從1961年初人類首次乘載人航天器進(jìn)入太空，載人航天已有五十多年的歷史。在整個(gè)載人航天歷程中，人類所依靠的運(yùn)輸工具也就兩種：一種是載人飛船，另一種就是航天飛機(jī)。載人飛船與航天飛機(jī)的成功研制使得人類得以在太空從事各種探側(cè)、試驗(yàn)、研究、軍事和生產(chǎn)的往返飛行活動(dòng)，把人類的活動(dòng)范圍從陸地、海洋和大氣層擴(kuò)展到太空，更廣泛和深人地認(rèn)識(shí)地球及其周圍的環(huán)境，更好地認(rèn)知整個(gè)宇宙。
載人飛船是能保障宇航員在外層空間生活和工作，以執(zhí)行航天任務(wù)并返回地面的航天器。 它是運(yùn)行時(shí)間有限，僅能一次使用的返回型載人航天器。飛船可以獨(dú)立進(jìn)行航天活動(dòng)，也可作為往返于地面和空間站之間的“渡船”，還能與空間站或其它航天器對(duì)接后進(jìn)行聯(lián)合飛行。 飛船容積較小，受到所載消耗性物資數(shù)量的限制，不具備再補(bǔ)給的能力，而且不能重復(fù)使用。
航天飛機(jī)是可以短期在太空飛行的載人航天器。它以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力發(fā)射到太空，能在軌道上運(yùn)行，且可以往返于地球表面和近地軌道之間，是可部分重復(fù)使用的航天器和航天運(yùn)輸工具。載人飛船降落時(shí)是需要降落傘的，而航天飛機(jī)則可以通過滑翔與普通飛機(jī)類似在跑道上降落。迄今為止只有美國研制并使用了航天飛機(jī)。前蘇聯(lián)曾在 1988 年試飛過無人駕駛的暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)，但并沒有投入使用。美國制造出的實(shí)用型航天飛機(jī)有5架，按首次進(jìn)入太空時(shí)間為序分別為哥倫比亞號(hào)、挑戰(zhàn)者號(hào)、發(fā)現(xiàn)號(hào)、亞特蘭蒂斯號(hào)和奮進(jìn)號(hào)。
1.載人飛船的組成
載人飛船是一種載人的小型航天器，它就類似于衛(wèi)星，不過卻要比衛(wèi)星的構(gòu)造復(fù)雜得多。載人飛船的構(gòu)造除了具有類似傳統(tǒng)衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、姿態(tài)控制、無線電和電源等設(shè)備之外，還需要具有保證航天員在飛行過程中正常生活和工作的設(shè)施與環(huán)境。飛船的座艙需要很好的密封性，使座艙里保持足夠的氧氣、一定的壓力和適當(dāng)?shù)臏囟取＿€要為航天員準(zhǔn)備足夠的水和食物。此外,飛船上還需要安裝類似飛機(jī)駕駛員用的那種手控裝置、各種飛行顯示儀表以及航天員跟地面聯(lián)絡(luò)的報(bào)話通信設(shè)備等等。載人飛船曾在人類邀游宇宙突破載人航天方面起到了重大的作用。當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)為“禮炮號(hào)”空間站接送航天員以及運(yùn)送物資都用的是載人飛船。
蘇聯(lián)聯(lián)盟號(hào)
2、載人飛船的設(shè)計(jì)
載人飛船一般采用分艙設(shè)計(jì)的原則，整個(gè)飛船分為座艙與服務(wù)艙兩大部分。座艙中安置那些最必需的設(shè)備，例如座椅、儀表、照明燈、食物和通信設(shè)備等。其余的如返回發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池和氣瓶等均放在服務(wù)艙內(nèi)。在飛船完成軌道飛行任務(wù)后，就點(diǎn)燃返回發(fā)動(dòng)機(jī)，最后拋棄服務(wù)艙，航天員乘座艙返回地面。因此，座艙是整個(gè)飛船的核心部分。
飛船座艙的外形很簡單，都是無翼的大鈍頭體。例如，蘇聯(lián)的“東方號(hào)”飛船，它的返回座艙是球形；美國的“水星號(hào)”飛船座艙形狀為鐘形；以及我國的神舟號(hào)也都是這些類型的形狀。這種大鈍頭的無翼式座艙外形結(jié)構(gòu)簡單，加工與制造的難度低。當(dāng)飛船再入大氣層時(shí)，座艙在距地面40公里左右的高度，就急劇減速，造成的峰值減加速度為8g左右。這樣的加速度，經(jīng)過選拔和訓(xùn)練的航天員是可以承受的。假如飛船的返回座艙不是大鈍頭，而像某些返回衛(wèi)星以小頭向前再入大氣層，則其再入峰值減加速度將達(dá)到18g，地表上恐怕找不到任何一個(gè)人類能夠承受這么大的過載。所以，無翼式大鈍頭的座艙外形，是早期載人飛船的理想外形。
東方號(hào)返回艙
水星號(hào)返回艙
神舟九號(hào)返回艙
在座艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先要考慮到航天員進(jìn)出方便，還要有逃逸口。飛船在上升或返回過程中，如發(fā)生故障，需要應(yīng)急彈射時(shí)，座艙門應(yīng)該能夠迅速打開，在軌道上或降落在海面上時(shí)，則要求座艙門嚴(yán)格密封。航天員除了可以由座艙門進(jìn)出以外，有的飛船還有應(yīng)急逃逸口，必要時(shí)航天員可由此爬出座艙。
飛船的座艙一般還要設(shè)置視野開闊的舷窗。航天員通過舷窗可觀察發(fā)射前的準(zhǔn)備活動(dòng)，軌道飛行中交會(huì)對(duì)接情況，返回點(diǎn)火時(shí)的姿態(tài)和再入著陸的地面情況等等?！八?號(hào)”的航天員，在飛船自動(dòng)控制失靈的緊急情況下，就是通過舷窗觀察地平線，手控飛船姿態(tài)，點(diǎn)燃返回發(fā)動(dòng)機(jī)，再入大氣層獲得了成功。
另外，在幾百公里的高空，空氣已經(jīng)非常稀薄，在那里太陽幾乎沒有漫射，空間背景非常黑暗，對(duì)比度比地面上看起來要大得多。太陽光通過飛船舷窗直接射入座艙，在座艙蓋內(nèi)部反射，形成惡劣的對(duì)比度環(huán)境。這會(huì)使得航天員的視力逐漸減退，以至無法辨認(rèn)座艙儀表的讀數(shù)。在軌道交會(huì)對(duì)接操作中，由于空間存在著這種明亮和黑暗的強(qiáng)對(duì)比度，還可能造成航天員視覺的幻像，使對(duì)接失敗。此外，在軌道飛行中，白天和黑夜交替變化很快，航天員的眼睛也很難適應(yīng)。所以，飛船座艙要有特殊的照明系統(tǒng)。一般說來，飛船處在陽光下時(shí)，舷窗可以拉上窗簾或加蓋濾光片，防止強(qiáng)烈的陽光直射入座艙。飛船處在黑喑中時(shí)，由艙內(nèi)的高效白熾燈來保證艙內(nèi)亮度。照明燈可手動(dòng)調(diào)節(jié)，使之有足夠的亮度與和諧的顏色。
1.航天飛機(jī)的組成
大部分人實(shí)際上對(duì)航天飛機(jī)是有誤解的。因?yàn)榇蟛糠秩硕及迅w機(jī)長得很像的那一部分當(dāng)做航天飛機(jī)。實(shí)際上，很像飛機(jī)的那部分只是航天飛機(jī)的軌道器。完整的航天飛機(jī)由軌道器、 固體火箭助推器和外貯箱三大部分組成。下面小編就給大家主要介紹航天飛機(jī)的軌道器。
航天飛機(jī)的三大組成部分
2、航天飛機(jī)軌道器的設(shè)計(jì)
美國航天飛機(jī)軌道器由機(jī)頭機(jī)身、機(jī)尾以及兩個(gè)三角形機(jī)翼和垂直尾翼構(gòu)成?？傞L87米，翼展寬24米，跟一架大型噴氣式客機(jī)的大小相差不多，總質(zhì)量為68噸。機(jī)頭部分是軌道器的駕駛艙，總?cè)莘e是71立方米。整個(gè)駕駛艙分隔成三層，上層是駕駛室，前后共設(shè)有四個(gè)座位。前面的兩個(gè)是駕駛員和指令員座位，后面的兩個(gè)可以供工程師、技師或其他人員乘坐。駕駛室前有飛行控制、顯示儀器等設(shè)備。駕駛室頂上有一個(gè)可以迅速打開的艙門，在情況緊急的時(shí)候，駕駛室的人員可以從這里逃出。中層設(shè)有廚房間、衛(wèi)生間和空氣鎖，還放有一些電子設(shè)備。空氣鎖的后面有一艙口，在軌道上，駕駛艙的人員可以通過這個(gè)艙口走到后面的貨艙里去。此外，中層還有一個(gè)很大的邊門，航天飛機(jī)起飛前或著陸后，人員和設(shè)備從這里進(jìn)出。下層主要裝載環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)備，以保持駕駛艙氣壓、溫度、濕度等條件。
航天飛機(jī)的軌道器
軌道器駕駛艙是密封的，里面充滿氧氣和氮?dú)?。氧氮混合氣體的壓力是一個(gè)大氣壓。艙里裝有三個(gè)風(fēng)機(jī)，使空氣流動(dòng)。艙里的二氧化碳、臭氣等有害氣體由裝有氫氧化鋰和活性炭等化學(xué)物品的吸收筒吸收，所以駕駛艙里空氣可以保證航天員能夠在里面自由呼吸，不用穿航天服。艙里各種電子設(shè)備和人員發(fā)出的熱量，由冷水和氟利昂兩個(gè)冷卻系統(tǒng)分別帶到水蒸發(fā)器和空間輻射器排向空間，使駕駛艙的溫度保持在21~27攝氏度。
亞特蘭蒂斯號(hào)座艙
軌道器機(jī)身就是航天飛機(jī)的大貨艙，直徑4.5米，長18米，可以裝20~30噸貨物。貨艙里裝有機(jī)械手，機(jī)械手可伸可屈，可以隨意轉(zhuǎn)換方向最遠(yuǎn)可以伸到15米遠(yuǎn)的地方。坐在駕駛艙里的技師可以通過電視和目視觀察，準(zhǔn)確地操縱機(jī)械手把十幾噸的貨物拋向空間，或把空間的人造衛(wèi)星捉住送入貨艙。
軌道器機(jī)尾裝著三個(gè)以液氧、液氫作為推進(jìn)劑的主發(fā)動(dòng)機(jī)，總共能產(chǎn)生640噸推力，還有兩個(gè)變軌發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)產(chǎn)生2. 7噸推力。三角形機(jī)翼和垂直尾翼使航天飛機(jī)返回地球的時(shí)候在大氣層中飛行具有良好的穩(wěn)定性和操縱性，能像普通飛機(jī)一樣飛行自如，滑行降落。
企業(yè)號(hào)軌道器降落
航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)是用普通鋁合金制成的。但在返回時(shí)速度極快，它的表面跟空氣發(fā)生劇烈摩擦，溫度急劇升高。在機(jī)頭和機(jī)翼前緣，最高溫度可以達(dá)到1600攝氏度左右。這樣高的溫度性能再好的鋁合金也都會(huì)化成水了。因此在這些地方需要覆蓋了一層耐高溫的石墨纖維復(fù)合材料，以保護(hù)鋁合金不被燒熔。在機(jī)身和機(jī)翼的上表面，溫度大約是350~1260攝氏度。在這些地方覆蓋了一層由20000塊左右耐高溫的陶瓷磚拼成的防熱層。陶瓷磚每塊15厘米見方，2~6厘米厚。在機(jī)身的側(cè)面和垂直尾翼的表面，溫度比較低，只有400~650攝氏度。這些地方覆蓋7000塊另一種規(guī)格的陶瓷磚。這種陶瓷磚每塊20厘米見方，0.5~2.5厘米厚。
航天飛機(jī)起飛的時(shí)候，除本身的三個(gè)主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出推力外，還有兩個(gè)固體火箭助推。兩個(gè)固體助推器平行地捆綁在它的兩側(cè),每個(gè)固體助推器長45米，直徑3.7米,能發(fā)出2600噸推力。上升過程中，固體助推器只工作兩分多鐘。大約在13公里的高空中與航天飛機(jī)分離，再入大氣層，用降落傘在海面上回收，可以重復(fù)用20次。
載人飛船和航天飛機(jī)是當(dāng)代載人航天器的兩種主要類型。其中載人飛船是開創(chuàng)載人航天歷史的載人航天器。它用一次性火箭發(fā)射，發(fā)射費(fèi)用較少，結(jié)構(gòu)簡單，用途也較廣，既可作為天地之間往返飛行的載人運(yùn)輸工具，又可作為空間站的救生艇。與航天飛機(jī)比較，飛船技術(shù)比較簡單，更切合載人航天初期的實(shí)際需要。
航天飛機(jī)是美國繼阿波羅之后的又一項(xiàng)龐大的航天計(jì)劃。不過極具搞笑意味兒的是，美國研制航天飛機(jī)的初衷就是要研制一種能夠多次重復(fù)利用的載人航天器，從而降低每次的發(fā)射成本。從1972年至1981年，美國最大限度地壓縮載人航天活動(dòng)，集中財(cái)力研制航天飛機(jī)。不過航天飛機(jī)研制成功以后，技術(shù)極其復(fù)雜，成本反而比載人飛船還要高得多。不過這并不影響航天飛機(jī)的價(jià)值與地位。載人飛船使人類首次沖進(jìn)了太空，航天飛機(jī)的出現(xiàn)則是人類航天技術(shù)發(fā)展的一次重大的飛躍。雖然燒了不少錢，但是在整個(gè)過程中，技術(shù)的突破是巨大的。
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