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飞船为什么不做成“船”的模样？
时间:2017-12-6 　　　　点击率:232

飞船为什么不做成“船”的模样？

毛天祥

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！它们都是“飞行器”，但飞船是在地球大气层以外的太空里运行的飞行器，而飞机是只能在地球大气层里面运行的飞行器。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，我们在最后来回答这个问题吧。

简单地说，飞船是一种能够将航天员送到太空轨道上，并保证航天员可以在太空短期生活同时进行一定的工作。它的运行时间一般是几天到半个月，一般乘2到3名航天员。当然，现在还有一种货运飞船，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往返使用的飞船了，如美国研制的“龙”飞船。

图1 中国“天舟一号”货运飞船（左）和美国“龙”飞船（右）

咱们先来看看，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”（其中“进步号”是货运飞船），美国有“水星号”、 “双子星座号”和“阿波罗号”，而咱们中国则有“神舟号”（载人飞船）和新研制的“天舟号”（为货运飞船）。下面我们捡几个典型的型号介绍一下。

“东方号”飞船是前苏联研制的，由球形的乘员舱、顶锥圆筒形的设备舱和末级运载火箭组成，乘员舱（或称“座舱”）中只能搭载一人。1961年4月12日，它在世界上首次实现了载人航天飞行。航天员加加林乘坐“东方1号”绕地飞行108分钟，并安全返回地面，成为世界上进入太空飞行的第一人。继加加林之后，“东方号”又进行了5次载人轨道飞行，为苏联争取了太空竞赛中一个又一个第一，例如：比耶科夫斯基驾驶“东方5号”飞船创造了留空119小时的纪录；世界第一个女航天员瓦伦蒂娜·捷列什科娃乘坐“东方6号”升空。1963年6月19日，“东方5号”和“东方6号”完成各自的任务之后还进行了编队飞行，再返回了地面，从而结束了“东方号”使命。由于是第一艘载人飞船，“东方号”飞船不仅只能容纳一名航天员，而且它的回地方式相当惊险：在返回前抛掉末级火箭和仪器舱，座舱单独再入大气层；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；在达到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。

图2 “东方号”飞船（左）和航天员加加林（右）

“联盟号”飞船是前苏联和俄罗斯研制的第三代载人飞船。它的首次发射是在1967年4月3日，但在着陆期间不幸发生了降落伞打不开导致航天员丧命的事故。“联盟号”是一种多座位飞船，由钟形的返回舱、圆柱形的轨道舱和推进舱等三个部分组成。航天员一般是在轨道舱中工作和生活，但是在升空和返回两个时段要进入返回舱。在返回大气层之前，轨道舱和设备舱都会被抛掉，仅由返回舱装载着宇航员返回地面。“联盟号”飞船是目前世界上最成熟的一种载人航天器，由于首先实现了与空间站“礼炮1号”对接的载人飞行，从而把载人航天活动推向了一个更高的阶段。目前，它已经安全飞行了40多年，至今仍在使用着。2010年航天飞机退役后，美国一直租用着“联盟号”，利用它为“国际空间站”运送人员和货物。当然，在研发过程中，除了“联盟1号”，还有1971年6月6日发射的“联盟11号”也在返回时出现了航天员丧生的事故，而且这次是三名航天员！所以，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。

图3 “联盟号”飞船（左）和三名航天员准备着陆情景（右）

“阿波罗号”飞船是美国实施历时11年的“阿波罗计划”期间使用的载人飞船，这个计划的目的是把人送上月球。“阿波罗号”飞船由指挥舱、服务舱和登月舱等三个舱段组成。其中，指挥舱为圆锥形，分前舱、宇航员舱和后舱等3部分，是航天员在飞行中生活和工作的地方，也是全飞船的控制中心；服务舱为圆筒形，放置用于分离、变轨和姿态控制的发动机；登月舱则由下降级和上升级组成，分别用于航天员出舱登月和离月返回。对于登月，美国选用月球轨道交会方案，就是把一艘载有3名航天员的飞船发射到月球轨道上，其中2名航天员乘登月舱在月面上降落，进行月面探险。另一名航天员仍留在指挥舱中绕月球轨道飞行，并进行科学实验。返回时，在月面上的2名航天员启动登月舱的上升级发动机，飞上月球轨道，与指挥舱交会对接。2名航天员进入指挥舱后，抛弃登月舱的上升级，脱离月球轨道返回地球。在再入大气层前，抛弃服务舱，仅指挥舱在太平洋上溅落。在“阿波罗号”系列中，最有名的是“阿波罗11号”，因为它在1969年7月20日把美国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！为此，“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。

图4 “阿波罗号”飞船（左）和第一次登月成功的情景（右）

“神舟号”飞船是我国为载人航天计划而研制的飞船系列，从1999年11月20日发射“神舟一号”开始，到现在已经发射了11艘。神舟飞船一般由推进舱（圆柱形）、返回舱（钟形）、轨道舱（圆柱形）三部分组成，但根据任务的需要（如交会对接）也会增加一个附加段，构成“三舱一段”结构。神舟飞船的返回舱返回后，轨道舱将继续留在轨道上工作半年左右，相当于一颗对地观察卫星或太空实验室。轨道舱留轨利用是中国飞船的一大特色，俄罗斯和美国的飞船在轨道舱和返回舱分离后，一般都是废弃不用的。神舟飞船先后将11名航天员送入太空（其中有2人进入太空2次）。其中，“神舟五号”为我国的第一艘载人航天飞行器，在2003年10月15日将航天员杨利伟送入了太空；2008年09月25日发射的“神舟七号”主要是实施航天员空间出舱活动的；而2016年10月17日发射的“神舟十一号”完成了与“天宫二号”的交会对接并进行了航天员在太空中期驻留试验（30天）。所以，神舟系列飞船的成功发射标志着中国成为继俄罗斯以及美国之后，第三个有能力独自将人送上太空的国家。

图5 “神舟五号”飞船（左）和杨利伟飞向太空（右）

总之，飞船的结构大体有三种型式：（1）单舱型，它只有宇航员的座舱，美国第1个宇航员格伦就是乘坐单舱型飞船“水星号”上天的；（2）双舱型，它是由座舱和服务舱组成，后者设置有提供动力、电源、氧气和水的设备，改善了宇航员的工作和生活环境。前苏联的“东方号”以及美国的“双子星座号”飞船都是双舱型飞船；（3）三舱型，它在双舱型基础上再增加1个轨道舱，用于增加活动空间、进行科学实验等。航天员仅在升空和返回时位于座舱内，因此它常称作为返回舱。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，但它将座舱与轨道舱合并称作指挥舱（其中又细分为三个小舱），再增加1个登月舱，用于在月面着陆或离开月面。中国的“神舟号”多数则采用“三舱一段”结构，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，不过目前的主流型式是三舱型。

图6 单舱型“水星号”飞船（左）和双舱型“双子星座”飞船（右）

图7 三舱型“神舟号”飞船

由于飞船主要的任务是进行载人飞行，所以要比人造卫星等无人航天器复杂得多，需要增加许多特设系统，来满足航天员在太空工作和生活的多种需要。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，安全返回技术也至关重要。尽管返回式卫星也要求安全着陆，但是飞船不仅要保证飞船在再入大气层期间不被烧坏，还要使飞船在返回过程中的制动过载限制在人的耐受范围内，并且要使飞船有相当高的落点精度（最好在百米级的范围）。所以，从前苏联第一艘载人飞船“东方号”上天以来，过去了五十多年的时间，但各国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。

下面，让我们来回答大家的问题吧。

第一个问题是：飞船为什么不做成“船”的模样？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，除非是潜艇全部没入水中。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以减小阻力。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了，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。当然，在所有的几何体中，当表面积相同时，拥有最大内部空间的是球体。所以最开始的飞船是球形的。但随着航天技术的提高，设计上更多考虑了航天员的舒适性，所以飞船主体演化为圆柱体，当然这也和火箭的形体有关。这就是飞船没有船舰模样的原因。

图8 航天飞机示意图

图9 航天飞机在飞行轨道上工作的情景

第二个问题是：航天飞机和飞船有什么区别？先来看看航天飞机是什么样子吧：

航天飞机是一种有人驾驶的、主要部分可以重复使用的航天器，由轨道飞行器、固体火箭助推器和外挂燃料箱组成。它可以像火箭那样垂直起飞，像载人飞船那样在轨道上运动，像飞机那样滑翔、在地面上水平着陆。或者说，它具有航天器和飞机的双重特性。航天飞机每飞行一次就要扔掉一个外挂燃料箱，而固体火箭助推器和轨道器仍能重复使用。其中，轨道器可以重复使用100次，助推器可以重复使用20次。这是航天飞机与现有的一次性使用飞船的第一个区别。更重要的区别则在于有着三角翼飞机模样的轨道飞行器。它的体积和运载能力比飞船大得多，最多可以同时乘坐14名航天员，一般也可以乘坐7名；如果是运货，最多可以一次性运送20吨的物资。这些都是飞船无法比拟的。轨道飞行器可以完成一般飞船所没有的功能，如：向近地轨道施放卫星，向高轨道发射卫星，从轨道上捕捉、维修和回收卫星等等。为了减少空气阻力并在降落时充分利用空气动力完成滑翔与水平着陆，航天飞机有着非常漂亮的气动外形。但是它非常昂贵，不仅造价高达飞船的数十倍，而且发射成本也高达飞船的十倍左右。到目前为止，世界上真正投入使用的航天飞机只有美国的一种，他们研制过5种型号：“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号”、“亚特兰蒂斯号”和“奋进号”。但美国航天飞机计划也有过惨痛的教训：1986年1月28日，发生了震惊世界的“挑战者号”爆炸事件，7名航天精英在人们的注视之中踏上了不归之路。随后航天飞机停飞了32个月，一些系统进行了重新设计和改进。2003年2月1日，“哥伦比亚号”在返回地面过程中发生空中解体，成为继“挑战者号”之后的第二艘失事的航天飞机。2011年7月21日，“亚特兰蒂斯号”在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，结束了它的“谢幕之旅”，从而宣告了美国30年航天飞机时代的终结。

图10 “挑战者号”航天飞机在发射（左）和爆炸失事的情景（右）

从飞船以及航天飞机的研发过程中，我们可以体会到：成功总是伴随着失败，成就总是来自于探索，航天是一项充满着挑战的事业。但是，科学家和工程师们总是勇敢地迎接新一轮挑战，不断地向着更高的目标迈进。