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做座美苏中首次载人发射技术对比

发布时间:2021-10-10 11:55:19 阅读: 来源:测距仪厂家

美苏中首次载人发射技术对比

新浪科技讯“地球是人类的摇篮。人类绝不会永远躺在这个摇篮里,而会不断探索新的天体和空间。人类首先将小心翼翼的穿过大气层,然后再去征服太阳系空间。”

莫斯科时间1961年4月12日9点07分,在苏联拜科努尔宇航中心,尤里·加加林乘坐东方一号宇宙飞船进入太空,实现了他的先辈齐奥尔科夫斯基的伟大预言。而另一个世界强国--美国,也不甘落后,在紧锣密鼓的准备之后,于1962年2月20日将水星6号载人飞船送避免对仪器造成干扰;入地

球轨道。由此,揭开了人类历史上波澜壮阔的征服太空的竞赛。32年过去了,美苏(俄)两国的航天发射技术都得到了长足的进步,而广袤的宇宙又将张开双臂迎接新的来访者--2003年10月中旬,在经过4次成功的无人实验发射之后,中国将使用长征2F运载火箭将载有宇航员的神舟5号飞船送入地球轨道。那么,神舟5号比起它的前辈东方号和水星号究竟有什么不同呢?让我们再回过来看人类蹒跚学步进入太空的那段历史。

东方号飞船世界上第一种宇宙飞船。是苏联宇航先驱谢尔盖·р·科罗廖夫主持设计的。由座舱和服务舱组成,总长4。41米,最大直径为2。43米,重4725公斤,座舱自由空间1.6立方米,可以搭载一名宇航员,在轨时间最长为5天。

座舱是宇航员工作、生活是乘坐的舱段,它同时也是搭载宇航员返回地面的部分,所以也叫返回舱。该舱呈球形,重2460公斤,内径2.3米。飞行员的座椅就放在中央位置。航行期间航天员穿着宇航服坐在座椅上工作和休息。座椅与座舱的中轴线成64度,背靠和座椅夹角为110度。舱内有手控装置、导航仪表、无线电通信设备、生命保障系统、着陆系统,还有科学实验仪器、摄像机、照相机,有足够的水和食品。服务舱又叫推进舱,也称设备舱或仪器舱。外形为一个短圆柱段和两个锥体组成,它的最大直径是2.43米,重达2265公斤。舱内安装的仪器设备仅在运行中使用,而不再返回地面。如遥测、轨道控制、姿态控制、变轨发动机、姿控气瓶、电源等。

为了保证宇航员在飞船中的正常生命活动、飞船座舱内载有环境控制和生命保障系统。飞船内充满一个大气压下的氮氧混合气体,其中氧气占21%,氮气占79%,接近地球上的大气环境。舱内温度为17--26摄氏度,相对湿度为45--65%,二氧化碳浓度不超过0.5%。

为在意外条件下挽救宇航员的生命,座椅下面装有两台固体火箭,紧急情况可以将座椅弹射出舱。座椅里备有救生包、食品、水、药品和防身枪支,供应急救生着陆使用。座舱装有3套降落伞系统,一套供整舱降落用,两套(其中一套备份)供座椅弹射降落时用。由于弹射救生座椅只能用于7公里以下,中高空用弹射座椅救生会损伤宇航员,在航天器起飞的前40秒如果出意外,直接将宇航员探出舱外,如果意外发生在40--150秒,则先关闭运载火箭,等降落至7公里后再将飞行员弹出,如果在更高的轨道段出故障,则将返回舱分离,直接返回地球。

东方号的姿态控制可以使用自动控制系统,也可以由航天员手动,航天员用右手操纵手控器控制飞船的方位,左手操纵紧急开关打开座舱的逃离舱口和操纵弹射座椅,控制飞行姿态的力矩由东方1-C气体火箭发动机提供,该发动机系统分成两族独立的半系统,每组有8个冷氮气推力器。安装在仪器舱上端与返回舱对接处四周的12个球形气瓶配置成3个独立的高压氮气瓶组,像两组推力器供气,其中两组气瓶保证自动状态控制推进供气,另一瓶组保证手动姿态控制推进供气。

当飞船返回时,先将服务舱分离,然后制动火箭点火,使返回舱进入过渡轨道。再入方式为弹道式,无升力控制,因而过载较大,达8--12g,大于5g过载的持续时间达到100秒。在正常返回情况下,东方号飞船有两种着陆方式:第一种是坐在舱内的座椅上和整舱一起着陆,第二种方法是将航天员弹出舱外单独着陆。利用第一种方式时,在返回舱下降到4公里时膜盒式高度表发出指令,抛掉伞舱盖,先后拉流场中迎风面与背风面的温差可到达3~8℃出引导伞、减速伞、主伞。最后着陆时返回舱的速度不大于10米/秒。当采用弹射座椅方式着陆时,返回舱下降到7公里高度时,高度计发出指令,将座舱门分离。航天员头盔的玻璃罩自动盖上,收紧背带,借统供氧系统。2秒后,座舱门已经离开到了安全距离以外,弹射座椅的弹射机构动作,将座椅连航天员一起沿导轨弹到舱外,减速伞打开。3秒后,座椅分离。减速伞拉带主伞后分离。在过10秒,放下救生包,系于一根15米长的绳子下端。航天员乘主伞降落,速度约为5--6米/秒。第二种方式相比第一种,由于无需在飞船高速进入大气层后控制飞船的姿态,更加简单一些。因此被第一次载人航天飞行所选中。

与苏联的飞船类似,美国的第一型宇宙飞船水星号也采用了两舱段结构,分为座舱和伞舱,飞船外形呈圆锥形,高2.9米,底部直径1.83米,顶部直径0.5米。包括救生塔在内,总长7.92米。飞船质量每次发射时不太一样,以首次轨道飞行的水星6号为例,起飞质量1934公斤,在轨质量1355公斤,溅落时为1130公斤。水星号伞舱呈圆柱体,下部圆锥体为座舱。座舱里只能乘坐一名宇航员,设计最长飞行时间为2天。航天员躺在座椅上,通过舷窗和潜望镜可以观察到空间的景象。

水星号飞船上装有通信、姿态控制、供配电、热防护、环境控制和生命保障以及回收着陆等系统,配置有座椅、手控装置、摄像机、降落伞、橡皮艇等设备。水星号飞船装有两套相互独立的遥测分系统,用来传输座舱工程参数和航天员胜利参数。两个雷达信标机用于地面跟踪测量。飞船上还设有两路无线路,有记录遥测数据的磁记录。飞船的制动火箭安装在座舱的防热罩上,再入大气层后即抛掉。飞船姿态控制以自动为主,另有两种手控方式作为备份。

水星号的座舱环境与东方号不同,舱内大气采用采用1/3大气压的纯氧。这种方式比东方号的要简单许多,压力低,成份单一,所以容易调压,不需要向东方号一样坚固的舱体结构和那么复杂的调压系统,降低了飞船的重量,泄露量也小。同时,穿低压航天服出舱活动是不许吸氧排氮,减少了准备时间。但是副作用也很明显,首先长期呼吸纯氧会抑制红细胞生长,对眼鼻也有刺激作用,其次座舱的纯氧环境是一旦发生火灾时很难控制,1967年1月27日美国阿波罗4A飞船在地面测试中由于电路短路引起火灾,3名宇航员在15秒内被烧死,所以此后美国飞船发射时会向其中注入一些氮气。水星号飞船中温度为26度(最高不超过43.4摄氏度)。

水星号飞船和逃逸塔连接在一起后组成逃逸救生系统。整个系统由安装在飞船顶部的逃逸发动机、救生塔分离发动机、救生塔塔架组成。逃逸发动机推力为22.9千牛,工作时间1.2秒,3个喷管向外倾斜19度,是推力方向和飞船纵轴略有倾斜,以便逃逸救生轨道横偏,避免和后面追来的火箭相撞。分离发动机安装在飞船底部防热罩上,推力3.53千牛,工作时间1.5秒。救生塔塔架是个三米高的三角形钢架结构,用3个爆炸螺栓固定在飞船上。逃逸时,救生塔将座舱牵引离开危险区。当运载火箭正常运行至主发动机停机后,逃逸塔即被抛掉。1961年4月25日一次无人亚轨道试验中,当火箭起飞43.4秒之后,控制系统发生故障,救生程序被启动,逃逸塔点火,将飞船座舱牵引离开火箭爆炸危险区,并且回收成功。救生塔和弹射座椅方式各有利弊。救生塔对宇航员来说比较安全,缺点是如果座舱内发生危险,救生塔就无能为力了。而且救生塔占用了过多的有效载荷,也不如弹射座椅来经济。但是弹射过程对宇航员来说实在很危险,而且救生塔有过数次良好的表现,所以从联盟飞船开始苏联飞船都装有逃逸塔。

水星号的控制系统也是采用自动为主,手动备份的方式,通过喷管向外喷射气体来控制飞船的俯仰、偏航、滚动等动作。由于计算机设备的原始,水星号在航行的时候还鼓励宇航员通过手动方式控制飞船。1963年水星9号在飞行时自动控制系统故障,宇航员库帕从舷窗观察地平线,手动控制飞船姿态,成功返回地球。

水星号的返回方式和东方号大致相同,采用弹道式再入,水星飞船底朝下进入大气层,由于飞船形状的关系,可以获得一定升力,从而得到一定的气动控制。宇航员是用手动方式可以改变航行路线,飞向溅落地点。在降落的最后阶段,打开降落伞,使飞船轻轻落在海面上。这种方式比起东方号在地面降落,对飞行器的结构强度要求降低,但是对座舱密封性能要求更高,1961年水星4号飞船在亚轨道飞行后溅落大洋中,座舱进水,航天员格里索姆差点淹死。

在运载工具上,两国的运载火箭都是在液体洲际导弹基础上发展而来。东方号火箭由月号火箭发展而来,增加了第一级的推进剂质量和二级子发动机的性能。火箭为二级液体捆绑火箭,由芯级、四个助推器、第二子级、桁架式级间段、整流罩组成。尾段装有4个三角形稳定尾翼。火箭全长38.46米,底部最大直径10.3米,起飞质量287吨,起飞推力4002.5千牛如此类推 335 就是屈服强度335MPa ,近地运载能力4730千克,太阳同步轨道运载能力1840千克(650公里,98度)。其第一级芯级原型是р-7型液体洲际导弹,级长28.75米,直径2.95米,起飞质量101吨,其中结构质量7.8吨,推进剂质量93.2吨,工作时间320秒。火箭发动机为рд-108,由动力机械科研生产联合体设计,其特点是比冲大(真空比冲达到3090米/秒),该发动机结构重量1250公斤,直径1950毫米,长2850毫米。采用液氧和煤油为推进剂。海平面总推力745千牛,真空总推力941.8千牛。助推器长19.8米,直径2.68米,起飞质量每台43吨,其中推进剂有39.5吨,工作时间秒,发动机为рд-107型发动机,发动机质量1155千克,直径2580毫米,长1860毫米,同样使用液氧/煤油为推进剂,4台发动机产生的海平面总推力为3284千牛。二级火箭级长2.98米,直径2.58米,子级结构质量1.1吨,装有5.9吨液氧/煤油推进剂,采用рд-448型发动机,发动机直径766毫米,长1600毫米,工作时间440秒,真空推力为54.9千牛,这种发动机分两步关机,先将推力降低至45%,持续4秒后在关机,这样可以减轻关机造成的干扰,有利于提高有效载荷的入轨精度。

东方号火箭装有两套控制系统。其中一套在芯级仪器舱内,为全惯性控制系统,主要有惯性平台。第二套装在2级上,是捷联式惯性制导系统,有一个积分加速度表装在箭体纵向,测量飞行时轴向的视加速度。飞行中,由芯级火箭和助推器的游动推力室提供姿态控制力矩,4个尾翼起稳定作用,当芯级分离后,二级火箭利用以涡轮废气为动力的4个小喷管控制姿态。东方号运载火箭近地轨道高度偏差在正负40公里,周期偏差22秒。东方号火箭最后一次发射是在1991年,共发射了149次,成功率超过99%。在东方号的基础上,又发展出了上升号、联盟号、闪电号和进步号,成为一系庞大的运载火箭家族。

美国在试验水星号宇宙飞船时,最早采用了水星-红石运载火箭进行了载人亚轨道试验,这种火箭由 红石 导弹发展而来,采用NA--A7液氧/酒精发动机,推力347千牛,它曾成功地将美国第一颗人造地球卫星送入太空,也具备把水星号送入轨道的能力,但是这种火箭达不到绝对安全可靠的要求和足够的性能裕量。真正把美国人送入地球轨道的是 水星--宇宙神 运载火箭。

宇宙神D型火箭,是在宇宙神D型洲际导弹基础上改装而成的,是一种单级运载火箭。 水星--宇宙神 火箭在宇宙神D上再进行了一些改进。火箭全长29.07米,最大直径4.876米,起飞质量117.93吨,起飞推力1610.26千牛。火箭由中心一子级和尾段的助推器组成,中心级包括贮箱和主发动机。贮箱前面的截锥形对接段将飞船和火箭连成一个整体。贮箱两侧的上、下两个仪器舱中安装制导、控制和电子装置。助推器的两台助推发动机借助可分离的机械系统安装在一子级推力环上,外边用锥形整流罩保护。助推发动机完成飞行任务后与尾段一起沿纵向与一子级分离。

基础级火箭长20.52米,芯级直径3.05米,结构质量7.854吨,推进系统采用MA-2发动机系统,该系统由两台助推发动机、一台主发动机、两台游动发动机组成。5台发动机均由万向支架支撑,可进行摆动以控制火箭飞行姿态。助推发动机为LR-89-NA5液氧/煤油发动机,推力共1334.47千牛,燃烧时间145s,发动机±22.5°、零位外处于水平位置可沿俯仰和偏航方向摆动,以保持火箭飞行稳定。主发动机为LR-105-NA3发动机,地面推力为266.89千牛,燃烧时间280秒。两台游动发动机LR-101,每台推力约4.448千牛。在整个飞行阶段他们提供滚动控制力。燃烧时间约为280秒。

宇宙神D火箭的飞行轨道由两套互相关联的系统进行制导和控制:即无线电-惯性混合制导系统和自动驾驶仪飞行控制系统。这型火箭共飞行了18次,失败了6次,成功率仅有67%。

水星号和东方号都属于早期的载人航天器,设计目的仅仅是为了证实人类可以进入太空而且安全的返回。这些飞船结构比较简单,留空时间短,计算机系统也仅限于最基本的设备。飞船的可靠性不高,在几次飞行中出现了这样那样的事故。更重要的是,很多早期发射并不是由于技术发展水到渠成,而是出于政治原因的需要仓促间飞上天的,美国的水星号就是如此,相对于东方号,它更加简陋,大多数性能指标都远远落后。苏联后来的上升号飞船也是如此,为了抢在美国人前面发射多人的飞船,竟然连救生设施和航天服都取消掉了。尽管如此,这些早期发射还是取得了重大的成就,苏联宇航员列昂诺夫在太空中走出了上升2号的座舱,成为第一个进行太空行走的地球人。随后,美国人设计出了全新的完善的双子座飞船和大力神运载火箭,苏联制造了联盟飞船和运载火箭。几年后,巨大的火星Ⅴ火箭将阿波罗11号飞船送上了月球。如今,两国在载人航天领域都取得了长足的进步,分别以大型空间站和航天飞机为标志,代表了当今世界最先进的航天技术。

1992年1月,经过反复论证,我国的载人航天工程也正式上马。通过技术经济可行性的分析,最后决定采用宇宙飞船而不是航天飞机作为天地往返运输工具。这主要是因为,航天飞机的技术极为复杂,质量也大大增加。为了保证气动力控制有效,飞行器必须配备尾翼、机翼、空气动力舵和空气动力舵的专用运动控制系统。为了在跑道上无冲击的着陆和减速,必须被有带减震装置的收放式起落架、制动系统和在着陆滑跑时沿跑道运动的控制系统。从而大大增加了他的设计、制造成本。当然,航天飞机的好处很明显,它可以在大气层中下降时完成较大的起动机动飞行,下降过程平稳,过载小,精度高,已与控制,更重要的是,航天飞机属于重复使用的飞行器,使用成本要低于飞船,使用越多,成本越低。但是,与航天飞机相关的各种航空技术正是我国的弱项,而对于弹道式再入的宇宙飞船,我们有返回式卫星的足够的技术基础。除了技术上的原因,由于我国的载人航天工程只是出于技术上积累的需要,而不是像美俄一样有一整套的太空开发计划,我国的国力也不可能支持这样庞大的太空计划,所以不需要像美苏一样频繁载人航天发射,这使得航天飞机低成本的优势无法显示出来。因此,研制载人飞船在技术上和经济上都成为最好的选择。

在神舟号飞船的设计中,引进了联盟TM17飞船,这使得神舟的外观和联盟看起来十分相似。和联盟TM飞船相同,神舟采用3舱段结构,从上向下依次是轨道舱、返回舱、推进舱。轨道舱是宇航员在太空中生活和工作的舱室,也是外观上神舟飞船和联盟TM差别对大的舱段。轨道舱高3米,呈圆柱形,两边用锥形密封。上方装有雷达天线,用于空间对接,在返回舱返回后,可以留轨作为空间实验室,由侧面的太阳电池阵提供能源,而联盟飞船的轨道舱呈球形,也没有侧面太阳电池阵,在返回舱返回后即废弃了。返回舱内装有宇航员座椅,各种仪表。返回舱由钛框组件、侧壁结构、密封大底和防热大底四大部件组成。其中侧壁结构内层采用铝合金焊接的承力密封结构,外层为防热结构,两层胶接在一起。密封大底由金属承力结构、内外蒙皮、端框、反推发动机组成。防热大底在飞船载入大气层后,距地面10公里的高空被整体抛掉。这些设计特性,都与联盟TM类似。但是神舟飞船在体积上要比联盟飞船大13%,船内装有先进的GNC系统,神舟飞船内装有完善的设备仪器,稍加改装就可以完成对接任务或者作为货运飞船往返于地面与太空站之间,同时,神舟飞船的结构也比联盟飞船复杂,光密封接口就多达200多处,远多于联盟。原因在于神舟是一型起点很高的试验飞船,他需要在有限的发射次数内验证多种技术的可能性。

用于发射神舟飞船的是在长征2E基础上全新设计的长征2F运载火箭。火箭全长58.343m,起飞质量479.8t,芯级直径3.35m,助推器直径2.25m,整流罩最大直径3.8m。火箭的芯级和助推器发动机均使用四氧化二氮和偏二甲肼作为推进剂。它可把8t重的有效载荷送入近地点高度200km、远地点高度350km、倾角42.4°~42.7°的轨道。它在长征-2E基础上增加了2个新系统,即逃逸系统和故障检测处理系统,以保证载人航天的安全性。芯级第一级发动机代号为DaFY,由4台单机DaFY通过机架并联组成。芯级第二级发动机代号为DaFY,由主机DaFY及游动发动机DaFY通过机架并联组成主机采用大喷管,游机采用短喷管(再生冷却方式)。助推器发动机的代号为DaFY。其中DaFY是新研制的,而DaFY有DaFY由YF20B发展而来曾经作为长征2E,长征3B的助推火箭使用。逃逸系统与联盟火箭十分相似,由逃逸塔、上部整流罩、栅格翼及其释放装置、上支撑机构、下支撑机构和灭火装置组成。逃逸系统的动力装置由逃逸主发动机、分离发动机、偏航俯仰发动机、高空逃逸发动机和高空分离发动机组成,其中逃逸主发动机、分离发动机、偏航俯仰发动机和配重段、尾裙仪器组成逃逸塔。在逃逸系统的工作范围(起飞至整流罩分离)内,逃逸模式分为两种,即有塔逃逸模式(模式Ⅰ)和无塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式Ⅰ适用于火箭飞行0~120s,模式Ⅱ适用于火箭飞行120~200.87s。在模式Ⅰ中,60s之前火箭发动机不关机,60s之后火箭发动机关机。火箭制导系统采用平台(捷联)-计算机方案。为了提高可靠性,采用以平台为主、故障时切换到捷联惯组的工作方式。计算机上实现了部件冗余,增加了冗余管理,采用CPU、A/D和D/A三冗余。姿态控制系统采用姿态角-姿态角速率-数字络-摇摆发动机方案。为了提高可靠性采取了以下冗余措施:相敏检波滤波装置、箭载计算机A/D变换采用三冗余,按2/1表决方式进行工作;箭载计算机D/A、综合放大器与伺服机构伺服阀前置级、反馈电位计均采用三冗余。故障检测处理系统有两个主要任务,一是检测火箭的重要参数,判断火箭故障,出现故障时向有关系统发出逃逸指令和中止飞行指令;二是逃逸时完成逃逸飞行器的时序控制和火工品配电。其箭上设备包括故障检测处理器、指令控制器、逃逸程序控制器、火工品配电器和电池。故障检测参数分别由遥测系统和控制系统提供,它包括姿态角偏差、箭体角速率、轴向过载、逃逸塔分离信号、助推器分离信号、整流罩横纵向分离信号和平台切换信号等。

由此可见,神舟--长征2F系统与美俄首次载人发射的仓促和简陋不同,神舟飞船基本代表了上个世纪90年代的世界先进水平,他参考了目前世界上最成熟的飞船技术,是一种技术先进、设备完善的、功能强大的载人飞行器。而长征2F运载火箭是在现有的、执行过多次发射任务、且有着良好的安全纪录的长征2E火箭上发展而来,技术成熟可靠。再加上有前4次成功的无人飞行试验所积累的经验,我们完全有理由相信,神舟5号将能够以完美的表现,帮助国人实现飞天的梦想。(沈凌/文)

信息来源:新浪科技

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