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万博士的航空讲堂(15) 三十六、载人航天活动 载人航天一直以来都是民众最为关注的航空航天活动，它代表了人类的综合科技水平，也代表着一个国家的综合国力人类成功实现载人航天飞行以来，航天技术的进步给大众一次次兴奋，但也有因为失败的惋惜而不论成功与失败，这些惊天壮举都值得世人感动和缅怀本文从几个方面对人类的载人航天壮举做一归纳 1. 载人航天器 载人航天器主要包括载人飞船、航天飞机和空间站 载人飞船又称宇宙飞船按照运行方式的不同，分为卫星式载人飞船和登月载人飞船两类美国、苏联/俄罗斯和中国是目前成功发射过载人飞船的三个国家这些飞船都为人类的载人航天做出了突出的贡献，其中最令人震撼的要属美国的“阿波罗”登月飞船（图1） 航天飞机是世界上第一种也是唯一一种可重复使用的多用途载人航天器它采用火箭发射升空，返回地球后通过滑翔方式在跑道上着陆由于航天飞机返回地面是无动力滑翔水平着陆，因此必须一次成功，这无疑增加了着陆难度目前，只有美国使用过航天飞机（图2），并进行了长达30年的运行2011年美国的航天飞机正式退役 空间站是航天员在太空轨道上生活和工作的基地，又称轨道站或航天站。

空间站一般采用模块化设计，分段送入轨道组装空间站发射时不载人，也不载人返回地面，航天员和货物的运送由飞船或航天飞机完成最令人瞩目的空间站，是由美国、苏联、日本等十几个国家共同发展的国际空间站（图3）从1998年11月发射第一个部件开始，国际空间站已经为多国航天员提供了太空居住和工作的平台，到目前为至，还在不断完善和扩充 2. 各国的载人航天活动 苏联/俄罗斯和美国开拓了全世界载人航天活动的先河这两个国家的载人航天是在相互竞争的基础上交替发展的他们通过发展载人飞船、试验性空间站、航天飞机和长期载人空间站，掌握了人在太空环境中生活和工作的技术，并利用宇宙空间的特殊环境进行了大量的科学研究和应用试验，取得了很多有价值的成果和经验，展示了载人航天的应用潜力苏美的首次载人航天发射对人类航天具有深远影响然而，人类载人航天的道路并不平坦，除了有成功之外，也有不少失败，包括导致航天员牺牲的惨痛失败最为严重的是1960年10月24日，苏联拜科努尔航天中心火箭发射爆炸事故造成了包括宇航员在内的近百人死亡，发射塔毁坏但这些失败也使得载人航天技术更加完善 （1）苏联/俄罗斯 苏联是世界上第一个将航天员成功送上太空的国家。

苏联成功发展和应用了载人飞船、空间站，也发展了“暴风雪”号航天飞机但后来由于经济不景气“暴风雪”号项目被迫终止，只进行了1次无人试验飞行，非常遗憾 苏联一直把载人航天计划作为整个航天计划的重要组成部分按照循序渐进、逐步提高的原则，逐渐形成了较为完善的载人航天体系，并在人类载人航天事业发展初期取得了载人航天方面的世界领先地位 1961年4月12日，加加林乘坐世界上第一艘载人飞船——“东方”1号飞船，从拜克努尔航天发射场起飞，在绕地球一圈后（停留了108分钟），采用降落伞在萨拉托夫附近降落，从此拉开了人类载人航天的序幕为确保首次载人飞行的成功，苏联在1960年至1961年间进行了7次“卫星式飞船”试验——实际上是不载人的“东方”号飞船除首次飞行不载动物外，其余的飞行都载有狗和其他动物，以取得生命有机体在失重环境中的数据，为后来的载人飞行积累了非常宝贵的经验 “东方”号（图4）是苏联发展的早期载人飞船，此后还发展了“上升”号飞船、“联盟”号飞船（图5）在1965年3月发射的“上升”2号飞船上，航天员阿列克谢列昂诺夫完成了人类的首次太空行走联盟”号飞船及其改进型是世界上发射数量最多的一种飞船。

该系列飞船自1967年4月发射入轨至今仍在使用，为苏联/俄罗斯及其它国家的航天员进入太空发挥了重大作用联盟”号还搭载过太空游客去国际空间站旅行 在载人飞船取得成功后，苏联在20世纪70年代适时调整其载人活动重点，将建造载人空间站作为其载人航天活动的目标空间站是一种能在轨道上长期运行、具有一定科学技术试验能力或生产能力的有人居住航天器苏联空间站的发展历程分为：试验性空间站、简易空间站、永久性载人空间站 苏联先后发射了“礼炮”系列空间站（图6）及人类历史上的第一个永久性载人空间站——“和平”号空间站（图7）和平”号在服役14年后，于2001年3月坠入地球大气层和平”号空间站创下了多个世界之最：在太空工作时间最长、超期服役时间最长、工作效率最高、接待各国宇航员最多俄罗斯宇航员波利亚科夫则创造了单人连续在太空飞行438天的最高纪录和平”号还与美国的几艘航天飞机进行过空中对接苏联/俄罗斯为国际空间站的发展做出了非常重要的作用 （2）美国 美国的载人航天技术是在高度自动化的卫星和智能机器人能否代替载人航天的争议中迅速发展起来的美国的第一代载人飞船采用了保守的研制方法：从无人、载动物到载人，从亚轨道到近地轨道循序渐进实施。

1962年2月20日，美国宇航员约翰格林乘坐“水星”6号载人飞船从卡纳维拉尔角发射场起飞，成功实现了美国的首次载人航天飞行，在轨飞行3圈为确保这次载人飞行的成功，美国在1960年至1962年间进行了多次“水星”号飞船试验，均为无人或载有动物的飞行1961年5月美国还进行了首次载人亚轨道飞行 在载人飞船方面，美国先后发展了“水星”系列飞船（图8）、“双子星座”系列飞船（图9）以及“阿波罗”系列登月飞船 在完成“阿波罗”载人登月飞船后，美国还利用“阿波罗”计划剩余的运载火箭和载人飞船作为运输系统，将“土星”5号运载火箭的末级改装成了美国第一个试验性空间站——“天空实验室”（图10），于1973年5月发射成功此后与后续的“阿波罗”飞船对接，共接待过3批航天员之后，美国没有再发展空间站，转而进行航天飞机的研制（图11、图12）1975年7月，美国的“阿波罗”18号飞船与苏联“联盟”10号飞船在地球轨道上对接，开创了国际太空飞行合作之先河 美国先后研制过6艘航天飞机，分别是“企业”号、“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“阿特兰蒂斯”号和“奋进”号企业”号没有进入过太空，主要用于完成一些关键性试验；其他5艘都投入过使用，执行过多次飞行任务，包括对“哈勃”望远镜进行太空维修。

可惜“挑战者”号发射时失事、“哥伦比亚”号返回过程中失事，分别造成7名宇航员牺牲其他3艘航天飞机也已于2011年退役美国的航天飞机计划，从1981年“哥伦比亚”号首次成功飞行，到2011年“亚特兰蒂斯”最后一次成功飞行，共进行了130多次飞行 此后，美国的载人航天飞行需要通过租用俄罗斯的“联盟号”飞船或美国的商业飞船——“龙”飞船（图13）进行 “龙”飞船是由美国的民间公司——太空探索技术公司牵头研发的商用太空飞船2012年5月22日，“龙”号飞船成功发射，与国际空间站成功对接后顺利返回地球这次飞行也是航天飞机退役后，美国首次向国际空间站运送物资，开启了私营企业进入载人航天领域的新时代 （3）中国 我国的载人航天计划于1992年正式启动，到目前为止已经发射了9艘飞船（其中4艘载人），1个空间站初期目标是将航天员送入太空；远期则包括建立永久空间站以及月球探索相对于美国和俄罗斯来说，我们才刚刚起步，正在向应用性研究方面发展 中国载人航天计划的第一步是进入太空，进入太空的轨道飞行器被命名为“神舟”号飞船（图14）神舟”1号于1999年11月21日发射迄今，“神舟”号飞船共进行过9次发射。

其中“神舟”五号飞船之前的4次发射及“神舟”八号飞船的发射为无人发射 “神舟”五号于2003年10月15日在酒泉发射场发射，将航天员杨利伟送入太空神舟”五号在离地343公里的圆轨道绕地14圈，历时23小时，标志着中国已成为世界上继俄罗斯和美国之后第三个能够独立开展载人航天活动的国家（图15） “神舟”六号于2005年10月12日发射，将费俊龙、聂海胜送入指定轨道，在太空中停留5天后于10月16日返回地球 “神舟”七号在2008年9月25日发射升空，将翟志刚、刘伯明和景海鹏送入指定轨道27日，翟志刚在刘伯明的辅助下进行了19分35秒的出舱活动（图16）中国随之成为世界上第3个掌握空间出舱活动技术的国家 “天宫”一号是我国目前最大、最重的轨道飞行航天器，于2011年9月29日发射升空，使用寿命为2年作为其他飞行器的接合点，“天宫”一号是我国空间实验室的雏形目前，“天宫”一号已经完成了与“神舟”八号和九号的对接（图17），在2013年完成和“神舟”十号的对接后将退役 “神舟”八号为无人飞行器，是中国神舟系列飞船进入批量生产的代表，于2011年11月1日发射升空。

升空后，“神八”经过一段时间的调整，与此前发射的“天宫”一号成功实现了两次交会对接这为 “天宫”一号与后续的“神舟”飞船对接构成中国首个空间实验室奠定了基础 “神舟”九号于2012年6月16日，将三名航天员景海鹏、刘洋、刘旺顺利升空，成功地和“天宫”一号进行了自动和手动对接，航天员顺利进入“天宫”一号，并在其中驻留6天这意味着，中国完整掌握了空间交会对接技术，具备了以不同对接方式向在轨飞行器进行人员输送和物资补给的能力 3. 亚轨道飞行 亚轨道飞行是指在距地球35～300千米高空的飞行，仍然会受到地球引力的牵引，但在一定时间内可以体验到失重的感觉300千米以上的飞行就被认为是轨道飞行，国际空间站的运行轨道为400千米左右亚轨道飞行与轨道飞行的最大区别在于亚轨道飞行不能环绕地球一周 亚轨道飞行主要用于弹道导弹与太空旅游弹道导弹由于需要落回地面，因此使用亚轨道，故亚轨道又被称为弹道轨道；而太空旅游为了节约成本，减少发射时燃烧的燃料，也使用亚轨道飞行 1961年5月5日，美国的“水星”3号飞船升空这是美国首次发射载人飞船到太空飞行，也是人类的第一次亚轨道飞行。

近年来，最为著名和成功的亚轨道飞行器要算美国Scaled Composites公司制造的“太空船一号”（实际上算飞机，图18）该飞机使用“混合式固体火箭引擎”，2004年6月首飞成功，此后还成功地进行了载人飞行太空船一号”和航天飞机不同，由一架“白色骑士”飞机（图19）载上15000米左右高空后，其火箭发动机点火工作；80秒后飞行速度达到3倍声速，发动机熄火，“太空船一号”利用惯性飞行上升到100多千米的顶点；然后下落，再入大气层，在大气层中滑翔；最后在机场水平着陆，完成载人亚轨道飞行在整个飞行期间，“太空船一号”大约有200秒钟处于失重状态其运行轨迹示意图如图20所示 三十七、人造地球卫星与空间探测器 1. 人造地球卫星 人造地球卫星是指环绕地球在空间轨道上运行（至少一圈）的无人航天器，其基本按照天体力学规律绕地球运动，是发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器 （1）各国发射人造地球卫星的概况 据报道，自1957年苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星以来，截至2005年，人类发射了5000多颗航天器，其中90%以上是人造地球卫星当时在地球轨道运行的人造地球卫星共800多颗：美国400颗多颗，俄罗斯100颗左右；我国只有30多颗；欧洲国家共有70颗左右；日本有30颗左右；印度有10多颗。

从拥有的总量来看（包括在轨运行的和已经退役不在轨运行的），截至2009年，俄罗斯拥有3000多颗，美国近200。