一、綜述

從1961年初人類首次乘載人航天器進入太空，載人航天已有五十多年的歷史。在整個載人航天歷程中，人類所依靠的運輸工具也就兩種：一種是載人飛船，另一種就是航天飛機。載人飛船與航天飛機的成功研制使得人類得以在太空從事各種探側(cè)、試驗、研究、軍事和生產(chǎn)的往返飛行活動，把人類的活動范圍從陸地、海洋和大氣層擴展到太空，更廣泛和深人地認識地球及其周圍的環(huán)境，更好地認知整個宇宙。

載人飛船是能保障宇航員在外層空間生活和工作，以執(zhí)行航天任務并返回地面的航天器。 它是運行時間有限，僅能一次使用的返回型載人航天器。飛船可以獨立進行航天活動，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接后進行聯(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，不具備再補給的能力，而且不能重復使用。

航天飛機是可以短期在太空飛行的載人航天器。它以火箭發(fā)動機為動力發(fā)射到太空，能在軌道上運行，且可以往返于地球表面和近地軌道之間，是可部分重復使用的航天器和航天運輸工具。載人飛船降落時是需要降落傘的，而航天飛機則可以通過滑翔與普通飛機類似在跑道上降落。迄今為止只有美國研制并使用了航天飛機。前蘇聯(lián)曾在 1988 年試飛過無人駕駛的暴風雪號航天飛機，但并沒有投入使用。美國制造出的實用型航天飛機有5架，按首次進入太空時間為序分別為哥倫比亞號、挑戰(zhàn)者號、發(fā)現(xiàn)號、亞特蘭蒂斯號和奮進號。

二、載人飛船

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?shù)臏囟取＿€要為航天員準備足夠的水和食物。此外,飛船上還需要安裝類似飛機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)絡的報話通信設備等等。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。當時蘇聯(lián)為“禮炮號”空間站接送航天員以及運送物資都用的是載人飛船。

蘇聯(lián)聯(lián)盟號

2、載人飛船的設計

載人飛船一般采用分艙設計的原則，整個飛船分為座艙與服務艙兩大部分。座艙中安置那些最必需的設備，例如座椅、儀表、照明燈、食物和通信設備等。其余的如返回發(fā)動機、燃料電池和氣瓶等均放在服務艙內(nèi)。在飛船完成軌道飛行任務后，就點燃返回發(fā)動機，最后拋棄服務艙，航天員乘座艙返回地面。因此，座艙是整個飛船的核心部分。

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”飛船，它的返回座艙是球形；美國的“水星號”飛船座艙形狀為鐘形；以及我國的神舟號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。當飛船再入大氣層時，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到18g，地表上恐怕找不到任何一個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。

東方號返回艙

水星號返回艙

神舟九號返回艙

在座艙結(jié)構(gòu)設計中，首先要考慮到航天員進出方便，還要有逃逸口。飛船在上升或返回過程中，如發(fā)生故障，需要應急彈射時，座艙門應該能夠迅速打開，在軌道上或降落在海面上時，則要求座艙門嚴格密封。航天員除了可以由座艙門進出以外，有的飛船還有應急逃逸口，必要時航天員可由此爬出座艙。

飛船的座艙一般還要設置視野開闊的舷窗。航天員通過舷窗可觀察發(fā)射前的準備活動，軌道飛行中交會對接情況，返回點火時的姿態(tài)和再入著陸的地面情況等等。“水星9號”的航天員，在飛船自動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)，點燃返回發(fā)動機，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，形成惡劣的對比度環(huán)境。這會使得航天員的視力逐漸減退，以至無法辨認座艙儀表的讀數(shù)。在軌道交會對接操作中，由于空間存在著這種明亮和黑暗的強對比度，還可能造成航天員視覺的幻像，使對接失敗。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。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，舷窗可以拉上窗簾或加蓋濾光片，防止強烈的陽光直射入座艙。飛船處在黑喑中時，由艙內(nèi)的高效白熾燈來保證艙內(nèi)亮度。照明燈可手動調(diào)節(jié)，使之有足夠的亮度與和諧的顏色。

三、航天飛機

1.航天飛機的組成

大部分人實際上對航天飛機是有誤解的。因為大部分人都把跟飛機長得很像的那一部分當做航天飛機。實際上，很像飛機的那部分只是航天飛機的軌道器。完整的航天飛機由軌道器、 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的軌道器。

航天飛機的三大組成部分

2、航天飛機軌道器的設計

美國航天飛機軌道器由機頭機身、機尾以及兩個三角形機翼和垂直尾翼構(gòu)成?？傞L87米，翼展寬24米，跟一架大型噴氣式客機的大小相差不多，總質(zhì)量為68噸。機頭部分是軌道器的駕駛艙，總?cè)莘e是71立方米。整個駕駛艙分隔成三層，上層是駕駛室，前后共設有四個座位。前面的兩個是駕駛員和指令員座位，后面的兩個可以供工程師、技師或其他人員乘坐。駕駛室前有飛行控制、顯示儀器等設備。駕駛室頂上有一個可以迅速打開的艙門，在情況緊急的時候，駕駛室的人員可以從這里逃出。中層設有廚房間、衛(wèi)生間和空氣鎖，還放有一些電子設備。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艙口走到后面的貨艙里去。此外，中層還有一個很大的邊門，航天飛機起飛前或著陸后，人員和設備從這里進出。下層主要裝載環(huán)境控制系統(tǒng)設備，以保持駕駛艙氣壓、溫度、濕度等條件。

航天飛機的軌道器

軌道器駕駛艙是密封的，里面充滿氧氣和氮氣。氧氮混合氣體的壓力是一個大氣壓。艙里裝有三個風機，使空氣流動。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。艙里各種電子設備和人員發(fā)出的熱量，由冷水和氟利昂兩個冷卻系統(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。

亞特蘭蒂斯號座艙

軌道器機身就是航天飛機的大貨艙，直徑4.5米，長18米，可以裝20~30噸貨物。貨艙里裝有機械手，機械手可伸可屈，可以隨意轉(zhuǎn)換方向最遠可以伸到15米遠的地方。坐在駕駛艙里的技師可以通過電視和目視觀察，準確地操縱機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。

軌道器機尾裝著三個以液氧、液氫作為推進劑的主發(fā)動機，總共能產(chǎn)生640噸推力，還有兩個變軌發(fā)動機，每個產(chǎn)生2. 7噸推力。三角形機翼和垂直尾翼使航天飛機返回地球的時候在大氣層中飛行具有良好的穩(wěn)定性和操縱性，能像普通飛機一樣飛行自如，滑行降落。

企業(yè)號軌道器降落

航天飛機的結(jié)構(gòu)是用普通鋁合金制成的。但在返回時速度極快，它的表面跟空氣發(fā)生劇烈摩擦，溫度急劇升高。在機頭和機翼前緣，最高溫度可以達到1600攝氏度左右。這樣高的溫度性能再好的鋁合金也都會化成水了。因此在這些地方需要覆蓋了一層耐高溫的石墨纖維復合材料，以保護鋁合金不被燒熔。在機身和機翼的上表面，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。

航天飛機起飛的時候，除本身的三個主發(fā)動機發(fā)出推力外，還有兩個固體火箭助推。兩個固體助推器平行地捆綁在它的兩側(cè),每個固體助推器長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分離，再入大氣層，用降落傘在海面上回收，可以重復用20次。

四、總結(jié)

載人飛船和航天飛機是當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輸工具，又可作為空間站的救生艇。與航天飛機比較，飛船技術(shù)比較簡單，更切合載人航天初期的實際需要。

航天飛機是美國繼阿波羅之后的又一項龐大的航天計劃。不過極具搞笑意味兒的是，美國研制航天飛機的初衷就是要研制一種能夠多次重復利用的載人航天器，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，集中財力研制航天飛機。不過航天飛機研制成功以后，技術(shù)極其復雜，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的價值與地位。載人飛船使人類首次沖進了太空，航天飛機的出現(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，但是在整個過程中，技術(shù)的突破是巨大的。