太空探索与俄罗斯载人航天

1961年4月12日，苏联航天员尤里·阿列克谢耶维奇·加加林被送入太空，人类首次实现载人航天的梦想。之后，又首次把女航天员送入太空，首次进行太空行走，首次完成多人太空飞行，苏联航天实现一个又一个世界第一。

在登月竞赛中失利后，苏联把载人航天的重点放在长时在轨停留上。苏联/俄罗斯一直把载人航天作为其整个航天计划的重要组成部分，循序渐进、逐步发展，逐渐形成了较为完善的载人航天体系，在长时载人航天方面取得世界领先地位。

至今苏联/俄罗斯已研制出三代载人飞船（东方号、上升号和联盟号）、飞了一次的航天飞机、八个空间站和合作建造了国际空间站。

图附1-1　加加林

一、东方计划

图附1-2　东方号火箭和飞船

东方计划是苏联第一个载人航天计划。东方计划始于1958年，截至1963年6月，共进行了6次载人航天飞行，成功研制了世界上第一个载人航天器东方号飞船。1961年4月12日，“东方”一号飞船发射，加加林成为人类第一位进入太空的航天员。

东方号飞船构造

图附1-3　东方号飞船详图

东方号飞船采用球形乘员舱和锥柱仪器舱的两舱结构，乘员舱直径2.3米，仪器舱直径2.43米，长2.25米。总重约4.73吨。在轨飞行时与圆柱形的末级运载火箭连在一起，总长7.35米。

球形乘员舱能容纳1名航天员，返回时经过大气层，大气分子与飞行器发生碰撞产生极高热量，球形可以很好地减少这种不利因素的影响，并且能在各种速度下保持稳定。乘员舱外部安装了各种遥控天线和通信天线，侧面有圆形观察窗和一个弹射窗。舱外表面覆盖一层防热材料。座舱内有飞行10昼夜的生命保障系统、弹射座椅和无线电、光学、导航等仪器设备。

东方号飞船在返回前抛掉末级运载火箭和仪器舱，座舱单独再入大气层，用降落伞回收。当时这种回收技术还不成熟，只能回收航天员而不能回收返回舱，即在返回舱离地面10，000米左右，将航天员连同座椅一道弹射出舱，然后用降落伞回收。

仪器舱有18个球型高压氮气和氧气瓶，为乘员舱内的航天员提供类似地球的大气。气瓶下面的是仪器舱，再往下是反推发动机和推进剂储箱。当返回地面时反推发动机降低飞船的速度大约155米/秒，使飞船脱离轨道。

东方号飞船飞行

东方号飞船的轨道高度并不高，近地点的高度只有180千米。在这样高度下，大气对飞船轨道的衰减非常厉害。如果反推火箭出现故障，可以用末级火箭保证飞船在10天内逐渐降低轨道，最终以不大的速度返回地面。

东方号于1961年4月至1963年6月期间总共进行了6次载人飞行，飞行时间最短为1.5小时，最长约6天。除了把航天员送入太空并安全返回地面的基本任务外，东方3号和4号以及东方5号和6号飞船还分别进行了两船编队飞行，两艘飞船间的最近距离达到5公里，为以后交会对接技术做了有益的探索。

二、上升计划

上升计划是苏联的第二个载人太空飞行计划。1964年到1965年间共发射2次。飞船重5.32吨，球形乘员舱与东方号飞船大体相同，但是提高了舱体的密封性和可靠性。航天员在座舱里可以不穿宇航服，返回时不再采用弹射方式，而是随乘员舱一起软着陆。

上升1号太空飞行24小时17分钟，实现多人太空飞行（3名宇航员）；上升2号载2名宇航员，在太空飞行26小时2分钟，列昂诺夫通过气闸舱步出舱外茫茫太空，成为人类太空行走第一人。

图附1-4　列昂诺夫第一次太空行走

图附1-5　列昂诺夫

上升计划是东方计划的继续，是为了和美国“双子星座”计划竞争，争取更多太空第一。因此，上升计划的成功一定程度上建立在明显降低安全性和可靠性的基础上。上升号载人飞船和东方号载人飞船相比，主要变化有：

*为了容纳3名航天员，去掉弹射座椅，换上3个带减震器的座椅，又把航天服改成普通飞行服；

*去掉弹射座椅着陆方式，改为座舱整体着陆，主降落伞由两具面积为574平方米的伞组成。座舱增加着陆缓冲器，当飞船离地面一米时，由触杆式触地开关控制缓冲火箭点火，实现软着陆。

*为了出舱活动，上升2号飞船增加了一个可伸缩的气闸舱。气闸舱收缩后的高度为0.7米，伸出高度为2.5米，内径1米。有二个闸门，一个和乘员舱相连，一个和外界相通。

*将生保系统由10天储备改为3天。

图附1-6　东方号、上升1号、上升2号飞船比较

上升计划是东方计划的后续行动，用的是东方计划剩下的组件。上升计划后来被联盟计划所取代。

三、联盟计划

联盟计划是苏联第三个载人航天计划，原来是载人登月项目的一部分。联盟号飞船和联盟号火箭都是这一计划的产物。从发射次数和成功率来看，联盟系统是目前最老和最可靠的载人系统。

联盟号飞船的基本设计是苏/俄许多航天计划的基础。最初的设计目的是为了在前往月球时，避免使用美国土星V或苏联N1那样的巨大发射工具，而是不断地用联盟号火箭把登月航天器部件送到太空进行轨道装配，然后飞往月球，即采用地球轨道会合方式。这一最初设计由苏联太空计划总设计师谢尔盖·科罗廖夫（1907—1966）提出，但是他本人并没有亲眼看到自己的设计进入太空就过早地离开了人间。苏联为其举行了国葬，葬于克里姆林宫红墙墓园。

联盟计划现在由俄罗斯联邦航天局负责。自2011年航天飞机退休以来，所有人员进出国际空间站的任务都是由联盟飞船承担。

＊联盟号飞船

联盟号飞船是继东方号飞船与上升号飞船之后的第三款载人飞船，是目前世界上服役时间最长、发射频率最高，同时也是可靠性最好的载人飞船，其原来设计是作为苏联载人登月计划的地月往返工具，由于登月计划的取消，联盟号的活动范围就被限制于地球轨道。1991年苏联解体后，联盟号的制造与发射转由俄罗斯联邦航天局掌握，主要负责对和平号空间站与国际空间站的人员运输、物资补给。2011年美国航天飞机退役后，联盟号飞船成为航天员往返国际空间站的唯一运输工具。

联盟号飞船的改进型号众多，其衍生出的其他航天器包括：探测器号、联盟号T、联盟号TM、联盟号TMA、联盟号MS及进步号货运飞船等。

联盟号飞船由三部分组成：一个球形仪器舱、一个流线型返回舱和一个带太阳帆板的服务舱。

图附1-7　联盟号飞船由三部分组成

图附1-8　联盟号飞船外形视图

＊联盟号火箭

联盟号运载火箭起源于R-7洲际弹道导弹，有二级型和三级型两种（不算上面级）。联盟号火箭由位于萨马拉的航天火箭中心生产。主要发射场地为哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场和俄罗斯的普列谢茨克航天发射场，从2008年起联盟号火箭也在法属圭亚那太空中心发射。

自1967年起，联盟号火箭作为发射所有联盟号宇宙飞船而家喻户晓，目前主要任务是为国际空间站运送人员和货物，同时还承担由俄罗斯和欧洲联合组建的Starsem公司的商业发射。

联盟号火箭系列是世界上历史最久、发射次数最多的多用途运载火箭。以导弹R7为基础发展了上升号、东方号、闪电号、联盟号等10余个型号运载火箭。

图附1-9　联盟号火箭家族

＊“联盟-FG”系统

联盟-FG运载火箭于2001年5月20日首飞，将进步M1-6货运飞船运送到国际空间站。从2002年10月30日开始，联盟-FG是俄罗斯联邦航天局唯一用于向国际空间站发射联盟-TMA和联盟-MS载人宇宙飞船的载具。

图附1-10　联盟-FG运载火箭

四、阿波罗-联盟测试计划

阿波罗-联盟测试计划是历史上第一次由两个国家合作的载人航天任务，由美国和苏联于1975年7月执行，两国飞船在地球轨道上交会对接。

任务介绍

阿波罗-联盟测试计划中，美国使用阿波罗飞船指令/服务舱，苏联使用联盟19号飞船，1975年7月15日联盟19号飞船从拜科努尔航天中心起飞，七个半小时后，阿波罗飞船从肯尼迪航天中心起飞。7月17日两飞船在太空交会对接，三小时后，两位指令长美国的斯塔福德和苏联的列昂诺夫在联盟号的舱门处进行太空第一次握手。这次历史性的握手本应在英国海滨城市博格诺里吉斯上空进行，但由于任务的延误，实际握手发生在法国梅斯上空。其间三位美国航天员和两位苏联航天员交换国旗和礼物，互相交换签名，参观对方的航天器，合作进行科学实验，一起进餐以及使用对方的语言交谈。(www.xing528.com)

图附1-11　任务示意图

图附1-12　阿波罗-联盟测试计划航天员（从左到右：美国斯雷顿、斯塔福德、布兰德，苏联列昂诺夫、库巴索夫）

在一起44个小时后，两飞船分开，并利用阿波罗进行人造日食，让苏联的航天员拍摄日食照片。在两飞船分开前，又进行了另一次短暂对接，由联盟号推动整个航天器飞行。联盟号在空中停留五天后，安全返回地球，阿波罗飞船待了九天才返回地球，其间航天员进行了地球观测实验。

从技术及国家相互关系看，整个任务是一个巨大的成功。整个任务中唯一严重的问题发生在阿波罗号准备返回大气层时，四氧化二氮有毒烟雾进入乘员舱，幸运的是三位航天员没有出现严重的问题。

阿波罗-联盟测试计划是阿波罗航天器的最后一次飞行任务。任务使用的指令舱目前保存在洛杉矶的加利福尼亚科学中心。

对接数据

首次对接：1975年7月17日-16：19：09 UTC

最后分离：1975年7月19日-15：26：12 UTC

对接时间：1天23小时7分钟3秒

五、暴风雪号航天飞机

苏联从1976年开始研制暴风雪号航天飞机，1983年首次对缩比模型进行亚轨道飞行试验。1988年11月15日，暴风雪号由能源号火箭发射升空，进行首飞，也是暴风雪号航天飞机唯一一次轨道飞行试验。这次飞行由于生命保障系统尚未通过检测和驾驶舱显示器没安装软件而没有载人，暴风雪号最终在自动驾驶仪的操纵下成功着陆。这次飞行后，该项目费用被砍，1993年项目正式下马。

暴风雪号航天飞机外形同航天飞机相仿，机翼呈三角形。机长36.37米、高16.35米，翼展23.92米，机身直径5.6米，起飞重量105吨，返回后着陆重量为82吨。它有一个长18.3米、直径4.7米的大型货舱，能把30吨货物送上近地轨道，将20吨货物运回地面。头部有一容积70立方米的乘员座舱，可乘10人，设计飞行寿命100次。

图附1-13　暴风雪号航天飞机系统

“暴风雪”号在某些技术方面优于美国的航天飞机，主要表现如下。

1.航天飞机上的主发动机是在“能源”号火箭上，大大地减轻了航天飞机的入轨重量。虽然它比美国的航天飞机略大一些，但它的重量反而轻了约5吨，这样就可以多装一些有效负荷。

2.“能源”号火箭可以一箭多用，既可以发射航天飞机，也可以发射别的航天器，适应了当时苏联太空军备竞赛的需要。而且“能源”号火箭可以分段回收，重复使用，提高效益。

图附1-14　暴风雪号航天飞机和它的载机安-225

3.“能源”号火箭一、二级均采用液体推进剂，因而火箭的可靠性较高。而且“暴风雪”号航天飞机万一发生故障，可用自身的机动发动机使航天飞机进入较低的轨道或立即返回发射场，大大提高了航天飞机的安全性能。

4.“暴风雪”号航天飞机上虽然没有主发动机，但有两台小型机动发动机，着落时如果第一次着落不成，还可以像普通飞机一样拉起来，再次进行着落，安全性能比较高。

5.“暴风雪”号在轨道运行时，完全依靠无人自动驾驶，其技术难度更大。

图附1-15　“暴风雪”号与美国航天飞机性能比较

六、空间站

苏联/俄罗斯空间站经历了礼炮号空间站、和平号空间站和国际空间站。空间站计划是为了获取人类长期太空驻留的经验和技术，以及利用和开发太空。

＊礼炮空间站计划

礼炮空间站计划是苏联的第一个太空站计划。从1971年到1986年，包括四个载人科学研究空间站和两组军事侦察空间站。礼炮空间站的任务是对空间生活、天文、生物和地球资源问题的长期研究。在该计划下，礼炮一号成为世界上第一个载人空间站。

礼炮空间站创造多项航天纪录，包括飞行时间，首次空间站轨道切换，以及太空行走。礼炮空间站的经验为和平号空间站和国际空间站等多模块空间站铺平了道路。

礼炮空间站计划分第一代礼炮空间站（礼炮1～5号）和第二代礼炮空间站（礼炮6～75号）两个阶段。

**第一代礼炮空间站（礼炮1～5号）

礼炮1号于1971年4月19日发射升空。随后，苏联又分别在1973年4月、1974年6月、1974年12月和1976年6月发射了礼炮2～5号。

礼炮1号由轨道舱、服务舱和对接舱组成，呈不规则圆柱形，总长约14米，最大直径4米，总重约18.5吨，在200多公里高的轨道上运行。站上装有各种照相摄影设备和科学实验设备。礼炮1号在太空运行6个月，相继与联盟10和11号飞船对接组成轨道联合体，每艘飞船各载3名宇航员，共在站上停留26天。礼炮1号完成使命后于1971年10月11日在太平洋上空坠毁。前5个礼炮号都只有一个对接口，只能与一艘飞船对接。因礼炮空间站上携带的食品、氧、燃料等储备有限，它们的寿命都不长。

图附1-16　礼炮空间站+联盟号飞船

图附1-17　联盟号飞船+礼炮4空间站详图

＊＊第二代礼炮号空间站（礼炮6～7号）

图附1-18　礼炮7号空间站具有二个对接口

1977年9月29日和1982年7月29日，苏联又分别发射了经过改进的礼炮6和7号空间站。它们增加了一个对接口，除接待联盟号载人飞船外，还可与进步号无人货运飞船对接，用于物资补给。礼炮6号在太空飞行近5年，共接待18艘联盟载人飞船，有16批33名航天员到站工作，其中1980年航天员波波夫和柳明创造了在站飞行185天的纪录。礼炮7号空间站进入轨道飞行后，接待了11批联盟T型飞船和28名航天员，其中包括第一位进行太空行走的女航天员萨维茨卡娅。1984年，航天员基齐姆维约夫和阿季科夫在该站上创造了237天的连续飞行纪录。礼炮7号载人飞行累计达800多天，直到1986年8月停止使用。

＊和平号空间站

图附1-19　和平号空间站

1986年2月20日，和平号空间站的核心舱发射升空。接下来，又分别有量子1号舱（1987年）、量子2号舱（1989年）、晶体号舱（1990年）、光谱号舱（1995年）和自然号舱（1996年）陆续上站。所有组件都由质子火箭发射，除了对接舱1995年由美国航天飞机安装。组成了总空间近400立方米的一座轨道联合体。从1986年至1996年，在轨装配10年才最终建成T字形结构的和平号空间站。和平号空间站是世界上第一座采用多模块组合的空间站。全站共有6个对接口，长32.9米，重约137吨，基础构件直径4米，它的核心舱供航天员生活居住，并控制全站的正常运行，5个专用实验舱分别用于天文观测、对地观测、医学与生物学研究和材料加工试验等多种科学、军事和经济目的。

整个和平号空间站由七个加压舱和几个非加压组件组成。电能由几块太阳帆板提供。运行在350～450公里高度的近地轨道，平均速度为27，700公里/小时，每天绕地球15.7圈。

由于经费不足，同时也为了专心参与国际空间站计划，俄罗斯于2001年3月23日命令和平号空间站离轨再入大气，使这座曾是世界上体积最大、技术最先进、设施最完善、飞行时间最长的空间站走完了自己15年的太空历程。15年里，和平号绕地飞行8万多圈，共有31艘载人飞船和62艘货运飞船与之对接，美国航天飞机也曾9次访问它。俄罗斯、美国、英国、法国、德国和日本等12个国家的135名宇航员到站上访问和工作，开展了大量有价值的科研工作。

图附1-20　和平号空间站核心舱

＊国际空间站和“载人轨道装配和实验综合体”

1994年，俄罗斯与美国签署加入国际空间站协议，成为其中重要的一员。国际空间站是一座采用桁架式结构的巨型组合式空间站，由大型桁架和多个舱段组成，总质量约430吨。根据分工，俄罗斯提供科学研究舱、服务舱、科学电力平台、进步号货运飞船和联盟号载人飞船。1998年11月20日，国际空间站的第一个组件——俄方制造的曙光号功能货舱由质子号火箭从拜科努尔发射场发射升空，拉开了国际空间站建设的序幕。2000年7月12日，另一个重要的俄制组件——星辰号服务舱由质子号火箭发射成功，使国际空间站初步具备载人飞行能力。

国际空间站经过20年的边建边用，任务已进入尾声，国际空间站的参加国各有打算。由于政治纷争，给国际空间站的未来增加许多不确定性，为了应对美国对俄罗斯因克里米亚问题的制裁，俄罗斯副总理罗戈津曾表示，俄罗斯将拒绝美国在2020年以后延长国际空间站使用的要求，并将只提供美国非军事卫星发射用的火箭发动机。

可是2015年3月28日，俄罗斯航天局罗斯科斯莫斯（Roscosmos）和美国航空航天局又同意合作开发替代现有的国际空间站的新轨道站，参加国际空间站项目的国家集团将在未来的新轨道站项目上工作，并把国际空间站运行到2024年。

俄罗斯计划将国际空间站的俄罗斯部分拉出，组建新空间站，名为“载人轨道装配和实验综合体”（Orbital Piloted Assembly and Experiment Complex-OPSEK）。俄美双方对以后的合作都表现得很暧昧，结果还得看局势的发展。

图附1-21　国际空间站俄罗斯主要舱段（左上角⋆部分）

2017年9月27日在澳大利亚阿德莱德举行的第六十六届国际宇宙会议上，俄罗斯罗斯科斯莫斯和美国宇航局宣布人类探索月球和深空的新伙伴关系，将共同努力在月球轨道上建造一个微型空间站——这种基础设施可以作为未来火星飞行任务的基石。