减来实现返回。又由于舱内容积狭小,三名宇航员挤在其中,生保和环境条件控制系统负荷很重,因此不能在轨道上进行较长时间飞行。
为了确保返回飞船能及时可靠地转入返回轨道,除了东方号飞船原有的制动动力系统外,还增加了一台固体火箭发动机。它被安装在返回舱的顶部,由宇航员手动控制点火。其总重量为143千克,其中包括固体火药87千克,最大推力为12200千克,总冲量为19600千克秒,燃烧时间为2秒。
(3)增加了一个出舱闸道。为了实现太空行走,在上升二号飞船的侧壁上安装了一个可伸展的出舱闸道。其外部直径为1.2米,内装直径为1米,收缩后的高度为0.7米,伸开后的长度为2.5米。两端各装有一个密封的闸门。下端闸门向舱内开,直径为0.65米;上端闸门开向闸道内,直径为0.7米。闸道系统重量为250千克。上升二号飞船的宇航员出舱活动要穿着专用软结构式宇航服,为了有活动空间,上升二号只有两名宇航员。飞船入轨后的第一圈末至第二圈初,闸道伸展出去。
1965年3月18日,宇航员别利亚耶夫和列昂诺夫进入轨道后,列昂诺夫通过闸道出舱活动约24分钟,实现了世界上首次太空行走。宇航员在舱外活动时,由五米长的绳索系在船上,活动完毕之后,返回舱中,关闭密封舱门,抛掉闸道。
(4)以软着陆实现返回。
上升二号不仅改进了降落伞系统,并且在着陆前增加了着陆反推火箭,组成降落伞-反推火箭系统来实现软着陆。主伞系统由两具面积为574平方米的主伞组成,保证返回舱以每秒7.4±0.3米的垂直速度着陆。如有一具主伞失效,返回舱也能以每秒10.5米的速度着陆。
反推火箭用连接绳和连接索固定在主伞和返回舱之中。它有四个喷口,其轴线与发动机轴线呈30°的倾角。其点火由触杆式触地开关控制。