打开主菜单
双子座飞船在太空中的对接状态
阿波罗17号指令舱于1972年12月9日溅落在太平洋
计划中的猎户座太空舱,溅落后

太空舱是一种形状简单的航天器(往往是载人的),没有机翼即可再入地球大气层。太空舱与卫星的主要区别是,能够受控再入,并携带有效载荷从轨道返回地面。尽管已经有载人航天飞机被发射至太空轨道,但大多数载人航天器设计仍然使用太空舱。

载人太空舱的例子包括目前的联盟号神舟猎户座CST-100英语Boeing CST-100 Starliner飞龙2,未来的奥勒尔英语Orel (spacecraft),以及历史上的东方号宇宙飞船水星号上升号英语Voskhod (spacecraft)双子座阿波罗指令舱。载人太空舱必须能够在太空的真空条件下维持生命,往往还要求热环境和辐射环境。为此,太空舱需要许多系统,包括反推力系统、环境/生命支持系统、隔热材料、可以约束失重宇航员的座椅、通信天线、对接硬件、发射逃逸系统等。[來源請求]

形状与再入编辑

 
阿波罗指令舱钝端的隔热大底以非零攻角飞行,以建立提升通道并控制着陆点(艺术再现)

由于发射载具的空气动力学要求,太空舱的直径通常小于5米(16英尺)。太空舱在设计上,既要有效利用容积,又要在结构上坚固,因此通常可以造出的小型太空舱,其性能除了升阻比外,与举升体太空飞机的设计相当,但成本更低。联盟号宇宙飞船就是一个例子。

大多数太空舱使用烧蚀隔热罩来再入,这种是不可重复使用的。早期航天器的玻璃涂层上嵌有合成树脂,可置于很高的温度下。目前在空间探索中进行比较的几种材料是碳纤维、强化塑料和高温陶瓷砖或超高温陶瓷片。[來源請求]

再入编辑

太空舱非常适合高能再入。太空舱再入时底部朝下,乘员采取躺卧姿势,因为这是在太空舱冲击大气时人体承受其产生的超重的最佳姿势。太空舱的圆形(钝体)会形成冲击波,使大部分热量远离隔热底,但是仍然需要热保护系统。太空舱必须足够坚固,以承受再入力,比如阻力,并且必须以精确的攻角再入,以防止因破坏性的高加速度而逃离大气层表面。

当太空舱穿过大气层时,它会压缩其前面的空气,并将空气加热到很高的温度。太空舱在穿过地球大气层下落时,其表面温度可达1480℃(2700F)。为防止这些热量到达内部结构,太空舱通常配备有烧蚀的隔热大底,大底会熔化进而蒸发,从而带走热量。

阿波罗指令舱在再入时,其质心是偏离其中心线的;这导致该舱在大气中呈倾斜角度,提供了可用于方向控制的升力。反推力系统推进器通过改变升力矢量来操纵太空舱。

降落的最后阶段会使用降落伞,有时如果太空舱被设计为在陆地着陆,还会通过制动火箭来进一步减速。在陆地着陆的太空舱包括苏联/俄罗斯的联盟号和中国的神舟。其它太空舱,如水星号、双子座、阿波罗和飞龙号等则是在海上溅落。[來源請求]

历史编辑

东方号与上升号编辑

东方号编辑

 
东方号太空舱

苏联在1955年国际地球物理年会议上宣布将发射无人卫星,开启了其太空飞行计划。他们直到成功之后,才宣布已经完成了太空飞行。1957年11月3日,一只名为莱卡(Laika)的狗乘坐斯普特尼克2号被送入轨道,随后东方计划成功地将尤里·加加林送入太空中一个单一轨道,并于1961年4月12日使其安全返回。

东方号飞船由R-7弹道导弹衍生的高性能运载火箭发射的,它比同等的水星号飞船重了很多。直到加加林进入太空四年之后,东方号的设计细节才被公开披露;而火箭和飞船的首席设计师谢尔盖·科罗廖夫的身份则一直保密到1966年他去世之后。该太空舱为球形,完全覆盖着烧蚀隔热材料,直径2.3米(7.5英尺),重2,460公斤(5,420英磅)。飞船被罩在鼻锥里,以降低发射时的阻力;圆柱状的内舱直径约1米(3.3英尺),几乎与飞船的纵轴相垂直。宇航员坐在带有单独降落伞的弹射座椅上,以在发射时的紧急状况下逃生,及在正常飞行情况下着陆。太空舱有自己的降落伞,以便降落。尽管官方消息称加加林是在太空舱内一起着陆的,这也是根据国际航空联合会(IAF)的规则对首次载人航天飞行资格的要求,但后来被发现,所有东方号的宇航员都是从太空舱中弹射出来分别着陆的。该舱还有一个朝后的2.25米(7.4英尺)锥形设备舱,长2.43米(8.0英尺),重2,270公斤(5,000英磅),搭载了氮氧呼吸气体、电池、燃料、姿态控制英语Attitude control推进器和制动火箭英语Retrorocket。它可以支持长达十天的飞行。[1]东方号成功进行了六次发射,最后两次是结伴飞行的。最长的飞行时间仅有五天,是东方五号在1963年6月14日至19日的飞行。[來源請求]

上升号编辑

 
上升号太空舱,飞行状态,两种变体

1964年10月12日,苏联宣布由上升1号进行三人飞行,当时的苏联媒体吹嘘,它具备宇航员的常服环境英语Shirt-sleeve environment。然后,1965年3月18日宣布了上升2号的双人飞行,宇航员阿列克谢·列昂诺夫进行了世界上第一次太空行走。但是,上升号没有再进行更多的飞行。

上升号英语Voskhod (spacecraft)的设计细节后来被透露,它只是对单人上升号的修改,用三人矩形舱代替了圆柱舱,并增大了制动火箭。上升1号的乘员不能穿宇航服,因为飞船已经达到了运载火箭载荷能力的极限。整个上升号飞船重达5,682公斤(12,527英磅)。在上升2号上,一个宇航员座椅被替换为一个笨重的、可充气的减压舱英语Airlock(它在列昂诺夫回到太空舱时带来了很多麻烦),这是因为太空舱中的航空电子设备在真空中会产生过热而失效。该计划在两次飞行之后没再继续。[來源請求]

水星计划与双子座计划编辑

水星计划编辑

 
水星太空舱内部结构

1958年,美国宣布了水星计划“水星计划”,这是一系列近地轨道飞行任务。水星计划7人被选中试飞,由马克西姆·费吉特英语Maxime Faget领导的团队设计了一个单人太空舱。[2]麦克唐纳飞行器公司赢得了建造水星太空舱的合同。锥形舱的直径为6英尺(1.8米),呈钝体,底部有隔热罩。舱的总长度为10.8英尺(3.3米),其中包括一个装在隔热罩上的制动火箭包。最重的太空舱总质量为3,000英磅(1,400公斤),只能在轨飞行一天多。发射时,一个24.1英尺(7.3米)长的逃逸塔被连接到太空舱的头部,其中装有一枚固体燃料火箭,能够在紧急情况下将太空舱带离发射载具。用于亚轨道飞行的太空舱使用了由制成的辐射隔热罩,并由水星-红石运载火箭英语Mercury-Redstone Launch Vehicle发射升空。而轨道舱则使用了由嵌入铝蜂窝结构中的玻璃钢制成的烧蚀隔热罩,并由宇宙神LV-3B英语Atlas LV-3B发射升空。

在苏联的首次载人轨道太空飞行近一个月后,美国将它的第一位水星宇航员艾伦·谢泼德送入亚轨道飞行。在苏联人于8月6日发射了第二艘东方号,并进行了为期一天的太空飞行之后,美国终于在1962年2月20日将第一名美国人约翰·格伦送入太空轨道。美国总共发射了两艘载人亚轨道水星太空舱和四个载人轨道太空舱,飞行时间最长的是水星-宇宙神9号英语Mercury-Atlas 9,共绕轨道飞行22圈,持续了32个半小时。

双子座计划编辑

 
双子座太空舱及其设备舱的内部结构

水星-宇宙神9号英语Mercury-Atlas 9送上天的水星太空舱达到了其最长飞行时间24小时,之后,美国宇航局决定不再继续水星飞行任务,而是升级飞船来延长其飞行时间。麦克唐纳飞行器公司开始了一项基于水星升级的设计计划,但采用了更加模块化的设计,将支持系统移到了太空舱以外。更大的尺寸也能够搭载两名宇航员。麦克唐纳称他们的新设计为“水星马克II”(Mercury Mark II)。

同时,美国宇航局已经启动了三人的阿波罗计划,以将人送上月球,并决定用一艘双人的、扩展的宇宙飞船来帮助开发阿波罗所需的太空飞行能力。他们选择麦克唐纳作为承包商来开发后来的双子座计划,而没有经过竞争性招标,因为麦克唐纳在水星计划中表现出色。双子座的太空舱是水星的放大版,其隔热罩的直径有7.5英尺(2.3米)。推进器、电源、姿态控制和制动火箭都被放在了一个外部设备舱中,这样太空舱就能匹配直径10英尺(3.0米)的泰坦II双子座运载火箭英语Titan II GLV。添加的推进器可以进行平移控制和姿态控制,从而使飞船可以更改其轨道倾角和高度。电池已被替换为氢氧燃料电池,以延长供电时间,从而使飞船可在轨道上停留长达两周。太空舱有两道舱门,可以在飞行中打开和关闭,从而可以进行舱外活动(EVA)。舱内的航空电子设备不需要环境空气冷却,因此可以在舱外活动期间给舱内减压。发射逃逸系统使用了宇航员弹射座椅来代替外部逃逸火箭塔。整个飞船重7,100至8,350英磅(3,220至3,790公斤)。1965年3月23日,美国第一次双子座载人飞行任务的双子座3号发射升空。1965年6月3日,美国实施了第一次太空行走,宇航员是爱德华·怀特,飞船是双子座4号。在1965和1966年的10次双子座载人飞行过程中,美国在太空飞行能力上超过了苏联,取得了领先,实现了长达两周的飞行、空间交会及对接,并且可以克服太空行走的严苛条件在飞船外执行有用的工作。[來源請求]

中国早期对载人飞船的努力编辑

中华人民共和国曾计划加入太空竞赛,于1967年发射名为曙光一号的载人飞船,但当时并没有将计划公开。由于资金和政治问题,这些计划在1972年被取消。[來源請求]

阿波罗指令舱编辑

 
阿波罗太空舱(指令舱)内部结构

阿波罗飞船的概念源于1960年,是水星计划后续的三人飞船。1960和1961年,美国航天局向几家公司征求了阿波罗飞船可行性研究英语Apollo spacecraft feasibility study,而空间任务组英语Space Task Group已经开始了设计工作,使用一个圆锥/钝体太空舱(指令舱),以及一个能提供电力和推进力的圆柱形服务舱作支持。在没有竞争的情况下,NASA的设计被采纳,而建造阿波罗的合同则交给了北美航空

阿波罗的指令/服务仓(Command/Service Module,简称CSM)最初的设计是将三个人放在一个大的有腿的着陆平台上,直接带到月球表面。指令舱的尺寸为直径12英尺10英寸(3.91米),长11英尺1.5英寸(3.391米)。但是,后来决定使用月球轨道交会的方法。由于太空舱已经开始了重要开发工作,因此决定继续使用现有的设计作为Block I,同时开发一个能够与阿波罗登月舱(Lunar Excursion Module,简称LEM)交会的Block II版本。除了增加对接通道和探针外,Block II还能根据从Block I的设计中学到的经验对设备进行改进。在阿波罗1号火灾之前,Block I原本打算用于无人试验飞行和少量载人的地球轨道飞行。

Block II的CSM加满燃料后重63,500英磅(28,800公斤),执行了四次载人地球和月球轨道试验飞行,以及七次载人月球着陆任务。飞船的一个修改版本还曾将三名乘员运送到天空实验室空间站,还送过一名阿波罗-联盟测试计划的乘员。阿波罗飞船在1974年之后退役。[來源請求]

已退役的机器人太空舱编辑

仍然在用的太空舱编辑

联盟号编辑

 
联盟号太空舱(下降模块)

三人的联盟号宇宙飞船是在1963年首次提出的,当时的目的是用于月球探测任务的地球轨道组装。其任务后来扩展到包括飞往空间站。联盟号包括一个小型、轻量的钟形再入舱,以及一个包含大量生活空间的在轨载人舱,和一个带有太阳能电池板和推进系统的服务舱。联盟7K-OK英语Soyuz 7K-OK是为地球轨道设计的,其再入舱重2,810公斤(6,190英磅),直径2.17米(7.1英尺),长2.24米(7.3英尺),内部容积4.00立方米(141立方英尺)。其球形的轨道舱重1,100公斤(2,400英磅),直径2.25米(7.4英尺),含对接探针长3.45米(11.3英尺),内部容积5.00立方米(177立方英尺)。飞船总质量为6,560公斤(14,460英磅)。在科罗廖夫去世之后,1967至1971年,有10艘飞船进行了载人飞行。第一艘(联盟1号)和最后一艘(联盟11号)发生了最早的太空死亡。科罗廖夫开发了一种9,850公斤(21,720英磅)的7K-LOK英语Soyuz 7K-LOK变体,用于登月任务,但从未载人飞行过。[來源請求]

联盟号的升级版今天仍然在将人送往国际空间站

不可再入的加压货运舱编辑

神舟编辑

 
神州5号太空舱再入模块

中国在1990年代开发了“神舟”飞船,其设计理念和联盟号一样,包括轨道、再入及服务舱。它于1999年进行了第一次无人试验飞行,并在2003年10月进行了首次载人飞行,将杨利伟送入地球轨道并绕地球14圈。

不载人太空舱编辑

开发中的载人太空舱设计编辑

 
联盟TMA再入太空舱着陆之后,2005年

俄罗斯编辑

美国编辑

印度编辑

参见编辑

参考文献编辑

  1. ^ Vostok [东方号]. [2019-11-24] (英语). 
  2. ^ 美國專利 3,093,346 -- Space capsule[太空舱] — 马克西姆·费吉特英语Maxime Faget等(NASA

外部链接编辑