【科普花园】《新世纪飞天梦》连载(6)升空飞天是人类不断的追求(之五)

作者: 2021-06-17 17:21 来源:
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编者按:《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂,以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实,展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程,说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能,还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意,他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的,有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗?”等框图形式在文中给出。

升空飞天是人类不断的追求(之五) 

王柏懿 

2.5 没有船舰模样的飞船

   现在大概连小学生都知道“飞船”这个词儿了:那不就是能飞出地球、飞向太空的一艘艘“船”嘛!是的,科学家给它们的正式名字是“航天器”。以此类推,我们可能也就会知道“航空器”是指飞机啦!不错,它们都是“飞行器”,但飞船是在地球大气层以外的太空里运动的飞行器,而飞机是只能在地球大气层里运动的飞行器。当然,可能有的小朋友会问了:那航天飞机是什么?哈哈,真让你问着啦,我们以后再来回答这个问题吧。 

  简单地说,飞船是一种能够将航天员送到太空轨道上,保证航天员可以在太空短期生活同时进行一定的工作,并可以使航天员安全返回地面的航天器。我们说,飞机的发明,使人类可以飞离地面,在大气中翱翔;而飞船的问世,使人类可以飞离地球,在太空中遨游。飞天梦就是这样一步一步实现的!飞船在轨道上飞行的时间一般是几天到半个月,一般乘2-3名航天员。当然,还有一种货运飞船,它不载人只运货,例如咱们国家刚刚发射升空的“天舟一号”。 

  一般来说,飞船是一种一次性使用的航天器,不过随着科学的发展,现在也开始有可以多次重复使用的飞船了,如美国正在研制的“龙”飞船。那么,爱思考的小朋友又要问问题了:人造卫星和飞船有什么不同呢?它们不都是用火箭发射到太空并且在轨道上飞行的吗?的确,卫星也是一种航天器,有科学卫星、应用卫星和技术实验卫星等,但它们是不载人的,多数也不再返回地球。如果特别需要把科学数据、实验结果送回科学家的手中,那就得使用返回式卫星。 

    

 

  相比而言,货运飞船和返回式卫星都比载人飞船的结构要简单一些。对于载人飞船而言,首先它的密封性要特别好,因为如果在空中飞行时发生空气的泄漏,人就没法活下来啦!这方面曾经有过一次惨痛的教训。1971年6月6日,前苏联“联盟11号”飞船载着3名航天员向“礼炮1号”空间站飞去,交会对接成功后,航天员打开舱门进入了空间站,开始了一系列的科学实验,取得了大量的数据。23天以后,他们按照程序安排,离开“礼炮1号”返回。一切似乎都很正常——飞船安全着陆了。但是,当地面人员打开舱门时,却发现3名航天员竟然全都丧生了!经过分析,才知道原因在于:在再入大气层之前,返回舱和轨道舱分离时,返回舱的压力阀门被震开,密封性被破坏,返回舱内的空气泄漏了,舱内压力迅速减小,致使航天员因急性缺氧、体液沸腾而死亡。所以,确保舱体的密封,是载人飞船最关注的问题之一。 

  此外,为了满足航天员在太空工作和生活的多种需要,还必须增加许多特别的设备,例如:用于空气更新、废水处理和再生、通风、温度和湿度控制等的环境控制和生命保障系统、报话通信系统、仪表和照明系统、航天服和逃逸系统等。而且,由于载人飞船里有航天员,安全返回技术至关重要,其中的要求要比返回式卫星、货运飞船等高得多:载人飞船不仅要保证飞船在再入大气层期间耐受数千度的高温而不被烧坏,还要使飞船在回地过程中的再入过载尽可能地小,不能超出人的耐受范围,并且要使飞船有相当高的落点精度。你也别小看这落点的事儿啊,前苏联的载人飞船就曾因精度差,结果使宇航员困在了冰天雪地的森林中差点被冻死。飞船着陆后,必须要及时发现和营救宇航员,不然整个载人飞行活动就功亏一篑了。现在,科学家正在努力争取落点精度在百米级的范围内。 

  现在咱们该来看一看,世界各国都发射过哪些飞船?其实,到现在为止,只有三家有能力自主独立地研制与发射飞船,那就是俄罗斯(继承了前苏联的成果)、美国和中国。前苏联有“东方号”、“进步号”、“上升号”和“联盟号”,美国有“水星号”、双子星座号”和“阿波罗号”,而咱们中国有“神舟号”和“天舟号”。其中,“进步号”和“天舟号”是货运飞船。1961412日,“东方1号”把航天员加加林送上了一条近地点181千米、远地点327千米、倾角65度的椭圆轨道,绕地飞行108分钟后安全返回地面,在世界上首次实现了载人航天飞行!1969720日,“阿波罗11号”把航天员阿姆斯特朗与奥尔德林送上了月亮表面,人类踏上月球的夙愿终于成为现实!20031015日,“神舟五号”将航天员杨利伟送入了太空,宣告了中国也进入载人航天的时代!在上面提到的这些载人飞船中,除了执行登月任务的“阿波罗号”以外,大部分都是在近地轨道上飞行的。不难理解,飞船的飞行轨道越高,所要求的火箭推力就越大。咱们中国打算在2030年把人送上月球,这就得先把重型火箭造出来,现在“长征9号”正在研究中,它将在2028年首飞。 

  从结构来看,载人飞船大体有三种型式。最简单的只有航天员的座舱,例如美国的“水星号”,这就是“单舱型”飞船。你可以看到,它只能乘坐1名航天员,座舱里还装满了提供动力、电源、氧气和水的设备,好挤啊!“双舱型”飞船把这些设备从座舱里搬出来集中放在一个服务舱里,就可以改善航天员的工作和生活环境了。前苏联的“东方号”以及美国的“双子星座号”都是双舱型飞船。这样,咱们马上可以联想到“三舱型”飞船就是再增加一个舱——轨道舱。对啦,它专门为航天员在近地轨道上工作时使用。在发射升空和返回地球期间,航天员是坐在座舱内的,因此座舱也常常称作为返回舱。前苏联/俄罗斯的“联盟号”是典型的三舱型。美国的“阿波罗号”虽然也是三舱结构,但它把座舱与轨道舱合并称作指挥舱,再增加一个登月舱,用于在月面着陆或离开月面。中国的“神舟号”多数采用“三舱一段”结构,其中的附加段是为了进行交会对接而增加的。所以,各国飞船的结构会依据任务的不同而做一定的变化,不过目前主流的结构型式是三舱型。 

  现在我们知道了,飞船根本没有船舰的模样,为什么?啊,对了,你说是因为飞船是“飞”而不是“游”?有点道理,一般的船舰是在水中运动而且上半部分露在空气里,只有潜艇全部没入水中。这样,它们在运动时就会受到水和空气的阻力。特别是水的密度较大,对船舰的阻力较大,就需要将船体形状设计成流线型来减小阻力。飞机的情况也类似,必须是流线型的外形。而我们的飞船是在太空中运动,那里的大气十分稀薄,大体上是一种“真空”状态(当然,这还取决于飞船运行的高度:轨道越低,大气密度越高)。所以,对于飞船形状的设计,科学家就不再考虑阻力的因素了。 

  此外,飞船在地球外的轨道上运行,地球对它的引力(或者说“重力”)比在地面上的船舰或半空中的飞机都要小得多。而且,飞船依靠火箭升空进入轨道后具有了所需的飞行速度,轨道运动的离心力和地球的引力相平衡,就不需要像飞机那样依靠升力来克服重力了。 

  这样,飞船外形的设计就取决于它的功能要求了,飞船的主要功能是:隔绝船内与船外太空,保持船内环境适于航天员工作与生活。对于前一个要求,希望密封性能要好,便于加工制造;对于后一个要求,希望内部空间尽可能大;再加上飞船是靠着火箭送上天的,升空时是安放在圆柱形火箭顶部的整流罩里面,所以飞船大多是球、柱等对称体。而且,在有限空间里,在相同重量条件下,这类几何体拥有最大的内部空间。我们还可以看到飞船进入轨道后,两侧常常会张开大大的“帆板”,它也和船只上的“风帆”不同,是太阳能电池阵,可以把太阳能转变成电能,供飞船工作所需。 

  航天事业是一个充满着艰辛和风险的事业,需要人们有大无畏的献身精神。例如,加加林乘坐的东方号”飞船的回地方式就相当惊险:当座舱下降到离地面约 7千米高度时,航天员连同座椅一起弹出座舱外,然后张开降落伞下降;在达4千米高度时,航天员与座椅分离,只身乘降落伞着陆。就这样,加加林用无比的勇气打开了人类通往太空的道路。而且,航天员牺牲的事情也有发生。1967424日,“联盟1号”飞船就因为在返回舱降落至离地面10千米高度时,该打开的主降落伞没有打开,返回舱带着一团火光,以每秒100多米的速度冲向地面,致使船毁人亡。美国的“阿波罗号”也曾发生过两次事故,牺牲了三名航天员。是啊,科学探险总是要付出代价的。 

  然而,飞天梦一直激励着人们奋勇向前。从1961年前苏联的第一艘载人飞船“东方号”把加加林送上太空以来,五十多年的时间过去了,各国科学家一直在努力发展更好的载人航天器,为人类的航天活动提供更好的利器。 

(未完待续)

 

 

 

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