Space capsule
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 航天主題 |
Space capsule是英語里對一種航天器的統稱。這類航天器具有鈍體式的返回艙，其主要用途是運送包括貨物、科學實驗和/或太空人等在內的有效載荷往返太空。Space Capsule與其他航天器的區別在於前者具備重返大氣層並將有效載荷從軌道或亞軌道送回地球表面的能力，而它與其他類型的返回式航天器的區別在於，其返回艙為鈍形且沒有機翼，並且後者通常質量較小且僅帶有少量可供單次安全返回所需的燃料。
一般認為Space Capsule的範圍包括載人飛船、可返回的貨運飛船以及返回式衛星。其中大部分載人飛船，如聯盟號或獵戶座，通常輔以服務艙或過渡艙，有時還會增加一個額外的艙段來擴展操作空間。儘管已經有載人穿梭機被發射至太空軌道，但大多數載人航天器設計仍然使用Space capsule。
現役的載人飛船有聯盟號、神舟和龍飛船2號，貨運飛船有進步號、天舟、龍飛船2號貨運版和天鵝座。目前正在開發的新載人飛船有NASA的獵戶座、波音星際航線、俄羅斯的鷹、印度的加岡揚和中國的夢舟。歷史上的載人飛船有東方號、水星號、上升號、雙子座和阿波羅，活躍的計劃有新謝潑德發射。載人飛船必須能夠在太空的真空條件下維持生命，往往還有苛刻的熱環境和輻射環境要求。它可以是一次性的（如聯盟號），也可以是可重複使用的（如載人版龍飛船）。
歷史
東方號
東方號是蘇聯第一艘載人飛船。人類歷史上第一次載人航天，即是由太空人尤里·加加林於1961年4月12日乘坐東方一號完成的。
該飛船最初的設計包含了兩種用途，一個是用作蘇聯第一個間諜衛星天頂計劃的相機平台，另一個則是用作載人航天器。這種軍民兩用設計對於該項目能夠獲得蘇聯共產黨的支持至關重要。該設計使用球形返回艙，以及一個雙錐體下降艙，用於容納姿態控制推進器、在軌消耗品和用於脫離軌道的制動火箭。這種基本設計已經使用了大約40年，逐漸應用於一系列人造衛星。
返回艙由燒蝕隔熱材料完全覆蓋，直徑2.3米（7英尺7英寸），重2,460公斤（5,420英磅）。飛船被罩在鼻錐里，以降低發射時的阻力；圓柱狀的內艙直徑約1米（3英尺3英寸），幾乎與飛船的縱軸相垂直。太空人坐在帶有單獨降落傘的彈射座椅上，以在發射時的緊急狀況下逃生，及在正常飛行情況下着陸。飛船有自己的降落傘，以便降落。儘管官方消息稱加加林是在飛船內一起着陸的，這也是根據國際航空聯合會（IAF）的規則對首次載人航天飛行資格的要求，但後來發現，所有東方號的太空人都是從飛船中彈射出來分別着陸的。該艙還有一個朝後的2.25米（7英尺5英寸）錐形設備艙，長2.43米（8英尺0英寸），重2,270公斤（5,000英磅），搭載了氮氧呼吸氣體、電池、燃料、姿態控制推進器和制動火箭。它可以支持長達十天的飛行。[1]東方號成功進行了六次發射，最後兩次是結伴飛行的。最長的飛行時間僅有五天，是東方五號在1963年6月14日至19日的飛行。[2]
由於姿態控制推進器位於設備艙中，而該艙在臨再入前被丟棄，因此無法主動控制返回艙的路徑和方向。與水星號的錐形設計不同，上升號採用了球形設計，這樣可以在體積相同的情況下將隔熱罩直徑最小化，但這也意味着必須在所有方向保護飛船以免再入時過熱。通過調整重心，可以對飛船的再入方向進行一定控制。保持太空人的背部朝向飛行方向是正確且必要的，這樣可以在最高達8到9倍的重力加速度下提供最好地保護。
上升號
上升計劃以東方號的設計為基礎，並進行了修改，以搭載多名太空人，共進行了兩次飛行。艙室由圓筒形更改為一個更寬的矩形，這樣可以容納三名太空人並排乘坐（上升1號），或者兩名太空人，中間夾一個可充氣的氣閘，以進行艙外活動（上升2號）。返回艙頂部增加了一個備用的固體燃料反推火箭。上升號的彈射座椅被取消以節省空間，因此並沒有為乘員提供在發射或着陸的緊急情況下的逃生手段。整個上升號飛船重達5,682公斤（12,527英磅）。
空間不足意味着上升1號的太空人沒有穿宇航服。[3]上升2號的兩名太空人都穿着宇航服，因為太空人阿列克謝·列昂諾夫準備出艙活動。這就需要一個氣閘，因為飛船的電氣系統和環境系統都是風冷的，飛船完全減壓會導致它們過熱。氣閘重達250公斤（550磅），發射時摺疊起來的直徑為700 mm（28英寸），高770 mm（30英寸）。在軌道上展開後，其長度為2.5米（8英尺2英寸），內徑為1米（3英尺3英寸），外徑為1.2米（3英尺11英寸）。另一名太空人也穿着宇航服，以防返回艙意外失壓。氣閘在使用後被丟棄。
上升號沒有彈射座椅，這意味着在着陸時太空人需要位於飛船內，而不像東方號那樣太空人彈射出來與飛船分別着陸。上升號為此開發了一種新的着陸系統，在降落傘繩上增加了一個小型固體燃料火箭。它在返回艙接近地面時點火，以提供更軟的着陸。
水星號
水星飛船的主要設計師是馬克西姆·費吉特，他在美國國家航空諮詢委員會（NACA）時期就開始了載人航天研究。[4]:150飛船長10.8英尺（3.3米），寬6英尺（1.8米）；加上發射逃逸系統，總長度為25.9英尺（7.9米）。[4]:131飛船的內部活動空間有100立方英尺（2.8立方米），僅夠容納一名乘員。[5]:47其內部有120個控件：55個電氣開關、30個保險絲和35個機械槓桿。[5]:245最重的飛船水星-宇宙神9號的滿載重量達3,000英磅（1,400公斤）。[5]:490其表層由René 41製成，這是一種能夠承受高溫的鎳合金。[4]:136
飛船呈錐形，窄端有一個頸部。[4]:131它有一個凸起的底座，上面有一個隔熱罩，[4]:134－136它是由覆蓋了多層玻璃纖維的鋁蜂窩組成的。[5]:140、143隔熱罩上綁着一個制動火箭包（右圖中的Retro rocket package）[4]:132－134，它由三枚火箭組成，用於返回期間的飛船制動。[4]:132在這三枚制動火箭之間還有三枚小火箭，用於在入軌時將飛船與運載火箭分離。[5]:188當不再需要制動包時，就會切斷它的固定帶。[4]:134挨着隔熱罩的是加壓乘員艙。[4]:136－144在艙內，太空人被綁在合身的座椅上，他的面前是各種儀器，背靠在隔熱罩上。[4]:136－137座椅下方是環境控制系統（Environmental system），提供氧氣和熱量，[4]:138淨化空氣中的CO2、蒸汽和氣味，以及（在軌飛行中）收集尿液。[4]:139[注 1]飛船窄端的回收艙[4]:144－145內有三個降落傘：一個用於穩定自由落體的引導傘（Drogue parachute）和兩個主要的降落傘，一個主傘（Main parachute）和一個備用傘（Reserve parachute）。[4]:144在隔熱罩和乘員艙內壁之間有一條着陸裙（landing skirt），用於在着陸前拋下隔熱罩。[4]:135回收艙頂部是天線部分，[4]:145－148其中包含了通訊天線（Antenna）和引導飛船方向的掃描儀（Horizon scanners）。[4]:147上面還附有一個襟翼（Reentry spoiler），以確保飛船再入時以隔熱罩朝前。[5]:199發射逃生系統安裝在飛船的窄端，[4]:179－181它有三枚小型固體燃料火箭，可以在發射失敗時緊急點火，將飛船與助推器安全分離。它將展開飛船的降落傘，在附近海面濺落。[4]:179
水星號飛船沒有機載計算機，而是依靠地面計算機進行所有的再入計算，然後在飛行中通過無線電將結果（制動點火時間和點火姿態）發送給飛船。[6][7]水星太空計劃中使用的所有計算機系統都位於地球上的NASA設施中。[6]計算機系統使用的是IBM 701計算機。[8][9]
在蘇聯的首次載人軌道太空飛行近一個月後，美國將它的第一位水星太空人艾倫·謝潑德送入亞軌道飛行。在蘇聯人於8月6日發射了第二艘東方號，並進行了為期一天的太空飛行之後，美國終於在1962年2月20日將第一名美國人約翰·格倫送入太空軌道。美國總共發射了兩艘載人亞軌道水星號飛船和四個載人軌道飛船，飛行時間最長的是水星-宇宙神9號，飛行了32個半小時，共繞軌道飛行22圈。
雙子座計劃
飛船本身的許多組件，通過它們自己的小檢修門都可以夠得到。與水星號不同，雙子座使用了全固態電子設備，其模塊化設計使其易於維修。[10]
雙子座的緊急發射逃逸系統沒有使用由固體燃料火箭驅動的逃逸塔，而是使用了飛機式的彈射座椅。逃逸塔又重又複雜，NASA的工程師認為可以取消，因為泰坦II的自燃推進劑會在接觸時立即燃燒。與使用低溫燃料的宇宙神和土星相比，泰坦II助推器爆炸時的衝擊效應和火焰都比較小。彈射座椅足以將太空人與發生故障的運載火箭分離。在高海拔地區，由於無法使用彈射座椅，太空人則會在飛船內返回地面，而飛船則會與運載火箭分離。[11]
使用彈射座椅的主要支持者是吉姆·張伯林，他根本不喜歡水星號的逃逸塔，而是希望使用一種更簡單的替代方案，同時還能減輕重量。他反覆觀看了幾部關於宇宙神和泰坦II號洲際彈道導彈的事故影片，他通過這些影片估計了運載火箭爆炸時所產生火球的大致尺寸，並據此判斷泰坦II號的爆炸要小得多，因此飛船可以依靠彈射座椅來逃離。
另一邊，水星號逃逸塔的設計者費吉特並不喜歡這種配置。彈射座椅除了可能對太空人造成嚴重傷害外，它們在升空後也只能使用約40秒，因為此時助推器已經達到1馬赫的速度，不可能再彈射了。他還擔心，如果太空人在飛行中彈射，他們可能會穿過泰坦的尾流。但他後來補充道：「雙子座最好的事情是，他們永遠不必逃逸。」[12]
雙子座的彈射系統從未在雙子座艙內進行過純氧加壓測試，發射前也沒有。1967年1月阿波羅1號致命的火災表明，用純氧對飛船加壓會造成極其危險的火災隱患。[13]在1997年的口述歷史中，太空人托馬斯·斯塔福德在談到1965年12月雙子座6A號的發射中止時說，當時他和指揮飛行員瓦爾特·施艾拉差點被從飛船中彈出：
所以事實證明，如果我們不得不這樣做，我們就會看到，就會變成兩顆信號彈被發射出來，因為我們已經在15—16磅力每平方英寸（100—110千帕斯卡）的純氧中浸泡了一個半小時。你還記得我們在卡納維拉爾角發生的悲慘火災。（……）天哪，等到火滅了，宇航服都要燒光了。所有東西都在氧氣里泡着。所以感謝上帝。那是另一回事：NASA從來不在「如果沒辦法就只好彈射」的條件下進行測試。他們確實在中國湖進行了一些測試，那裏有一個雙子座飛船的模型，但他們所做的只是將它充滿氮氣。他們在做滑車測試的時候，並沒有給它充滿氧氣。[注 2][14]
雙子座是第一艘攜帶機載計算機的載人飛船，該計算機被稱為雙子座導航計算機，用來幫助管理和控制任務機動。這台計算機有時被稱為雙子座飛船機載計算機（Gemini Spacecraft On-Board Computer，簡稱OBC），與土星運載火箭數字計算機非常相似。雙子座導航計算機重58.98英磅（26.75公斤）。其磁芯存儲器有4096個內存地址，每個地址包含一個39位的字，該字由三個13位的「音節」組成。所有數值數據都是26位補碼整數（有時作為定點數使用），要麼存儲在字的前兩個音節中，要麼存儲在累加器中。指令（總是使用4位操作碼和9位操作數）可以放在任何音節中。[15][16][17][18]
阿波羅號
阿波羅飛船最初是在1960年構思的，是水星計劃後續的三人飛船，是一項可擴充的任務。它可用於將太空人送至地球軌道的空間站，或用於飛往月球或在月球軌道飛行，還可能在月球着陸。1960和1961年，美國航天局向幾家公司徵求了阿波羅飛船可行性研究，而費吉特和空間任務組已經開始了設計工作，使用一個圓錐/鈍體飛船（指令艙），以及一個能提供電力和推進力的圓柱形服務艙作支持。NASA於1961年5月審查了參與者的設計，但約翰·甘迺迪總統提出了在1960年代把人送上月球的全國性計劃，於是NASA決定拒絕可行性研究並繼續費吉特的設計，着眼於登月任務。建造阿波羅的合同被交給了北美航空。
阿波羅的指令/服務倉（Command/Service Module，簡稱CSM）最初的設計是將三個人放在一個大的有腿的着陸平台上，直接帶到月球表面。指令艙的直徑為12英尺10英寸（3.91米），長11英尺1.5英寸（3.391米）。服務艙長13英尺（4.0米），加上發動機噴嘴，飛船的總長度為36英尺2.5英寸（11.036米）。使用自燃推進劑的推進器擁有20,500英磅力（91,000牛頓）的推力，以將CSM推離月球表面並將其送回地球。這需要一個比土星五號大得多的單個運載火箭，或者使用土星五號多次發射，然後在地球軌道上進行組裝，再將其送往月球。
早期決定使用月球軌道交會的方法，使用較小的登月艙（Lunar Excursion Module，簡稱LEM）在月球軌道和月面之間運送兩個人。質量的減少使得登月任務可以用單個土星五號來發射。由於重要的開發工作已經開始設計，因此決定繼續使用現有的設計作為Block I，同時開發一個能夠與登月艙交會的Block II版本。除了增加對接通道和探針外，Block II還能根據從Block I的設計中學到的經驗對設備進行改進。Block I將用於無人試飛和有限幾次地球軌道載人飛行。雖然推進器比要求的更大，但其設計並沒有更改，因為重大的開發已經在進行中了；不過，推進劑罐的尺寸略有縮小，因為對燃料的需求有所變化。根據太空人的建議，Block II指令艙把兩扇內嵌式艙門，替換為一扇外開艙門，以便在任務結束時更容易出來。這是為了避免艙門意外打開，此類事故曾經在古斯·格里森的水星-紅石4號飛行中發生過。
水星號和雙子座的實踐證明，發射前充入16.7磅力每平方英寸（115千帕斯卡）的純氧，結合內嵌式艙門設計，是災難性的。1967年1月27日，為準備2月份的首次載人發射，阿波羅1號的全體船員——格里森、愛德華·懷特和羅傑·查菲在發射台上參加發射前測試時，被席捲船艙的大火奪去生命。內嵌門使得太空人在遇到危險時，無法逃脫或被救出。調查揭示，火災可能是由磨損的電線產生的火花引起的，並點燃了本不該放在船艙內的易燃材料。載人飛行計劃被推遲了，同時對Block II飛船進行了設計變更，將發射前船艙中的氣體由純氧替換為類似空氣的氮/氧混合物，除去船艙和宇航服中的易燃材料，並密封所有電線和腐蝕性冷卻液管線。
Block II飛船加滿燃料後重63,500英磅（28,800公斤），執行了四次載人地球和月球軌道測試飛行，以及七次載人月球着陸任務。飛船的一個修改版本還曾將三名乘員運送到天空實驗室空間站，還執行過與蘇聯聯盟號宇宙飛船對接的阿波羅-聯盟測試計劃。阿波羅飛船在1974年之後退役。
貨運飛船
隨着空間站的使用和長期的太空駐留，對貨運飛船的需求有所增加。與載人飛船相比，純貨運飛船不需要生命維持系統，甚至大部分貨運飛船在任務結束後，會攜帶空間站產生的廢物再入大氣層燒毀。[19]
已退役的無人Space capsule
現役宇宙飛船
聯盟號
1963年，科羅廖夫首先提出了三人的聯盟號宇宙飛船，用於在地球軌道組裝的月球探測任務。蘇聯領導人尼基塔·赫魯曉夫向他施壓，要求他推遲聯盟號的開發，將工作轉移到上升號，後來又允許他為空間站和月球探測任務開發聯盟號。他使用了一個小型、輕便的鐘形再入艙，在其頂端連接了一個軌道乘員艙，包含了主要的任務生活空間。服務艙使用兩塊太陽能電池板來發電，並包含一個推進系統發動機。聯盟7K-OK型型號是為地球軌道設計的，其再入艙重2,810公斤（6,190英磅），直徑2.17米（7英尺1英寸），長2.24米（7英尺4英寸），內部容積4.00立方米（141立方英尺）。其球形軌道艙重1,100公斤（2,400英磅），直徑2.25米（7英尺5英寸），含對接探針長3.45米（11.3英尺），內部容積5.00立方米（177立方英尺）。飛船總質量為6,560公斤（14,460英磅）。
科羅廖夫去世之後，從1967到1971年，其中10艘飛船進行了載人飛行。第一艘（聯盟1號）和最後一艘（聯盟11號）發生了最早的太空死亡。科羅廖夫開發了一種9,850公斤（21,720英磅）的7K-LOK變體，用於月球任務，但從未載人飛行過。
直到今天，俄羅斯人仍在繼續開發和使用聯盟號。
神舟
中國在1990年代開發了「神舟」飛船，其設計理念和聯盟號一樣，包括軌道艙、返回艙及服務艙。它於1999年進行了第一次無人測試飛行，並在2003年10月進行了首次載人飛行，將楊利偉送入地球軌道並繞地球14圈。截至2022年5月，已經成功發射13次，其中載人7次。
龍飛船2號
SpaceX七座的龍飛船2號於2020年5月30日首次將太空人送往國際太空站，執行的是NASA的示範2號任務。龍飛船最初的設想是，作為SpaceX開發的無人飛船，用於NASA的商業補給服務合同。但後來增加了載人飛行的需求，這使得飛船經過了重大的重新設計，其通用性有限。
新謝潑德
藍色起源開發的六座新謝潑德飛船是一種亞軌道載人飛船，專為需要人工參與的研究和太空旅遊而設計。飛船也可以執行無人飛行，以攜帶更多的有效載荷和實驗設備。
開發中的載人飛船設計
參見
註釋
- ^ 在第一次亞軌道飛行中，沒有收集尿液；而另一次，太空人在太空服中增加了一個儲水器。[5]:368
- ^ 原文：So it turns out what we would have seen, had we had to do that, would have been two Roman candles going out, because we were 15 or 16 psi, pure oxygen, soaking in that for an hour and a half. You remember the tragic fire we had at the Cape. (...) Jesus, with that fire going off and that, it would have burned the suits. Everything was soaked in oxygen. So thank God. That was another thing: NASA never tested it under the conditions that they would have had if they would have had to eject. They did have some tests at China Lake where they had a simulated mock-up of Gemini capsule, but what they did is fill it full of nitrogen. They didn't have it filled full of oxygen in the sled test they had.
參考文獻
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外部連結
- About Capsules [關於宇宙飛船]. （原始內容存檔於2017-08-18） （英語）.
- SpaceX Building Reusable Crew Capsule [SpaceX正在建造可重複使用的載人飛船]. （原始內容存檔於2009-05-24） （英語）.
- Gemini 11 Space Capsule [雙子座11號飛船]. （原始內容存檔於2014-10-04） （英語）.
