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　　莫斯科時間1961年4月12日9點07分，在蘇聯拜科努爾宇航中心，尤里·加加林乘坐東方一號宇宙飛船進入太空，實現了他的先輩齊奧爾科夫斯基的偉大預言。而另一個世界強國--美國，也不甘落后，在緊鑼密鼓的準備之后，于1962年2月20日將水星6號載人飛船送入地  
球軌道。由此，揭開了人類歷史上波瀾壯闊的征服太空的競賽。32年過去了，美蘇(俄)兩國的航天發(fā)射技術都得到了長足的進步，而廣袤的宇宙又將張開雙臂迎接新的來訪者--2003年10月中旬，在經過4次成功的無人實驗發(fā)射之后，中國將使用長征2F運載火箭將載有宇航員的神舟5號飛船送入地球軌道。那么，神舟5號比起它的前輩東方號和水星號究竟有什么不同呢？讓我們再回過來看人類蹣跚學步進入太空的那段歷史。

　　東方號飛船世界上第一種宇宙飛船。是蘇聯宇航先驅謝爾蓋·р·科羅廖夫主持設計的。由座艙和服務艙組成，總長4。41米，最大直徑為2。43米，重4725公斤，座艙自由空間1.6立方米，可以搭載一名宇航員，在軌時間最長為5天。

　　座艙是宇航員工作、生活是乘坐的艙段，它同時也是搭載宇航員返回地面的部分，所以也叫返回艙。該艙呈球形，重2460公斤，內徑2.3米。飛行員的座椅就放在中央位置。航行期間航天員穿著宇航服坐在座椅上工作和休息。座椅與座艙的中軸線成64度，背靠和座椅夾角為110度。艙內有手控裝置、導航儀表、無線電通信設備、生命保障系統(tǒng)、著陸系統(tǒng)，還有科學實驗儀器、攝像機、照相機，有足夠的水和食品。服務艙又叫推進艙，也稱設備艙或儀器艙。外形為一個短圓柱段和兩個錐體組成，它的最大直徑是2.43米，重達2265公斤。艙內安裝的儀器設備僅在運行中使用，而不再返回地面。如遙測、軌道控制、姿態(tài)控制、變軌發(fā)動機、姿控氣瓶、電源等。

　　為了保證宇航員在飛船中的正常生命活動、飛船座艙內載有環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)。飛船內充滿一個大氣壓下的氮氧混合氣體，其中氧氣占21%，氮氣占79%，接近地球上的大氣環(huán)境。艙內溫度為17--26攝氏度，相對濕度為45--65%，二氧化碳濃度不超過0.5%。

　　為在意外條件下挽救宇航員的生命，座椅下面裝有兩臺固體火箭，緊急情況可以將座椅彈射出艙。座椅里備有救生包、食品、水、藥品和防身槍支，供應急救生著陸使用。座艙裝有3套降落傘系統(tǒng)，一套供整艙降落用，兩套(其中一套備份)供座椅彈射降落時用。由于彈射救生座椅只能用于7公里以下，中高空用彈射座椅救生會損傷宇航員，在航天器起飛的前40秒如果出意外，直接將宇航員探出艙外，如果意外發(fā)生在40--150秒，則先關閉運載火箭，等降落至7公里后再將飛行員彈出，如果在更高的軌道段出故障，則將返回艙分離，直接返回地球。

　　東方號的姿態(tài)控制可以使用自動控制系統(tǒng)，也可以由航天員手動，航天員用右手操縱手控器控制飛船的方位，左手操縱緊急開關打開座艙的逃離艙口和操縱彈射座椅，控制飛行姿態(tài)的力矩由東方1-C氣體火箭發(fā)動機提供，該發(fā)動機系統(tǒng)分成兩族獨立的半系統(tǒng)，每組有8個冷氮氣推力器。安裝在儀器艙上端與返回艙對接處四周的12個球形氣瓶配置成3個獨立的高壓氮氣瓶組，像兩組推力器供氣，其中兩組氣瓶保證自動狀態(tài)控制推進供氣，另一瓶組保證手動姿態(tài)控制推進供氣。

　　當飛船返回時，先將服務艙分離，然后制動火箭點火，使返回艙進入過渡軌道。再入方式為彈道式，無升力控制，因而過載較大，達8--12g，大于5g過載的持續(xù)時間達到100秒。在正常返回情況下，東方號飛船有兩種著陸方式：第一種是坐在艙內的座椅上和整艙一起著陸，第二種方法是將航天員彈出艙外單獨著陸。利用第一種方式時，在返回艙下降到4公里時膜盒式高度表發(fā)出指令，拋掉傘艙蓋，先后拉出引導傘、減速傘、主傘。最后著陸時返回艙的速度不大于10米/秒。當采用彈射座椅方式著陸時，返回艙下降到7公里高度時，高度計發(fā)出指令，將座艙門分離。航天員頭盔的玻璃罩自動蓋上，收緊背帶，借統(tǒng)供氧系統(tǒng)。2秒后，座艙門已經離開到了安全距離以外，彈射座椅的彈射機構動作，將座椅連航天員一起沿導軌彈到艙外，減速傘打開。3秒后，座椅分離。減速傘拉帶主傘后分離。在過10秒，放下救生包，系于一根15米長的繩子下端。航天員乘主傘降落，速度約為5--6米/秒。第二種方式相比第一種，由于無需在飛船高速進入大氣層后控制飛船的姿態(tài)，更加簡單一些。因此被第一次載人航天飛行所選中。

　　與蘇聯的飛船類似，美國的第一型宇宙飛船水星號也采用了兩艙段結構，分為座艙和傘艙，飛船外形呈圓錐形，高2.9米，底部直徑1.83米，頂部直徑0.5米。包括救生塔在內，總長7.92米。飛船質量每次發(fā)射時不太一樣，以首次軌道飛行的水星6號為例，起飛質量1934公斤，在軌質量1355公斤，濺落時為1130公斤。水星號傘艙呈圓柱體，下部圓錐體為座艙。座艙里只能乘坐一名宇航員，設計最長飛行時間為2天。航天員躺在座椅上，通過舷窗和潛望鏡可以觀察到空間的景象。

　　水星號飛船上裝有通信、姿態(tài)控制、供配電、熱防護、環(huán)境控制和生命保障以及回收著陸等系統(tǒng)，配置有座椅、手控裝置、攝像機、降落傘、橡皮艇等設備。水星號飛船裝有兩套相互獨立的遙測分系統(tǒng)，用來傳輸座艙工程參數和航天員勝利參數。兩個雷達信標機用于地面跟蹤測量。飛船上還設有兩路無線電話路，有記錄遙測數據的磁記錄。飛船的制動火箭安裝在座艙的防熱罩上，再入大氣層后即拋掉。飛船姿態(tài)控制以自動為主，另有兩種手控方式作為備份。

　　水星號的座艙環(huán)境與東方號不同，艙內大氣采用采用1/3大氣壓的純氧。這種方式比東方號的要簡單許多，壓力低，成份單一，所以容易調壓，不需要向東方號一樣堅固的艙體結構和那么復雜的調壓系統(tǒng)，降低了飛船的重量，泄露量也小。同時，穿低壓航天服出艙活動是不許吸氧排氮，減少了準備時間。但是副作用也很明顯，首先長期呼吸純氧會抑制紅細胞生長，對眼鼻也有刺激作用，其次座艙的純氧環(huán)境是一旦發(fā)生火災時很難控制，1967年1月27日美國阿波羅4A飛船在地面測試中由于電路短路引起火災，3名宇航員在15秒內被燒死，所以此后美國飛船發(fā)射時會向其中注入一些氮氣。水星號飛船中溫度為26度(最高不超過43.4攝氏度)。

　　水星號飛船和逃逸塔連接在一起后組成逃逸救生系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由安裝在飛船頂部的逃逸發(fā)動機、救生塔分離發(fā)動機、救生塔塔架組成。逃逸發(fā)動機推力為22.9千牛，工作時間1.2秒，3個噴管向外傾斜19度，是推力方向和飛船縱軸略有傾斜，以便逃逸救生軌道橫偏，避免和后面追來的火箭相撞。分離發(fā)動機安裝在飛船底部防熱罩上，推力3.53千牛，工作時間1.5秒。救生塔塔架是個三米高的三角形鋼架結構，用3個爆炸螺栓固定在飛船上。逃逸時，救生塔將座艙牽引離開危險區(qū)。當運載火箭正常運行至主發(fā)動機停機后，逃逸塔即被拋掉。1961年4月25日一次無人亞軌道試驗中，當火箭起飛43.4秒之后，控制系統(tǒng)發(fā)生故障，救生程序被啟動，逃逸塔點火，將飛船座艙牽引離開火箭爆炸危險區(qū)，并且回收成功。救生塔和彈射座椅方式各有利弊。救生塔對宇航員來說比較安全，缺點是如果座艙內發(fā)生危險，救生塔就無能為力了。而且救生塔占用了過多的有效載荷，也不如彈射座椅來經濟。但是彈射過程對宇航員來說實在很危險，而且救生塔有過數次良好的表現，所以從聯盟飛船開始蘇聯飛船都裝有逃逸塔。

　　水星號的控制系統(tǒng)也是采用自動為主，手動備份的方式，通過噴管向外噴射氣體來控制飛船的俯仰、偏航、滾動等動作。由于計算機設備的原始，水星號在航行的時候還鼓勵宇航員通過手動方式控制飛船。1963年水星9號在飛行時自動控制系統(tǒng)故障，宇航員庫帕從舷窗觀察地平線，手動控制飛船姿態(tài)，成功返回地球。

　　水星號的返回方式和東方號大致相同，采用彈道式再入，水星飛船底朝下進入大氣層，由于飛船形狀的關系，可以獲得一定升力，從而得到一定的氣動控制。宇航員是用手動方式可以改變航行路線，飛向濺落地點。在降落的最后階段，打開降落傘，使飛船輕輕落在海面上。這種方式比起東方號在地面降落，對飛行器的結構強度要求降低，但是對座艙密封性能要求更高，1961年水星4號飛船在亞軌道飛行后濺落大洋中，座艙進水，航天員格里索姆差點淹死。

　　在運載工具上，兩國的運載火箭都是在液體洲際導彈基礎上發(fā)展而來。東方號火箭由月號火箭發(fā)展而來，增加了第一級的推進劑質量和二級子發(fā)動機的性能。火箭為二級液體捆綁火箭，由芯級、四個助推器、第二子級、桁架式級間段、整流罩組成。尾段裝有4個三角形穩(wěn)定尾翼。火箭全長38.46米，底部最大直徑10.3米，起飛質量287噸，起飛推力4002.5千牛，近地運載能力4730千克，太陽同步軌道運載能力1840千克(650公里，98度)。其第一級芯級原型是р-7型液體洲際導彈，級長28.75米，直徑2.95米，起飛質量101噸，其中結構質量7.8噸，推進劑質量93.2噸，工作時間320秒。火箭發(fā)動機為рд-108，由動力機械科研生產聯合體設計，其特點是比沖大(真空比沖達到3090米/秒)，該發(fā)動機結構重量1250公斤，直徑1950毫米，長2850毫米。采用液氧和煤油為推進劑。海平面總推力745千牛，真空總推力941.8千牛。助推器長19.8米，直徑2.68米，起飛質量每臺43噸，其中推進劑有39.5噸，工作時間120-140秒，發(fā)動機為рд-107型發(fā)動機，發(fā)動機質量1155千克，直徑2580毫米，長1860毫米，同樣使用液氧/煤油為推進劑，4臺發(fā)動機產生的海平面總推力為3284千牛。二級火箭級長2.98米，直徑2.58米，子級結構質量1.1噸，裝有5.9噸液氧/煤油推進劑，采用рд-448型發(fā)動機，發(fā)動機直徑766毫米，長1600毫米，工作時間440秒，真空推力為54.9千牛，這種發(fā)動機分兩步關機，先將推力降低至45%，持續(xù)4秒后在關機，這樣可以減輕關機造成的干擾，有利于提高有效載荷的入軌精度。

　　東方號火箭裝有兩套控制系統(tǒng)。其中一套在芯級儀器艙內，為全慣性控制系統(tǒng)，主要有慣性平臺。第二套裝在2級上，是捷聯式慣性制導系統(tǒng)，有一個積分加速度表裝在箭體縱向，測量飛行時軸向的視加速度。飛行中，由芯級火箭和助推器的游動推力室提供姿態(tài)控制力矩，4個尾翼起穩(wěn)定作用，當芯級分離后，二級火箭利用以渦輪廢氣為動力的4個小噴管控制姿態(tài)。東方號運載火箭近地軌道高度偏差在正負40公里，周期偏差22秒。東方號火箭最后一次發(fā)射是在1991年，共發(fā)射了149次，成功率超過99%。在東方號的基礎上，又發(fā)展出了上升號、聯盟號、閃電號和進步號，成為一系龐大的運載火箭家族。

　　美國在試驗水星號宇宙飛船時，最早采用了水星-紅石運載火箭進行了載人亞軌道試驗，這種火箭由"紅石"導彈發(fā)展而來，采用NA-75-110-A7液氧/酒精發(fā)動機，推力347千牛，它曾成功地將美國第一顆人造地球衛(wèi)星送入太空，也具備把水星號送入軌道的能力，但是這種火箭達不到絕對安全可靠的要求和足夠的性能裕量。真正把美國人送入地球軌道的是"水星--宇宙神"運載火箭。

　　宇宙神D型火箭，是在宇宙神D型洲際導彈基礎上改裝而成的，是一種單級運載火箭。"水星--宇宙神"火箭在宇宙神D上再進行了一些改進。火箭全長29.07米，最大直徑4.876米，起飛質量117.93噸，起飛推力1610.26千牛。火箭由中心一子級和尾段的助推器組成，中心級包括貯箱和主發(fā)動機。貯箱前面的截錐形對接段將飛船和火箭連成一個整體。貯箱兩側的上、下兩個儀器艙中安裝制導、控制和電子裝置。助推器的兩臺助推發(fā)動機借助可分離的機械系統(tǒng)安裝在一子級推力環(huán)上，外邊用錐形整流罩保護。助推發(fā)動機完成飛行任務后與尾段一起沿縱向與一子級分離。

　　基礎級火箭長20.52米，芯級直徑3.05米，結構質量7.854噸，推進系統(tǒng)采用MA-2發(fā)動機系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩臺助推發(fā)動機、一臺主發(fā)動機、兩臺游動發(fā)動機組成。5臺發(fā)動機均由萬向支架支撐，可進行擺動以控制火箭飛行姿態(tài)。助推發(fā)動機為LR-89-NA5液氧/煤油發(fā)動機，推力共1334.47千牛，燃燒時間145s，發(fā)動機可沿俯仰和偏航方向擺動，以保持火箭飛行穩(wěn)定。主發(fā)動機為LR-105-NA3發(fā)動機，地面推力為266.89千牛，燃燒時間280秒。兩臺游動發(fā)動機LR-101，每臺推力約4.448千牛。在整個飛行階段他們提供滾動控制力。燃燒時間約為280秒。

　　宇宙神D火箭的飛行軌道由兩套互相關聯的系統(tǒng)進行制導和控制：即無線電-慣性混合制導系統(tǒng)和自動駕駛儀飛行控制系統(tǒng)。這型火箭共飛行了18次，失敗了6次，成功率僅有67%。

　　水星號和東方號都屬于早期的載人航天器，設計目的僅僅是為了證實人類可以進入太空而且安全的返回。這些飛船結構比較簡單，留空時間短，計算機系統(tǒng)也僅限于最基本的設備。飛船的可靠性不高，在幾次飛行中出現了這樣那樣的事故。更重要的是，很多早期發(fā)射并不是由于技術發(fā)展水到渠成，而是出于政治原因的需要倉促間飛上天的，美國的水星號就是如此，相對于東方號，它更加簡陋，大多數性能指標都遠遠落后。蘇聯后來的上升號飛船也是如此，為了搶在美國人前面發(fā)射多人的飛船，竟然連救生設施和航天服都取消掉了。盡管如此，這些早期發(fā)射還是取得了重大的成就，蘇聯宇航員列昂諾夫在太空中走出了上升2號的座艙，成為第一個進行太空行走的地球人。隨后，美國人設計出了全新的完善的雙子座飛船和大力神運載火箭，蘇聯制造了聯盟飛船和運載火箭。幾年后，巨大的火星Ⅴ火箭將阿波羅11號飛船送上了月球。如今，兩國在載人航天領域都取得了長足的進步，分別以大型空間站和航天飛機為標志，代表了當今世界最先進的航天技術。

　　1992年1月，經過反復論證，我國的載人航天工程也正式上馬。通過技術經濟可行性的分析，最后決定采用宇宙飛船而不是航天飛機作為天地往返運輸工具。這主要是因為，航天飛機的技術極為復雜，質量也大大增加。為了保證氣動力控制有效，飛行器必須配備尾翼、機翼、空氣動力舵和空氣動力舵的專用運動控制系統(tǒng)。為了在跑道上無沖擊的著陸和減速，必須被有帶減震裝置的收放式起落架、制動系統(tǒng)和在著陸滑跑時沿跑道運動的控制系統(tǒng)。從而大大增加了他的設計、制造成本。當然，航天飛機的好處很明顯，它可以在大氣層中下降時完成較大的起動機動飛行，下降過程平穩(wěn)，過載小，精度高，已與控制，更重要的是，航天飛機屬于重復使用的飛行器，使用成本要低于飛船，使用越多，成本越低。但是，與航天飛機相關的各種航空技術正是我國的弱項，而對于彈道式再入的宇宙飛船，我們有返回式衛(wèi)星的足夠的技術基礎。除了技術上的原因，由于我國的載人航天工程只是出于技術上積累的需要，而不是像美俄一樣有一整套的太空開發(fā)計劃，我國的國力也不可能支持這樣龐大的太空計劃，所以不需要像美蘇一樣頻繁載人航天發(fā)射，這使得航天飛機低成本的優(yōu)勢無法顯示出來。因此，研制載人飛船在技術上和經濟上都成為最好的選擇。

　　在神舟號飛船的設計中，引進了聯盟TM17飛船，這使得神舟的外觀和聯盟看起來十分相似。和聯盟TM飛船相同，神舟采用3艙段結構，從上向下依次是軌道艙、返回艙、推進艙。軌道艙是宇航員在太空中生活和工作的艙室，也是外觀上神舟飛船和聯盟TM差別對大的艙段。軌道艙高3米，呈圓柱形，兩邊用錐形密封。上方裝有雷達天線，用于空間對接，在返回艙返回后，可以留軌作為空間實驗室，由側面的太陽電池陣提供能源，而聯盟飛船的軌道艙呈球形，也沒有側面太陽電池陣，在返回艙返回后即廢棄了。返回艙內裝有宇航員座椅，各種儀表。返回艙由鈦框組件、側壁結構、密封大底和防熱大底四大部件組成。其中側壁結構內層采用鋁合金焊接的承力密封結構，外層為防熱結構，兩層膠接在一起。密封大底由金屬承力結構、內外蒙皮、端框、反推發(fā)動機組成。防熱大底在飛船載入大氣層后，距地面10公里的高空被整體拋掉。這些設計特性，都與聯盟TM類似。但是神舟飛船在體積上要比聯盟飛船大13%，船內裝有先進的GNC系統(tǒng)，神舟飛船內裝有完善的設備儀器，稍加改裝就可以完成對接任務或者作為貨運飛船往返于地面與太空站之間，同時，神舟飛船的結構也比聯盟飛船復雜，光密封接口就多達200多處，遠多于聯盟。原因在于神舟是一型起點很高的試驗飛船，他需要在有限的發(fā)射次數內驗證多種技術的可能性。

　　用于發(fā)射神舟飛船的是在長征2E基礎上全新設計的長征2F運載火箭。火箭全長58.343m，起飛質量479.8t，芯級直徑3.35m，助推器直徑2.25m，整流罩最大直徑3.8m。火箭的芯級和助推器發(fā)動機均使用四氧化二氮和偏二甲肼作為推進劑。它可把8t重的有效載荷送入近地點高度200km、遠地點高度350km、傾角42.4°～42.7°的軌道。它在長征-2E基礎上增加了2個新系統(tǒng)，即逃逸系統(tǒng)和故障檢測處理系統(tǒng)，以保證載人航天的安全性。芯級第一級發(fā)動機代號為DaFY10-1，由4臺單機DaFY11-1通過機架并聯組成。芯級第二級發(fā)動機代號為DaFY20-2，由主機DaFY21-2及游動發(fā)動機DaFY22-1通過機架并聯組成主機采用大噴管，游機采用短噴管(再生冷卻方式)。助推器發(fā)動機的代號為DaFY5-2。其中DaFY10-1是新研制的，而DaFY21-2有DaFY5-2由YF20B發(fā)展而來曾經作為長征2E，長征3B的助推火箭使用。逃逸系統(tǒng)與聯盟火箭十分相似，由逃逸塔、上部整流罩、柵格翼及其釋放裝置、上支撐機構、下支撐機構和滅火裝置組成。逃逸系統(tǒng)的動力裝置由逃逸主發(fā)動機、分離發(fā)動機、偏航俯仰發(fā)動機、高空逃逸發(fā)動機和高空分離發(fā)動機組成，其中逃逸主發(fā)動機、分離發(fā)動機、偏航俯仰發(fā)動機和配重段、尾裙儀器組成逃逸塔。在逃逸系統(tǒng)的工作范圍(起飛至整流罩分離)內，逃逸模式分為兩種，即有塔逃逸模式(模式Ⅰ)和無塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式Ⅰ適用于火箭飛行0～120s，模式Ⅱ適用于火箭飛行120～200.87s。在模式Ⅰ中，60s之前火箭發(fā)動機不關機，60s之后火箭發(fā)動機關機。火箭制導系統(tǒng)采用平臺(捷聯)-計算機方案。為了提高可靠性，采用以平臺為主、故障時切換到捷聯慣組的工作方式。計算機上實現了部件冗余，增加了冗余管理，采用CPU、A/D和D/A三冗余。姿態(tài)控制系統(tǒng)采用姿態(tài)角-姿態(tài)角速率-數字網絡-搖擺發(fā)動機方案。為了提高可靠性采取了以下冗余措施：相敏檢波濾波裝置、箭載計算機A/D變換采用三冗余，按2／1表決方式進行工作；箭載計算機D/A、綜合放大器與伺服機構伺服閥前置級、反饋電位計均采用三冗余。故障檢測處理系統(tǒng)有兩個主要任務，一是檢測火箭的重要參數，判斷火箭故障，出現故障時向有關系統(tǒng)發(fā)出逃逸指令和中止飛行指令；二是逃逸時完成逃逸飛行器的時序控制和火工品配電。其箭上設備包括故障檢測處理器、指令控制器、逃逸程序控制器、火工品配電器和電池。故障檢測參數分別由遙測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提供，它包括姿態(tài)角偏差、箭體角速率、軸向過載、逃逸塔分離信號、助推器分離信號、整流罩橫縱向分離信號和平臺切換信號等。

　　由此可見，神舟--長征2F系統(tǒng)與美俄首次載人發(fā)射的倉促和簡陋不同，神舟飛船基本代表了上個世紀90年代的世界先進水平，他參考了目前世界上最成熟的飛船技術，是一種技術先進、設備完善的、功能強大的載人飛行器。而長征2F運載火箭是在現有的、執(zhí)行過多次發(fā)射任務、且有著良好的安全紀錄的長征2E火箭上發(fā)展而來，技術成熟可靠。再加上有前4次成功的無人飛行試驗所積累的經驗，我們完全有理由相信，神舟5號將能夠以完美的表現，幫助國人實現飛天的夢想。(沈凌/文)  　　
 
 
 
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