人类向太空进军的历程纲要

祭天金人
2018-03-13 04:45:55

去年在Barnes & Noble买了这本介绍人类航天史的新书,作者Ted Spitzmiller是洛斯阿拉莫斯实验室的退休飞行员和飞行教员。这本600页的书从18世纪的热气球实验和19世纪凡尔纳的科幻小说写起,一直到最新的航天时代,重点介绍了冷战时候的空间竞赛,以及空间竞赛之后的空间站、航天飞机时代,并粗略展望了未来。总体来说,这是一本不错的人类航天简史。

少给的一星是因为本书某些事件的史料略显简略,另外作者文笔一般,讲述故事平铺直述呈流水账形态。虽然说是人类航天简史,但是主要按照美国航天发展的节奏来记叙,在美国航天里穿插苏联航天工程并且写得比较简略,让我初读的时候并不能理清苏联航天的进程。

作为一个契机,我花了近一周的时间整理了一下人类航天史的纲要,分为早期先驱、V2火箭、苏联Sputnik人造卫星计划、苏联东方计划载人工程、美国水星计划、苏联上升计划、美国双子座计划、阿波罗登月计划、苏联联盟计划、空间站计划、航天飞机计划、当代火箭等等部分。内容依旧在修改和完善,以下是初稿,先贴在豆瓣:

一、早期先驱

热气球和瑞士皮卡尔兄弟的高空探测代表了高空探索的早期努力,法国人凡尔纳的科幻小说《从

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去年在Barnes & Noble买了这本介绍人类航天史的新书,作者Ted Spitzmiller是洛斯阿拉莫斯实验室的退休飞行员和飞行教员。这本600页的书从18世纪的热气球实验和19世纪凡尔纳的科幻小说写起,一直到最新的航天时代,重点介绍了冷战时候的空间竞赛,以及空间竞赛之后的空间站、航天飞机时代,并粗略展望了未来。总体来说,这是一本不错的人类航天简史。

少给的一星是因为本书某些事件的史料略显简略,另外作者文笔一般,讲述故事平铺直述呈流水账形态。虽然说是人类航天简史,但是主要按照美国航天发展的节奏来记叙,在美国航天里穿插苏联航天工程并且写得比较简略,让我初读的时候并不能理清苏联航天的进程。

作为一个契机,我花了近一周的时间整理了一下人类航天史的纲要,分为早期先驱、V2火箭、苏联Sputnik人造卫星计划、苏联东方计划载人工程、美国水星计划、苏联上升计划、美国双子座计划、阿波罗登月计划、苏联联盟计划、空间站计划、航天飞机计划、当代火箭等等部分。内容依旧在修改和完善,以下是初稿,先贴在豆瓣:

一、早期先驱

热气球和瑞士皮卡尔兄弟的高空探测代表了高空探索的早期努力,法国人凡尔纳的科幻小说《从地球到月球》和《环绕月球》激发了不少人对冲出地球的渴望。更正式地,俄国的齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky,1857—1935)、美国的戈达德(Robert H. Goddard,1882—1945)和奥匈帝国出生的德国人奥伯特(Hermann Oberth,1894—1989)是人类航天历史上三位先驱人物。这三位人物里,齐奥尔科夫斯基的时代最早,身为中学教师的他被凡尔纳小说激发了幻想,从19世纪开始就一直研究火箭理论和航天科学,提出了以液氢和液氧为燃料、利用反冲原理克服地球重力飞离地球的多级火箭系统,并提出了关于速度和火箭质量的著名的齐奥尔科夫斯基公式。在科学派系林立的今天看来,一生在莫斯科西南200公里处的一所小木屋里度过的齐奥尔科夫斯基很像是一个独立于科学主流团体之外的民科,然而那是一个民科就可以开创未来的时代。齐奥尔科夫斯基到70多岁还笔耕不辍,被苏联的航天人员推崇备至,而他的书也被翻译到欧洲,然而究竟多大程度影响了欧洲的航天技术这就不得而知了。

民科齐奥尔科夫斯基是一个从未制造过火箭的“笔尖”理论家,而制造现代火箭的鼻祖来自美国这个发明飞机的国度。Goddard原本是一位学院派的老师,而对火箭的热爱让他搬到了新墨西哥的荒蛮之地。美国为了纪念他,后来用他的名字命名了NASA的总部。Goddard独立于齐奥尔科夫斯基研究火箭理论,并在1923年成功测试了液体燃料(液氧和液氢)发动机,1926年制造出世界上第一枚液体燃料火箭。这枚火箭向上飞行了12.5米,随后到1941年Goddard一共进行了34次火箭发射实验,最好飞行记录是1937年到达的2.7公里,但是此时Goddard已经被德国后起之秀超越了。Goddard虽然起步很早,但是他的火箭技术水平一直逡巡不前,在30年代后被德国人超过,所以总的来说Goddard对人类火箭技术和航天事业并没有起到决定性作用。在二战中,Goddard也没有能够为美国军方发展火箭技术。当Goddard了解了德国火箭后,还愤愤不平以为德国剽窃了自己的技术,事实上德国人的火箭是独立发明的。

从现在看来,人类航天业的直接祖师是德国的奥伯特Oberth。这倒不是说奥伯特要比之前的两位航天先驱要更为聪明,这只是说人类航天事业直接缘起于德国,而奥伯特恰好对德国火箭事业起到了极大的推动作用。1927年在奥伯特的著作和工作影响下成立的德国火箭业余团体“宇宙航行学会”(Verein für Raumschiffahrt)催生出冯布劳恩这样的年轻火箭人才,而这些人才最终为纳粹德国制造出当时最顶尖的弹道导弹武器——V2火箭。当代一切火箭技术的渊源,便是V2火箭。奥伯特一直活到1989年,亲眼目睹了上世纪航天高潮期的一切成就。

二,V2火箭

德国军方研制的Aggregat火箭特别是V2火箭是现代一切火箭的直接鼻祖。

奥伯特为首的民间火箭团体“宇宙航行协会”很快让位于德国军方的火箭研究。德国在第一次世界大战曾研发出了巨型大炮“巴黎大炮”,一战后德国被协约国限制了大炮的研究,只能另辟蹊径研究其它远程武器。1933年纳粹党上台,很快就表现出对于火箭作为攻击武器的极大兴趣,而冯布劳恩Von Braun这个21岁的青年随后被德国陆军和多恩伯格(Walter Dornberger)的火箭部门吸收成为德军火箭科研人员,并在随后的德国火箭研发历史上起到了核心作用。

1934年Von Braun关于火箭燃烧的研究获得柏林大学博士学位,然而他的博士论文仅仅公开了他研究的一小部分,而很多工作已经被德国军方设置为军事机密。1933年,Von Braun负责研制了Aggregat第一代火箭,简称A1火箭,长1.4米,推动力2.9 千牛,以液体乙醇与液态氧为燃料推进剂,并安装了陀螺装置来保证火箭的稳定。然而这枚火箭的性能并不佳,最终实验失败。值得一提的是,A1火箭的发动机的设计师是Arthur Rudolph,布劳恩和鲁道夫由此展开了近40年的合作,直到阿波罗登月的土星五号火箭。

Von Braun在1934年负责研制 了Aggregat第二代,也就是A2火箭。A2火箭长1.6米,推动力3千牛,陀螺仪装置被安装在液态氧和乙醇容器之间 。两枚A2火箭的飞行高度是2.2 千米和3.5千米,其中第二枚已经超过了Goddard在3年后创造的最好成绩。

鉴于A2火箭的成功,第三代A3火箭的研究也在1935年被提上了日程。A3火箭长6.74米,发动机推动力14.7千牛,采用了惯性导航系统和三陀螺稳定装置,最大飞行高度18公里,飞行距离12公里。可惜到1937年为止,A3多次的试射表明A3的惯性导航系统有着缺陷,导致其试验多次失败。一种改良的火箭被重新设计出来,即A5火箭。A5火箭比A3火箭略小,并加入了新的控制系统。小型的A5火箭也是为了更大的A4火箭进行各种测试。

A4火箭成为了Von Braun及其团队最重要的军事贡献。在吸收了A3的失败和改良A5的数据后,一种更大型的火箭被研制了出来,而其大功力发动机的主要贡献者是Walter Thiel(此人在1943年全家死于轰炸)。1942年A4火箭正式研制成功,随后批量生产。A4火箭长大约14米,离地推动力27000 kgf,长程攻击最大飞行高度88公里,飞行距离320公里。1944年A4火箭被宣传部长葛培尔称为“复仇者二代”(V2),在9月攻击伦敦后开始扬名于世。到二战结束德国大约制造了6000枚V2火箭,而犹太人劳动力成为了生产火箭的主要劳动力,这也是Von Braun等人在战后经常被提到的战争罪行。一共有3225枚V2火箭被发射,对西方同盟国各种城市进行了攻击,其中攻击伦敦的大约1400枚V2一共造成了2700多平民死亡,6000多人受伤,平均一枚V2杀死两名英国人。由此看来,V2起到了鸡肋的作用,对战争没有本质影响。

虽然如此,但是V2火箭的前景还是不可估量的。德国曾经计划研制A6到A10等一系列威力更大的火箭,却因为种种原因没有继续下去。战争结束后,德国的V2技术成为了战胜国特别是美国、苏联和英国迫切想得到的。美军的“回形针行动”把超过1600名德国科学家、工程师和技工带到了美国,其中最著名的便是德国航天之父奥柏特,火箭项目负责人Walter Dornberger,还有V2火箭的直接负责人Von Braun和他的团队。Von Braun的团队对于美国火箭航天立下了汗马功劳。曾经是纳粹党党卫军的Von Braun被美国免去了战争罪行的追查,开始全力帮美国试射V2火箭。在战争中,为了回应德国的V2火箭,美国曾经推出了Hermes火箭工程,但是并不成功(Goddard不给力?)。在得到德国技术后,Hermes计划开始推出其火箭产品。加州的空气动力实验室JPL也开始研制火箭理论理论,通用电气和道格拉斯公司采用V2技术开始研究二级火箭Bumper系列。美国的导弹研发从此步入正轨。

苏联在1946年展开的Osoaviakhim行动把超过2000名德国研究人员和技师带回苏联,包括了火箭专家Helmut Gröttrup。Gröttrup和Von Braun有个人过节,他需要通过苏联来证明自己的能力,从而和Von Braun匹敌。苏联的火箭项目负责人是曾在斯大林大清洗中锒铛入狱多年的科罗廖夫(Sergei Korolev)。在Gröttrup的帮助下,Korolev等人研制出了V2的复制品R1火箭, 射程270公里。和美国启用德国人不同,在Korolev等苏联火箭专家掌握了V2火箭技术后,Gröttrup等德国人于1953年被遣返回东德。顺便一提,R1火箭的改良版本R2火箭于1951年投入使用,后来R2被赫鲁晓夫赠送给中国,中国通过复制R2于1960年研发出自己的第一代导弹东风1号。东风1号开启了中国自己的火箭和航天时代。

三,开启航天时代——苏联史普尼克(Sputnik)系列任务

随着冷战开始,苏联成功研制出原子弹和氢弹后,苏美两国开始走向空间竞赛。

R7火箭是苏联R系列火箭系列中的一员,于1953年开始研发,主要设计负责人是Korolev,1959年通过测试。火箭采用了捆绑式结构,在34米的主火箭周围捆绑了4根助推火箭。火箭采用液氧和煤油作为推进剂,发动机的设计者是苏联著名的火箭发动机专家格卢什科(Valentin Glushko)。一级火箭的每根火箭由四个RD-107或者RD-108发动机推动(一共20个喷嘴)外加辅助发动机,推力为970.86 kN×4基 = 3,883.4 kN。 二级火箭也由RD-108发动机推动。火箭射程为8千8百公里,是世界上第一种洲际导弹(ICBM)。可惜的是,液体燃料的洲际导弹由于需要燃料必须低温贮藏,发射前准备时间长之类的种种缺点,使得R7并不能成为实战意义上的洲际导弹。

失之东隅,收之桑榆。拙劣的洲际导弹R7火箭却被证实是很好的航天运载火箭,改进的R7不但开启了苏联的航天时代,也开辟了人类历史上的新纪元。而神奇的R7火箭系列也被使用超过了半个世纪,直到今天。

第一个被改进的R7系列,就是史普尼克Sputnik运载火箭。Sputnik在俄语中是卫星的意思,其本意是旅行者。Sputnik火箭被原版R7略矮一些,苏联最初的计划是由Sputnik运载火箭把1000-1400 公斤的人造卫星送到地球近地轨道(即LEO业载量1000-1400 kg)。然而一开始就运载一顿的人造卫星具有相当难度,在苏美竞争下紧迫的时间下(苏美竞争下的),苏联把计划中的卫星改进到83.6公斤,并于1957年10月4日成功发射,成功向苏联的接收站发回了无线电信号。这就是Sputnik一号卫星,它的成功发射在西方特别是美国造成了极大的惶恐和不安,苏美太空竞赛就此展开。

Sputnik二号卫星重500公斤,于一个月后1957年11月3日发射。一只名叫莱卡的狗被安置在Sputnik二号里,成为了历史上的第一个太空生物。可惜的是人造卫星在进入太空后温度过高,莱卡只存活了4个小时就中暑死亡。

随着火箭业载量不断改良,重1.3顿的Sputnik三号卫星于1958年5月15日发射进入太空。这颗人造卫星的造型非常像后来美国水星计划的飞船。Sputnik运载卫星随着Sputnik III基本结束,此时美国也已经有数颗人造卫星,而Korolev为代表的苏联航天又开始和美国竞争载人工程了。

四、美国的“Sputnik危机”和人造卫星

率先研制出原子弹的美国对自己的军事技术曾经非常自信,并不紧不慢地开展人造卫星计划。Sputnik一号卫星的发射证明了苏联在航天技术上已经超越了美国,所以这条新闻震撼了美国,美国从怀疑苏联造假开始,最终全方面反思自己的教育制度和科学技术,并开始在空间技术上奋起直追苏联,这就是所谓的“Sputnik危机”。

在Sputnik一号卫星之前,美国的陆军、海军和空军都有自己独立的火箭研究项目。Von Braun这时候在替陆军干活,为陆军研制出“红石火箭”,他早在1954年就提出了利用改良的红石火箭发射人造卫星的计划,然而并没有受到美国高层的重视。当时的美国高层更青睐于海军的火箭项目,即所谓的Vanguard Project。Vanguard火箭的负责人,是美国天文学家John P. Hagen。当1957年苏联Sputnik一号和二号卫星上天后,美国首选的对策是利用海军Vanguard火箭发射一个1公斤左右的卫星,这样轻便的卫星和Sputnik II的500公斤卫星相差甚远,更糟糕的是,1957年12月6日,Vanguard火箭在美国公众的瞩目和期待中,一发射发动机就出问题,火箭爆炸,发射失败。

为了挽回美国的颜面,Von Braun负责的陆军火箭项目挑起危机公关的责任。终于,在1958年1月的最后一天,陆军利用红石火箭的改良版Juno一号(书中错误地说成木星C)火箭向太空发射了一颗重13.97公斤的人造卫星——探险者一号,这就是美国的第一颗人造卫星。虽然探险者一号的质量不到苏联Sputnik一号的五分之一,但是西方媒体开始大张旗鼓宣扬起来。Von Braun等人是幸运的,他们做到了开门红,但是随后在同一年里,他们又使用朱诺一号火箭发射了探险者二号、三号、四号、五号,质量大都在15公斤上下,却全部都失败了。1958年这一年,已经失败了两次的Vanguard计划终于发射了一颗卫星,空军研制的Atlas洲际导弹(擎天神 ,也叫宇宙神)也作为运载火箭发射了世界上第一颗通讯卫星SCORE,重量为68公斤,接近Sputnik一号的质量。

1958年是航天史上热闹的一年。也在同一年,美国宇航局NASA成立,军方的火箭项目部分移入NASA,从此军方研制军事导弹,而NASA则负责民用的航天技术研发。这年的年底,新成立的NASA宣布开启载人航天计划,这便是著名的水星计划(Project Mercury)。

五、苏联载人航天的东方计划,加加林和其他人

为了应对美国的水星计划,苏联开启了名为东方计划(Vostok)的载人航天工程。在这个阶段里,苏联的航天技术依旧高于美国。

为了载人航天,除了千挑万选航天员外,准备工作紧锣密鼓地展开。Korolev负责设计出一种单人乘坐的飞船Vostok,名称可能是为了纪念19世纪早期发现和探险南极的俄国海军探险家von Bellingshausen。运载Vostok的R7火箭,要比运载Sputnik卫星的R7需要有更大的承载力。一系列测试飞行如下:

Korabl-Sputnik 一号于1960年5月15日发射,Korabl是俄语“船”的意思,这次任务被西方称为Sputnik 4,以为是之前卫星任务的延续。这次任务运载了1.5顿的飞船,初始发射成功,但是飞船进入比预定更高的轨道,最终未能安全返回地球。

Korabl-Sputnik二号是一次划时代的成功任务。飞船重量达到4.6吨,搭载了两只狗Belka和Strelka和其它一些动植物,于1960年8月19日发射,并于次日成功返回地球,所有动物都存活。Belka和Strelka一时间成为了世界上最著名的狗,它们的名字会被航天史永远记住。

随后的Korabl-Sputnik 三号任务失败,两只狗Pcholka和Mushka在爆炸中被焚烧死去。接下来一次任务又失败,另外两只狗Damka 和 Krasavka也牺牲。1961年3月9日和25日发射的Korabl-Sputnik四号和五号(美国人称为Sputnik 9和10号)都取得了成功,其中的狗狗和各种生物存活,在着陆前狗被成功弹射出来并用降落伞着陆。最后一次任务,离开真人发射不到一个月了。

1961年4月12日,一个被航天史永远记住的日子。这一天,运载着第一名宇航员尤里·加加林的东方一号(Vostok I)飞船于当地时间早层6点07分在拜科努尔航天发射场发射升空,成功进入近地轨道并绕地球飞行一圈,于7点25分开始返回地球,7点55分加加林弹射出舱,8点05分降落伞落地。加加林成为第一个进入太空并绕地一周飞行的人类而被永远载入史册。当然,这次飞行背后也有极大的危险。在重返地球的时候,东方一号的服务舱和重返舱一时间没有按照原计划分离,依旧由几根电线连接在一起,飞船开始剧烈旋转并偏离轨道 ,幸好电线后来被高温大气烧断,加加林也克服了重返舱旋转的问题成功弹射。加加林的落地地点离开原地计划地点2800公里(幸好没有落在外国)。

接下来东方二号飞船运载着宇航员盖尔曼·季托夫于同年8月6日进入太空,绕地多圈飞行,盖尔曼·季托夫在太空中待了整整一天,证明了人类可以在失重的环境下长期生存。在返回时,服务舱和重返舱又被电线连在一起没有分离,直到大气烧毁电线。季托夫受了点轻伤(流鼻血),成功返回地面。

1961年是苏联航天高负荷运转的一年。到了1962年,东方3号和东方4号任务取得了新的进展,两艘飞船分别于8月11日和8月12日发射,仅仅间隔了一天,这样短时间的间隔发射对地面发射和控制人员提出了极大的挑战。两艘飞船的轨道非常接近,两者最近才相隔5公里,宇航员可以看见对方飞船,并用无线电进行了联络,这是史上最早的外太空人员联络(不过当时还没有飞船轨道交会技术)。东方3号在近地轨道待了4天,于8月15日清晨返回。东方4号出现了一些故障,提前结束了任务,几乎和东方3号一同返回了地球。

东方5号和东方6号分别于1963年6月14日和16日间隔两天发射,原计划是两艘飞船都运载女性宇航员,后来修改为东方6号乘坐女宇航员,瓦莲京娜·捷列什科娃成为了第一个进入太空的女性。原计划飞船在近地轨道待到22日,因为太阳耀斑活跃加剧,飞船不得不提前返回,两艘飞船于8月19日成功返回地球。

东方6号是东方系列最后一次任务。随后东方计划被上升计划(Voskhod programme)取代。

六、美国水星计划

美国的水星计划是NASA成立后的第一个大型航天项目,计划定的比苏联的东方计划要早,然而进展依旧落在了苏联后面。

水星飞船的首席设计者是Maxime Faget。这位出生在南美英国殖民地的老兄一直到航天飞机时代一直是美国飞船的重要设计师。飞船设计早在1957年就开始,到1959年基本完成。飞船外形主体像一个防毒面具的鼻子,在主体顶端加上一个塔状的宇航员逃逸系统。飞船总重1.4顿,大约是苏联东方飞船的三分之一,可以承载一名宇航员。麦克唐纳飞行器公司(即后来的麦道公司,今并入波音公司)成为水星飞船的制造商。

火星计划的使用火箭有三种:小乔伊火箭,红石火箭,以及擎天神火箭。各大火箭公司外包了这些火箭生产项目,这种美国外包生产模式一直存在了很久。

由洛杉矶的北美航空公司(North American Aviation)研制开发的小乔伊火箭(Little Joe)主要负责测试把水星飞船的逃逸系统送入亚地球轨道(sub-orbital spaceflight)。和其它火箭不同,该火箭是一种采用固体助推器的火箭,长14-17米,可以把1.4吨(水星飞船重量)运送到亚地球轨道。在无人飞行测试阶段,从1959年到1961年,Little Joe一共发射了8次,6次成功,两次失败。成功的6次中还两次搭载了猕猴(Sam和Miss Sam)。不过在后来的载人飞行中并没有用到Little Joe。

陆军部研发的水星—红石火箭(也就是Von Braun负责的红石火箭的延续,Mercury –Redstone,简称MR)在阿拉巴马的亨茨维尔组装,制造商是克莱斯勒(汽车公司造火箭?)。红石火箭长25米,采用单发动机,推动力为350千牛,采用液氧和乙醇液体推动剂(Von Braun的本行,V2火箭采用同样的燃料),亚地球轨道承载量1.8吨。红石火箭参与了水星计划的无人和载人飞行两个阶段,项目经理是Von Braun团队的德国人Joachim Kuettner,主要负责亚地球轨道飞行,一共发射六次,5次成功,一次失败。1961年1月31日红石火箭把一只叫做汉姆的黑猩猩带入亚地球轨道并成功待会地球(虽然汉姆曾一度休克)。

1961年5月5日,水星—红石三号任务第一次载人飞行,把宇航员Alan Shepard带入到亚地球轨道,使Shepard成为第一名进入太空的美国人,也是苏联加加林之后第二位进入太空的人类。不过,比起一个月前苏联加加林的东方一号来说,Shepard 的飞行时间仅仅15分钟,而加加林的飞行时间近两个小时,水星飞船重1.4吨仅为东方飞船的三分之一。美国的第一次载人航天飞行比起苏联来说真是弱爆了,之后的美国航天道路依旧任重道远。这次飞行的水星飞船被命名为自由7号,作为一种幽默,此后所有的水星飞船都用七号来命名,分别为自由钟7号,友谊7号,极光7号,西格玛7号,信仰7号。

水星—红石4号于同年7月21日发射,把宇航员Virgil Grissom带入了亚轨道,使其称为第二个进入太空的美国人和第三个进入太空的地球人,飞行持续时间也是15分钟,然而返回地球海面之前水星飞船破裂,Grissom差点被淹死,幸好他及时逃生并被及时救援。大难不死的Grissom并没有因此而“必有后福”,后来在阿波罗登月计划的操练中被烧死,这是后面的故事了。

让水星飞船进入地球近地轨道的计划主要运载火箭,则是擎天神火箭(Mercury-Atlas,简称MA,也一度被称为“大乔伊”),由美国海军研发、加州的康维尔公司制造(1994年康维尔被麦道和洛奇马丁瓜分)。擎天神火箭从1960年到1963年一共执行了9次任务。擎天神5号曾在1961年11月29日把一只叫做以挪士的黑猩猩带入轨道地球近地轨道飞行两周后返回地球,证明了其载人进入地球轨道的能力。擎天神火箭依旧存在,至今已经更新到第五代,属于联合发射公司。

1962年2月20日,水星—擎天神6号运载宇航员John Glenn进入地球近地轨道并绕地飞行三圈,持续时间4个小时,使得John Glenn成为第一位进入地球轨道的美国宇航员,这时距加加林飞行已经过去10个月了 。作为回应,苏联开启了连续发射两次任务的行动(东方3号和4号)。

水星计划的最后一次任务是1963年5月15日发射的水星—擎天神9号,宇航员Leroy Cooper绕地球飞行22圈,持续时间10个多小时。之后水星计划被终止,新的双人上太空的“双子座计划”和阿波罗登月计划开启。

七、苏联上升计划

东方计划之后,苏联开始了新的航天尝试,即上升计划(Voskhod programme)。从本质上来说,和东方计划相比,上升计划并没有本质上的技术突破,然而上升计划却被苏共政治局要求抢在美国“双子座计划”之前让三名宇航员一起升空,并且要让宇航员出舱太空行走。由于政治任务时间紧,上升计划非常激进和危险。 Korolev和他的团队很好地完成任务,这彰显了Korolev强大的业务能力和组织能力。

一人乘坐的东方号Vostok被进行了大刀阔斧般而又冒险的改装使之成为上升号Voskhod飞船。一个座位变成了三个紧挨在一起的座位,并取消了弹射座椅,所以上升飞船必须采用降落伞和辅助火箭减速。另外上升号还安装了备用的固体反推火箭,并安装气压舱用以作为从舱内到达太空行走的通道。飞船质量近6吨,依旧由R7火箭的改良版(上升火箭)运输。

为了向1964年十月革命纪念日献礼,承载3名宇航员的上升一号在当年的10月12 日匆匆忙忙发射了。由东方号修改的上升一号虽然具有三个座位,但是和东方号相比,座位被旋转了90度,而表盘还在老地方,导致宇航员必须扭头90度操作系统。另外由于空间狭小,宇航员只能穿便服而无法穿宇航服,使得这次任务成为高危任务。这次任务持续了一天又17分钟,后来成功返回地面,飞船用降落伞和辅助火箭减速落到地面上。这次政治献礼的任务开启了多人航天的时代,直到一年后美国才发射了两人的双子座飞船。后话插上一句,这次航线的领航员科马诺夫Vladimir Komarov在后来的联盟计划第一次任务中牺牲了,成为了第一个牺牲的苏联宇航员。

上升2号于1965年3月18日发射升空。和上升一号相比,上升2号更重,达到了5.68吨,并设计有气压舱,作为宇航员太空行走的通道。这次任务载有两人,飞行员列昂诺夫Alexey Leonov穿着宇航服完成了12分钟的太空行走,这是历史上第一次人类在太空中行走。然而列昂诺夫的宇航服在真空环境中胀大,使得列昂诺夫差点无法返回气压舱而丧命。最终有惊无险,两名宇航员在行动1天又两个小时候,成功返回了地球。

1964年勃列日涅夫和柯西金等人趁赫鲁晓夫度假的时候发动政变,逼迫赫鲁晓夫提前退休,而赫鲁晓夫时代的上升计划由此也随着上升2号的完成而划上了句号。

联盟载人航天计划成为苏联的下一个航天计划。然而随着赫鲁晓夫下台和苏联航天的灵魂人物Korolev去世,苏联航天技术逐渐被美国迎头赶上并将之甩到了后面。

八,美国的双子座计划(Project Gemini)

1961年,民主党候选人肯尼迪成为第35任美国总统。和在太空竞赛中处于被动的艾森豪威尔总统相比,肯尼迪有着更加宏大的目标。1961年5月25日国会演讲时,肯尼迪明确表明支持登月计划(即阿波罗计划),只有登月计划才能让美国化被动为主动,抢占航天技术的制高点。肯尼迪声称要在1970年之前成功载人登月,而那时候水星计划才刚刚开始,十年之内登月的计划无疑是天方夜谭!

为了能够开展登月计划,一个介于水星计划和阿波罗计划之间的过渡计划被NASA 提了出来,那就是可以让两人上太空的双子座计划(Project Gemini)。1962年双子座计划正式对公众发布,其目标包括了让宇航员在太空待8天到两周、飞船在太空中对接、太空行走和安全准确返回地球等目标。

如果说苏联的上升号飞船只是东方飞船的简单装修改版,那么双子座飞船和水星飞船相比,则具有很多革命性设计。双子座飞船由NASA的高级工程师张伯伦Jim Chamberlin设计。和水星飞船相比,双子座把动力、推进、生命维持系统都放在一个独立的后端设备模块中。水星飞船的塔状逃生系统被取消,取而代之的是类似苏联东方号的弹射座椅。飞船内第一次被安装了计算机系统来协助操作,并安装了雷达。另外为了实现对接,飞船被设计成可以在空间六方向上动作,并能改变轨道。全船重约3.5吨,而飞船的制造商依旧是制造水星飞船的麦克唐纳飞行器公司。

双子座飞船的运载火箭全部采用大力神二号GLV(Titan II Gemini Launch Vehicle,这时候Von Braun正在潜心研究土星系列火箭)。 大力神火箭系列由马丁公司(今天的洛奇马丁公司)研发,大力神二号火箭可以被当做洲际导弹使用,也被NASA用作运载双子座的火箭。该火箭是一种二级火箭,长33米,近地轨道承载力为3.6吨,依旧略少于苏联R7火箭(不过别忘了R7火箭有20个发动机)。第一级火箭有两个发动机,总推动力为1900千牛;第二级为一个发动机,推动力445 千牛,发动机推动剂为接触就可以自燃的50%联氨和四氧化二氮,这类燃料在苏联也被经常使用,但是燃烧效率并不是很高。火箭发射中心在佛罗里达,而控制中心在德克萨斯的休斯顿。

另外,用于对接训练的阿金那Agena无人飞行器由擎天神火箭发射。和之后的苏联航天飞船-飞船和飞船-空间站在地球近地轨道对接不同,美国首先采用了双子座飞船和“玩具类”航天器对接。

从1964年到1966年,双子座计划一共进行了十二次任务,其中前两次是无人任务,后十次是载双人的任务 。1965年3月23日,双子座3号任务第一次载了两名宇航员进入地球轨道并绕轨道三圈。

1965年6月3日到7日持续四天的双子座4号任务中,宇航员怀特Ed White出舱进行太空行走长达20分钟,成为第一个太空行走的美国人,比苏联的列昂诺夫晚了近两个月。不过White的太空行走比列昂诺夫要安全,本书的封面便是White在外太空的身姿,具有历史纪念意义。

由于为双子座6号准备的阿金那飞行器发射失败,1965年12月4日双子座7号率先发射并作为随后发射的双子座6号轨道会合的目标(轨道会合rendezvous,两者相离很但并不对接)。12月15日双子座6号发射,成功和双子座7号保持0.3到91米的距离长达5个小时。随后双子座6号首先返回地球,而双子座7号于18日返回地球,创造了绕地飞行两周的记录。从双子座6号和7号开始,美国航天已经突破了轨道交汇技术,开启了地球近地轨道组装的航天时代,超越了苏联。

双子座8号于1966年3月16日发射,成功完成和事先发射的阿金那飞行器的轨道会合和飞行器对接,这是史上第一次太空飞行器对接。然而对接时双子座8号的一个推进器突然出现故障而停止工作,飞船几乎造成灾难性的翻滚,领航员阿姆斯特朗(就是日后第一个登月的人)不得不使用返回地球着陆的燃料来使飞船保持平衡。双子座8号只能提前完成任务,返回地球紧急迫降在冲绳海域,终于有惊无险。

1966年6月的双子座9号任务原本要和改进的阿金那飞行器对接,但是由于阿金那的遮罩物没有完全分离(即“愤怒的鳄鱼”典故),对接无法完成。

1966年7月18日到21日的双子座10号任务,首次使用了阿金那飞行器的推动器,双子座飞船成功和阿金那飞行器对接。宇航员柯林斯Collins完成了49分钟的太空行走,并进入到阿金那飞行器中去取数据。

随着同年9月和11月双子座11号和12号任务的圆满完成,双子座计划的目的已经基本达到,登月的准备活动业已完成。接下来就要等功力强大的火箭研制完成了。至此,美国的航天技术已经超越了苏联航天。

双子座计划耗资16亿美元,折合今天73亿美元。

九、美国的阿波罗登月计划

1963年肯尼迪被刺杀,继任的约翰逊总统继续全力支持阿波罗计划。

登月的任务模式,采用“月球轨道集合”模式,即三名宇航员乘坐大功力火箭进入月球轨道,而宇航员的飞船由至少两部分组成:一个较大的主体飞船,和一个较小的登月飞船。登月时,一名宇航员留在主体飞船绕月飞行,而较小的登月飞船脱离主体飞船,单独登月。登月任务结束后,登月飞船(的一部分)从月球起飞,和主体飞船在月球轨道会合对接,然后主飞船返回地球。“月球轨道集合”模式的提出者是John Houbolt。

基于“月球轨道集合”模式的思路,阿波罗飞船的主体是指令/服务舱和登月舱。

指令舱呈圆台形,是发射和飞行大多数时候三个宇航员的住所,是阿波罗飞船的主要控制中心,也是登月任务完成后唯一返回地面的部分。指令舱重量为5.56吨。服务舱呈圆柱形,连接在指令舱后面,主要部分是一个可以离开月球轨道的推动器和一个可以维持飞船平衡的反推力系统。服务舱的重量为24.5吨,其中燃料为18.4吨。指令舱和服务舱的设计者是水星飞船的设计者Maxime Faget,制造商为北美航空公司(就是水星计划中制造小乔伊火箭的那家公司,后来和洛克威尔公司合并,后来又被波音收购)。

阿波罗飞船的登月舱在发射时直接和指令舱的头部连接。登月舱分下降级和上升级两个部分。下降级,也就是有四根支撑腿的部分,用于在月球表面降落,其重量为10吨,燃料重量为8.2吨,液体燃料推进剂为四氧化二氮/偏二甲肼。另外下降级里可以放入登月车等设备。上升级可以乘坐两名宇航员,重量为4.7吨,液体燃料推进剂为四氧化二氮/偏二甲肼,十六个反冲推动器可以提供15.6千牛的推力,让上级登月舱离开月表,和月球轨道上的指令/服务舱会合。登月舱的设计者是Thomas J. Kelly,而制造商是格鲁曼(今天仍在)航天航空公司。

除了这些组成,登月阿波罗飞船还包含了一个类似水星飞船上的发射逃逸系统,用于紧急终止发射任务,如果发射成功则逃逸系统被丢弃。这样算来,阿波罗飞船的总重量大约为45吨,这个吨位远远超过了之前的水星和双子座计划的飞船重量十多倍,大约是之前苏联飞船质量的七八倍。如此的质量要被发射到月球转移轨道(Trans-lunar injection),需要极其强大功力的火箭,而土星5号火箭由此应运而生。

Von Braun主要负责阿波罗计划的火箭,而早在50年代他的德国团队从陆军部被转移到NASA(地点不变,名称变了,从陆军的基地变成了NASA马歇尔宇航中心),就开始研制土星系列运载火箭。这类火箭和之前的火箭不同,完全脱离了军事运用而成为民用航天的运载火箭。土星五号火箭的前代,是土星1号和土星1B运载火箭。土星1号的地球近地轨道有效载量为9吨,月球转移轨道荷载量为2.2吨。改良版的土星1B型号的火箭地球近地轨道有效载量为21吨。然而这样的业载量并不能满足阿波罗计划。

土星五号是航天史上迄今最大推力的火箭,从1962年开始建造,1967年阿波罗4号任务首次被使用。整个三级火箭高度达到110.6米,第一级火箭发动机为5台F1发动机,推进剂为煤油和液氧,推力达到前任火箭无法匹敌的34,000千牛(34兆牛),每台F1发动机的推力为6770千牛,由洛克达因公司(今天惠普公司之子公司)生产。这样巨大推力的发动机体现了美国的工业和技术实力,这是苏联所完全无法制造的大推力发动机。土星五号第二级火箭发动机为5台J1发动机,推进剂为液氢和液氧,推力为4445千牛。 第三级火箭发动机为一台J2发动机,推进剂为液氢和液氧,推力为1000千牛,J1和J2发动机也都由洛克达因公司生产。当火箭三级分离后,可以把45吨的阿波罗飞船发射到月球转移轨道并最终绕月飞行。

值得一提的是,巨大的土星五号第一和第二级通过水运运送到佛罗里达肯尼迪航天发射中心。这样的水运条件,是苏联(今哈萨克斯坦)拜科努尔航天发射场所不具备的,这也是苏联大型的N1火箭失败的一个原因。

双子座计划结束后,1967年阿波罗计划正式展开。阿波罗计划的宇航员很多来自于之前的水星计划和双子座计划。然而,阿波罗计划伊始,就遇上了灾难性的事件。

1967年2月21日在一次例行操练中,安置在地面的阿波罗指挥舱中的电路突然短路起火,而指挥舱里纯氧的环境使其中顿时产生大火,吞噬了舱内正在操练的三名宇航员,其中包括了在水星行动中大难不死而后又在双子座行动中立下卓越功勋的维吉尔·格里森。这次灾难几乎使得阿波罗计划流产,然而最终计划还是进行了下去。

同年11月,在间隔了九个月后,阿波罗4号任务开启。这次无人任务是土星五号第一级和第二级首次发射,携带了阿波罗飞船的指令舱和服务舱。这次依旧是一次近地轨道飞行,指令舱和服务舱绕地球飞行3圈后返回,用时8小时36分。1968年1月22日,阿波罗5号发射,阿波罗5号仅仅携带了登月舱,并且由土星1B号发射。同年4月4日,携带完整指令舱、服务舱和登月舱的阿波罗6号发射,然而由于土星5号火箭第三级的J2火箭发生故障,这次任务失败。这也是最后一次无人测试。

1968年10月11日,在经历了灾难之后一年又八个月,阿波罗计划终于开始载人飞行。第一次载人飞行任务是阿波罗7号。这次任务仅仅发射了指令舱,而运载火箭是土星1B。这次任务的目标是载人测试指令舱性能,指令舱环绕地球飞行了将近11天,使得三名宇航员在狭小的空间显得有点焦虑。

同年12月21日,为期6天的阿波罗8号任务展开,这次任务完全了绕月飞行,是人类航天史上一次重大的突破。阿波罗8号是土星5号火箭第一次载人飞行 。三级火箭发射完毕后,三名宇航员在进行了指令舱和登月舱对接后,开始靠近月球,最终绕月飞行9圈后,飞船进入回程,于12月27日重返地球,被约克城号航母打捞。有趣的是,这次飞行中有宇航员念了《圣经》创世纪的句子,后来还被无神论者起诉。

1969年3月3日开始的阿波罗9号任务,是第一次载人完整携带阿波罗飞船指令舱、服务舱和登月舱的飞行。三名宇航员在为时10天的地球近地轨道任务上,在三级火箭发射完毕后,实现了指令舱和登月舱对接后,并展开了太空行走等任务。

同年5月18日到26日的阿波罗10号任务,是登月前的最后一次载人演练飞行,除了没有最终登月外,一切按照登月流程来办,这是第一次完整携带阿波罗飞船的绕月飞行,一共绕月31圈,最后登月舱被抛弃,三名宇航员通过指令舱和服务舱离开月球轨道,指令舱最终返回地球。虽然这次登月依旧出现了一些小故障,但是基本上万事俱备,就等着真正的登月任务了。

两个月后,1969年7月16日到20日的阿波罗11号任务被永远载入了史册——人类终于登上了月球,完成了肯尼迪在1970年前把人送上月球并安全返回的憧憬。

阿波罗11号的三名宇航员都执行过之前的双子座任务,是技术熟练的宇航员。7月16日早上9点32分,土星5号火箭把阿波罗飞船送入太空,绕月飞行一圈半后,第三级火箭点火,飞船离开地球轨道开始驶向月球,宇航员们完成了指令/服务舱转向和登月舱的对接任务。三天后,7月19日阿波罗11号飞船进入月球轨道,开始绕月飞行。7月20日,阿波罗11号飞船的登月舱和指令舱分离,科林斯留在了指令舱绕月飞行,而另外两名宇航员进入登月舱准备在月表降落。然而登月舱飞过了头,偏离了预定的降落地点,阿姆斯特朗开始手动操作登月舱,终于在登月舱下降级燃料用完前30秒找到了降落地点。登月舱降落在月球表面的时间是休斯顿时间1969年7月20日下午4时17分43秒。

6个半小时后(为什么要等这么久?),阿姆斯特朗扶着登月舱的阶梯踏上了月球,并说了一句名言:“That's one small step for a man, one giant leap for mankind.”随后他和搭档奥尔德林在月表行走了大约2个半小时,在月表和尼克松总统通了电话,之后返回登月舱。两人在月表一共停留了21小时36分,最终登月舱上升级和下降级分离,上升级离开月球表面的时候还吹倒了美国国旗。于科林斯的指令舱会合后开始驶向地球,并于7月24日返回地球。这次任务中,尼克松总统还准备了一篇一旦阿姆斯特朗和奥尔德林在月球上受困无法返回地球的哀悼稿件,现在已经对外公开了这份稿件。

随后美国一共先后登月5次,然而公众对于登月的兴趣逐年递减:

阿波罗12号于1969年11月14日发射,登月舱选择了在之前到达月球的无人探测器勘探者三号着陆的风暴海登陆。这次月表登陆后两名宇航员创下了月表行走7小时45分,在月表停留时间一共31小时31分钟的记录,整个登月任务一共持续了10天。

阿波罗13号是最著名的“失败的成功”的航天例子。1970年4月11日阿波罗13号发射,飞行两天后服务舱氧气罐爆炸损坏,三名宇航员只能进入登月舱,利用登月舱绕月飞行并飞回地球,终于于4月17日成功返回地球。

接下来的阿波罗14号任务的时间是1971年1月31日到2月9日。曾经第一个进入太空的美国人Shepard成为这次任务的指令长并登上月球。这次任务在月表停留33小时30分钟,宇航员月表行走时间为9小时。

同年7月26日到8月7日开展了阿波罗15号任务。这次登月第一次带了登月车,宇航员在月表行走+驾车时间19小时,一共在月表停留约67小时。

1972年4月16日到21日执行阿波罗16号任务,月表行走时间20小时,月表停留时间71小时。随后12月7日到19日执行的阿波罗17号,月表行走时间22小时,月表停留时间75小时。

随着大众对阿波罗计划越来越漠不关心,而这个计划也越来越了无新意,阿波罗计划终于在阿波罗17号之后划上了终止符。从此,人类再也没有登上过月球,现在人类对近地轨道更为关注,虽然有着海市蜃楼般的火星登陆计划,却不知道猴年马月再能登月了。

尼克松总统否决了Von Braun在月表建立基地并登陆火星的计划,选择了航天飞机作为美国新的航天计划。

十、苏联的联盟计划,N1火箭和登月计划

自从美国双子座计划后期开始,苏联的航天技术开始被美国甩在后面。

勃列日涅夫时代的苏联航天终止了上升计划,开始施行联盟计划(Soyuz programme)。联盟计划原本是苏联登月计划的第一部分,然而由于苏联登月火箭研制的失败,登月计划被终止,联盟计划成为单独计划,其成果一直使用到今天。

联盟号飞船Soyuz的设计方案依旧来自Korolev,这是苏联续东方号和上升号之后开发的第三代载人飞船,重量在5.8到10吨不等。飞船分为三个部分——头部的轨道舱,腰部的下降舱(宇航员在其中)和尾部的仪器和服务舱,而最后一舱还带有两片太阳能翅膀。

联盟号飞船的运载火箭(联盟火箭)依旧是R7火箭的变种。

在联盟号载人任务之前的无人任务并不太成功。但是为了向1967年五一劳动节献礼,也为了赶上美国双子座的进度,联盟号第一次载人任务Soyuz一号于1967年4月23日发射。出于谨慎起见,第一次任务只载有一名宇航员,即之前上升一号的首席宇航员科马洛夫(替补是加加林)。原定计划于第二天发射载有三名宇航员的联盟二号,完成和联盟一号的对接。然而联盟一号注定是一场悲剧。进入近地轨道没有多久,飞船的一个太阳能电池板翅膀就没有能够打开,导致联盟号电池很快耗尽,联盟一号出现了各种不稳定,只能提前返回地球。在返回地球的过程中,联盟一号的减速降落伞无论自动还是手动都无法打开,导致飞船最终以150公里每小时的速度撞击地面,宇航员科马洛夫牺牲。在临死前,科马诺夫还和家人通了最后一次话,这真是让人悲伤的永别啊!这次事故离开美国阿波罗大火灾难不到3个月,美苏两国在1967年短短的时间里都发生了航天的悲剧。

无人飞船联盟二号于1968年10月25日发射,一天后载有一名宇航员的联盟三号发射。联盟三号成功和联盟二号会合,然而对接却失败了。

载有一名宇航员的联盟4号和载有三名宇航员的联盟5号于1969年1月14日和15日发射,终于在近地轨道完成了对接,联盟5号转移了两名宇航员到联盟4号,两艘飞船于17,18日分别平安返回了地球。相比美国1966年水星8号对接,苏联在近三年后终于也掌握了飞船对接技术。比美国高级的是,苏联让两艘飞船对接,做成了“太空中第一座空间站”(苏联宣传语)。

在联盟计划展开的同时,苏联也秘密研制登月的大推力火箭。其中著名的有N1火箭和质子火箭。

1959年,几乎和Von Braun研究土星火箭的同时,Korolev为首的设计局OKB-1开始研究N1运载火箭,并在1961年正式获得国家拨给的经费。然而,曾经和Korolev合作多年的著名火箭发动机设计师Valentin Glushko因为设计理念和Korolev发生了冲突,Korolev改用Nikolai Kuznetsov设计的发动机作为N1的动力。设计中的N1火箭长105米,一共有5级火箭,理论上可以把至少25吨的飞船送上月球穿越轨道TLI。第一级火箭采用30台NK-15发动机,以液氧和煤油为推动剂,可以产生50.3兆牛的推力,这比土星5号的推力还要大,然而多达30台发动机组成的发动机群技术却无法过关,这造成了致命的问题。另外土星5号虽然初始推力比N1要小,但是可以携带更重的飞船进入太空,这是因为美国解决了液氢和液氧作为推动剂的技术,而苏联却只能采用液氧和煤油效率较低的推动剂。

Korolev死后的1969年到1972年,N1火箭一共进行了4次发射尝试,然而全都在第一级火箭就失败爆炸,其中1969年7月3日的N1火箭爆炸,成为了火箭史上最大规模爆炸,威力如同核爆炸。终于,N1火箭项目被取消。

另外,Korolev生前最大的竞争对手,OKB-52局的切洛勉Chelomey负责研发了质子号火箭,然而二级的质子号火箭性能和R7差不多,造价和规模却比R7大很多,所以两级质子火箭项目最终被取消。切洛勉由此设计出三级火箭,即质子K火箭,三级发动机都以四氧化二氮/偏二甲肼为推进剂。质子K火箭随后成为苏联礼炮空间站系列的运载火箭。

在美国阿波罗计划热火朝天的时候,苏联却只能用R7火箭向月球发射绕月或者撞击月球的小型无人飞行器。阿波罗11号登月的时候,苏联做了最后努力——向月球发射了月球15号探测器(正向月球表面着陆的月球15号探测器出现在了阿波罗11号录像中),无奈月球15号最终在月球表面坠毁,并没有完成任务。苏联的行为就像笑话一样让美国人耻笑。

苏联人没有能够登陆月球。苏联貌似在美苏冷战的空间竞赛中落败下来。然而40多年后的今天再来看待当年的空间竞赛,似乎我们又有了另外的答案。

美国自从阿波罗计划以来,近半个世纪再也没有载人登月,到今天似乎完全丧失了载人登月的技能,以至于很多人认为阿波罗登月只是摄影棚里制造的阴谋。航天飞机从1972年研制以来,一直到2011年全部退役,最终被证明是一个失败的工程,从此以后美国甚至无法把自己的宇航员送上太空了。

然而苏联的联盟计划,却一直开展到现在。联盟号飞船和R7和质子系列运载火箭直到今天也依旧在使用,而美国人却只能依靠苏联的联盟号飞船进入太空,这不能不说是一种讽刺吧。

至于N1火箭项目失败后,其NK系列火箭发动机被封存了很多年,直到苏联解体后,被俄罗斯人重新拿出来卖钱,美国人对其发动机性能惊叹不已。

十一,空间站计划

苏联在载人登月竞赛中落败了,于是把航天重点放在了空间站上。

早在美国水星计划和双子座计划之交的1963年,美国空军就提出了载人轨道实验室(Manned Orbiting Laboratory,即MOL)的计划。MOL的目的是在地球轨道上建立一个小型军事基地进行侦查等军事行动。这个计划曾经正式被美军立项并进入研究阶段,最终因为美军陷入了越战的泥潭而于1969年取消。

于是空间站的项目最早由苏联完成了。

在Korolev去世前的1964年,他的头号竞争对手切洛勉Chelomey为了应对美国的MOL项目,开始研发以军事侦查目的为主的军事空间站OPS (Orbital Piloted Station),开启了名为“金刚石计划”的军事计划。Korolev死后,他生前所在的机构OKB-1(后来以他的名字命名这个机构)鉴于N1火箭失败、载人登月项目已经无法完成,开始设计研发民用空间站DOS (Durable Orbital Station),开启了礼炮计划(Salyut programme)。切洛勉的金刚石计划由于高度保密,而且进度落后于礼炮计划的研发,于是表面上并入了礼炮计划,对外只宣传礼炮计划(可怜的切洛勉,Korolev就算死了他的OKB-1机构也要把切洛勉的风头压下去)。

礼炮一号(DOS-1)1971年4月19日升空,是苏联的第一个空间站,也是世界上第一个空间站。其长约20米,重18.4吨,这样的重量不适合R7火箭系列发射,而只能由切洛勉设计的质子-K火箭发射,Korolev团队和切洛勉终于合作。和礼炮一号平行发展的联盟计划被用来进行礼炮一号的对接作业。联盟10号飞船于4月22日发射,一度和礼炮一号空间站对接成功,然而联盟10号三名宇航员却无法进入空间站。同年6月6日,联盟11号飞船发射升空,第二天联盟11号终于和礼炮一号对接成功,完成了历史上飞船和空间站的第一次对接,三名宇航员在空间站中待了23天。

悲剧的是,当宇航员返回联盟11号并返回地球的途中,联盟11号的密封性能被损坏,飞船瞬间减压,三名宇航员因为在低压环境下急性缺氧和血液沸腾,全部牺牲了。 这是苏联为了掌握地球近地轨道集合组装技术的重大代价。

礼炮一号在近地轨道绕转了半年后坠入大气层烧毁。第二个空间站DOS-2于第二年1972年7月发射,但是因为质子火箭的故障而导致发射失败。

接下来,切洛勉的金刚石一号军事空间站终于研制成功,于1973年4月4日发射,对外宣称为礼炮2号民用空间站。随后的礼炮空间站系列中,对外命名为礼炮3号、4号、5号的一系列空间站,实际上都是切洛勉秘密的军事空间站,而只有礼炮4号和礼炮一号一样是民用的空间站。联盟号飞船则多次和礼炮系列空间站对接,宇航员从联盟号飞船进入到空间站中工作,并回到联盟号返回地球。

到了1978年,苏联发现军事空间站完全是个亏本生意(军事空间站综合效果还不如间谍侦查卫星),于是废止了金刚石计划。民用空间站的礼炮计划则继续了下去。

1977年发射升空的礼炮6号空间站属于第二代空间站。和之前的空间站不同,礼炮6号空间站有两个对接舱,一个用来和载人的联盟号飞船对接,一个用来和运货的进步号飞船对接。礼炮6号在轨道的日期达到了1764天,直到1982年7月,期间空间站一共开展了16次与载人联盟号系列飞船的对接任务,其中四次任务超过一百天或近一百天,有5位宇航员曾长期待在空间站中。

礼炮系列的最后一个空间站礼炮7号于1982年4月19日发射,在轨日期到达3126天,一直到9年后的1991年2月7日才坠入大气层。这个空间站和礼炮6号类似,也有两个对接舱,在8年10个月的长期飞行中前后迎来了联盟号系列飞船10次对接,有6名宇航员曾长期在空间站内工作。

针对苏联的礼炮计划,美国也在1973年5月14日发射了自己的天空实验室Skylab空间站。Skylab空间站长25米,重77公斤,由土星5号发射(这也是土星5号最后一次任务,随后土星5号火箭便告别了历史舞台)。随后在同一年里,三批宇航员乘坐阿波罗飞船由土星1B火箭运载进入天空实验室,分别在空间站中停留28天、59天和84天,当第三次任务Skylab 4结束后,天空实验室被废弃,但是其本身直到六年后的1979年才坠入大气层。

美国随后放弃了空间站计划,而一心一意研发航天飞机项目。空间站在很长一段时间阶段里,成为苏联航天的招牌。

礼炮系列之后,苏联推出了第三代空间站,即和平号空间站(Mir)。

和平号空间站于1976年正式立项,等到1986年才正式升空。那年的2月19日,和平号空间站的核心舱由质子—K运载火箭发射。随后若干年中,空间站经历了数次模块扩建,包括1987年加入的天体物理研究模块量子-1号,1989年加入的量子-2号生命支持模块,1990年加入的晶体号技术模块。1993年,代替前苏联接管空间站的俄罗斯开始和美国NASA合作,1995年光谱号能源模块和对接舱模块加入空间站,1996年自然号地球遥感模块加入空间站。除了对接舱模块由美国亚特兰蒂斯号航天飞机运载,其余的模块均由苏联/俄罗斯的质子-K火箭运载升空。最后空间站总重129.7吨。

90年代苏联解体,俄罗斯接管原苏联航天任务,然而由于经济持续恶化,外加和平号空间站事故连连,新的国际空间站项目开启,最后俄罗斯不得不在2001年放弃了空间站。和平号空间站在近地轨道运行一共15年,绕地飞行8万6千多圈,31艘联盟号载人飞船、62艘进步号货运飞船与空间站实现对接,12个国家一共130多位宇航员在空间站上工作过,一共进行了1.65万次科学实验。

当和平号空间站坠入大气的时候,一座新的国际合作空间站,即国际空间站已经在近地轨道运行了两年多了。

国际空间站起源于美国NASA的自由号空间站计划,原本是美国里根总统时期“星球大战计划”的一部分。后来苏联解体,星球大战计划被老布什政府搁浅,自由号空间站计划一度被克林顿政府取消,直到敲定了美俄合作之后,这个项目重新开始,便是现在的国际空间站(International Space Station,简称ISS)计划。除了美俄之外,还有日本、加拿大、巴西和欧洲航空航天局等国际机构参与。

国际空间站采用地球近地轨道集合方式组装。1998年11月15日国际空间站的第一个组件首先由俄罗斯质子-K火箭发射,至今已经有31次任务发射不同组件来组装扩建国际空间站,其大部分任务由美国航天飞机完成。迄今最后一次组装任务由航天飞机奋进号执行,同年美国所有航天飞机全部退役。计划中的未来新组装设施将由俄罗斯的质子最新类型火箭质子-M和Space X公司的Falcon 9运载火箭发射。而进出空间站的宇航员,目前则主要由航天飞机和俄国联盟系列飞船运载。航天飞机退役后则迄今由联盟系列飞船单独运输。

值得一说的是,中国曾经也想参与国际空间站计划,被美国拒绝。于是若干年后,中国有了自己的天宫一号和二号空间站,而更大的天宫空间站也正在规划之中。在苏联/俄罗斯、美国之后,中国成为第三个拥有地球轨道空间站的国家。

天宫一号空间站的造型类似礼炮系列空间站,不过比礼炮系列空间站轻,质量为8.5吨,由长征二号F运载火箭于2011年9月29日从酒泉卫星中心发射。2011年到2013年之间,相继发射的神州系列载人飞船神州8号(无人)、神州9号和神州10号轨道交会和对接。随后天宫一号完成任务,目前正在下降坠入大气层的过程中。

天宫二号空间站重量和天宫一号类似,由长征二号F运载火箭于2016年9月15日发射,为中国最新使用的空间站。载人飞船神州11号在2016年10月20日和天宫二号成功对接,航天员后来安全返回地球。2017年4月20日,重12.91吨的天舟一号货运飞船由长征9号遥二火箭发射升空,成功与天宫二号对接。

原本计划的天宫三号计划被取消,被新的天宫号空间站计划取代。天宫号空间站的组件计划于2020年后由新研制的长征5号乙运载火箭运输到近地轨道并组装。届时地球轨道上将有国际空间站和天宫空间站两大空间站。现在的问题就是,长征5乙什么时候可以正式工作?在我看来,天宫空间站计划能否成功,很大程度上依赖长征5乙的成功。2017年长征5乙发射不理想,期待其继续测试发射,直到不久的取得完全的成功。

十二,美国的航天飞机计划

阿波罗计划之后,美国NASA展开了航天飞机计划。从1972年航天飞机计划立项,到2011年亚特兰蒂斯号航天飞机最后一次执行任务后航天飞机全部退役,近40年的航天飞机工程被普遍认为是失败的,并没有达到预期效果。

早在1969年的时候,美国航天向政府提出了三个可能的未来发展目标:(1)载人登陆火星计划;(2)继续登月计划;(3)地球近地轨道组装计划。尼克松总统选择了第三个计划,以空间站和航天飞机为地球近地轨道组装的首要目标。Skylab空间站任务以后,航天飞机成为了主要发展任务。

研制航天飞机的初衷是开发一种可以多次进出太空的飞行器。早在二战的时候,德国已经研制出火箭动力的飞机。1950年代,美国空军研发出火箭动力飞机X15,可以在100km高度(进入太空)飞行。X15的下一个计划是X20,Von Braun当年的领导瓦尔特·多恩伯格参与了X20火箭动力飞机的研制,不过最终X20计划取消,让位于航天飞机计划。

和之前的运载火箭不同,航天飞机本身也有发动机和推动力,而辅助火箭则采用了固体燃料。航天飞机的外包生产商如下:飞机本身(轨道器)由罗克韦尔公司(现波音公司)生产。发射时候和航天飞机结合的巨大的外挂外贮箱由洛奇马丁公司生产。外贮箱可以看做是航天飞机的燃料箱,注入航天飞机的推进器燃料液氢和液氧,在升空飞行时燃料提供给航天飞机尾部的三个发动机。外贮箱两侧安装的两根固体助推器,主要承包商为锡奥科尔公司。航天飞机本身重近80吨,业载量为近地轨道27.5吨,可运输大约16吨货物或模块到国际空间站。发射完成后,固体助推器掉回佛罗里达的外海里,打捞后可以被重新回收利用。Space X公司的火箭回收技术,最早应该就是从这里出发的。

1976年,第一架航天飞机企业号出厂,进入测试阶段。企业号并不算真正意义上的航天飞机因为它没有装上发动机,也没有进入太空的任务,而仅仅是一个测试平台。第一架正式使用的航天飞机是哥伦比亚号。1981年4月12日哥伦比亚号携带两名宇航员,从加州爱德华兹空军基地发射,执行航天飞机的首次太空任务。随后,航天飞机姐妹机挑战者号(1983年)、发现号(1984年)、亚特兰蒂斯号(1985年)、挑战者号(1985年)和奋进号(1992年)相继问世升空。美国宇航局一共拥有5架航天飞机。

1986年1月28日,挑战者号航天飞机在第10次任务时发生悲剧。由于当时气温寒冷,航天飞机起飞时右侧的固体火箭助推器发生故障,导致一系列连锁反应,航天飞机在发射73秒时爆炸,机上7人全部牺牲。

航天飞机的第二次悲剧事件在2003年2月1日。第一架正式启用的航天飞机哥伦比亚号在发射时被外储箱散落的泡沫塑料块击中左翼翅膀,导致左翼隔热板损坏。在哥伦比亚号返回地球时,左翼翅膀温度过高损坏解体,飞船失控最终在空中解体,机上七名宇航员全部牺牲。

航天飞机的两次事故沉重打击了航天飞机工程,特别是第二次,似乎并没有找到良好的解决方法,以至于后来的航天飞机任务中,依旧发生起飞时外储箱泡沫塑料击打航天飞机的例子。航天飞机的初衷是降低航天成本,然而航天飞机每次发射和维护费用却已经达到天文数字,美国航天飞机计划不得不最终在2011年划上了句号。人类从航天飞机时代又退回了火箭运载时代,而美国从2011年到今天,却再也没有载人进入太空的能力,而只能租用俄罗斯联盟系列飞船载人了。

苏联为了应对美国的航天飞机计划,曾经研制出自己的航天飞机暴风雪号(Buran)。暴风雪号的设计理念和美国航天飞机差不多。和美国航天飞机发射时携带外贮燃料箱不同,暴风雪号用重型火箭能源号运载。能源号运载火箭是苏联在N1火箭失败之后研制的新型重型火箭,核心火箭采用液氢液氧为燃料,而助推器采用煤油和液氧气燃料,助推器一般为4根。能源号火箭如果采用多级火箭模式,近地轨道有效荷载可以达到100吨,基本上和土星五号的承载力接近。

暴风雪号航天飞机于1988年11月15日由能源号火箭运载升空,这次测试任务是无人测试,暴风雪号航天飞机和能源号火箭表现良好。然而1991年苏联解体,俄罗斯缺乏航天经费,暴风雪号航天飞机计划被迫中止,暴风雪号的那次无人测试也就成为了其唯一一次飞行。随后,能源号重型火箭也告别了历史舞台。

2002年,暴风雪号航天飞机被倒塌的屋顶砸坏,数名人员在房屋倒塌中死亡。

美国成为了唯一在历史上拥有过航天飞机的国家。航天飞机是人类迄今为止最为复杂的航天器,也在航天史上进行过数百次任务。然而,航天飞机最终被认为是失败的工程,而美国之外的其它国家,在未来很长的一段时间里,也不会发展航天飞机项目了。

十三,当代的火箭

人类重新回到了火箭时代。我们来看看目前的一些运载火箭。

联合发射联盟,是美国洛奇马丁太空系统公司和波音公司强强联合成立的公司,负责美国联邦政府的发射运载服务,该公司拥有的火箭型号有擎天神(宇宙神)5号火箭、三角洲2号(Delta II)火箭、三角洲4号火箭和三角洲4号重型火箭。

擎天神5号火箭是擎天神系列的火箭(其早期版本曾在水星计划中被使用),由洛克希德公司研制。第一级火箭采用液氧煤油燃料和前苏联的RD-180发动机,第二级为以液氢液氧为燃料的半人马座火箭,另外固态火箭助推器由美国喷气公司研制。火箭承载近地轨道的有效荷载为8.3吨到20.5吨(取决于助推器的个数和动力)。

三角洲2号火箭是麦道公司研制的火箭,麦道合并后归波音公司。三角洲2号分为6000型(已退役)和7000型,火箭分为三级,其中第一级发动机为洛克达因公司研制的RS-27,以液氧和煤油为燃料。另外第三级火箭和辅助推进器采用固体燃料。三角洲2号的地球近地轨道有效荷载为2.7到6.1吨。

三角洲4号火箭属于波音公司。火箭分两级,第一级发动机RS-68和第二级发动机RL-10均为洛克达因公司生产,以液氧和液氢为燃料。另外三角洲4号还有一款重型火箭,可谓是普通4号增加助推器的增强版。这个系列的火箭近地轨道有效荷载为11.5到28.8吨。

除了联合发射之外,最著名的火箭公司是Space X。Space X曾经拥有过一款叫做猎鹰一号的火箭,而目前常用火箭是猎鹰9号全推力型(Falcon 9 Full Thrust)。该火箭有两级,分别装有Space X自行研制的9台梅林1D和1台梅林真空1D发动机,燃料为液氧和煤油。猎鹰9号全推力型第一级火箭不回收的近地轨道有效荷载为22.8吨,另外其它火箭最与众不同的特点就是Falcon 9 FT可以实行第一级火箭回收。火箭回收技术使得其发射成本大大降低,可以造就Space X在卫星和航天运载业的“薄利多销”。

Space X最近推出的一款火箭是猎鹰重型火箭(Falcon Heavy),目前只在2018年2月进行过一次试射,计划下次发射时间为今年六月。猎鹰重型火箭和猎鹰9号的原理和发动机基本相同,在猎鹰9号的基础上左右捆绑有两个助推火箭,每个助推火箭类似猎鹰9号的第一级火箭,安装有9台梅林1D发动机,使得猎鹰重型火箭第一级的发动机到达27台。按照猎鹰重型火箭给出的数据,其近地轨道有效荷载将达到63.8公斤,这是目前开发的重型火箭中运载能力最强的火箭。若果按照Space X的火星项目来说,这款火箭可以输送16.8公斤的负载进入火星轨道(看起来完全不够,到时候恐怕要实现向火星轨道多次发生,并掌握火星轨道组装技术)。当然这些数据都是在火箭不回收前提下的数据,考虑到火箭回首,其运载能力要稍微下降一些。

NASA在“星座计划”(即重新登月的计划)被奥巴马征服取消后,星座计划中研发的比土星5号推动力和荷载量更大的战神系列火箭研究计划也被取消。曾经计划的战神5号火箭近地轨道荷载为188吨,进入月球轨道荷载为71吨。取消计划后,NASA重新推出了一款动力较小一些的火箭计划,即所谓“空间发射系统”(Space Launch System)。计划中的空间发射系统助推器即为航天飞机发射的固体火箭助推器,而主要火箭采用航天飞机的火箭发动机,计划的近地轨道载人荷载为70吨。然而目前看不出研制这种重型火箭的直接价值,而按照计划,也不知道猴年马月才能正式发射了(penciled 的时间是2027年载人任务,登月?登火星?然而届时Falcon Heavy已经相当成熟,发射系统是否有必要呢?)。

中华人民共和国成立后的太空运载火箭,第一代便是将东方红一号卫星成功送入太空的长征一号运载火箭,以后中国火箭系列则被称为长征系列火箭。

现役的长征二号火箭型号为长征二号丙、长征二号丁和长征二号F,其火箭燃料以接触自然燃料四氧化二氮/偏二甲肼为主。长征二号F具有四个辅助火箭,是发射神州载人飞船和天宫系列空间站的主要运载火箭。长征三号火箭系列首次在国内引入了液氢液氧发动机,作为第三级的发动机。

长征五号火箭特别是长征五号乙火箭,是现在很多人关注的焦点,因为它是目前中国可以发射的重型火箭,和之前型号不同,长征5号采用了液氧煤油、液氧液氢的动力燃料和发动机,长征5号乙的运载量为近地轨道25吨,比土星1B号火箭、质子-K、质子-M的业载略高一些,和三角洲4号重型差不多,比猎鹰重型的业载量要低。长征五号乙火箭将成为未来的天宫空间站的主力运载火箭,然而目前还是在研发阶段,据说2019年中将会开始执行空间站的任务。

另外欧洲使用的阿丽亚娜5型火箭和日本的H-IIB运载火箭就不再做详细介绍了。比如日本的H-IIB火箭,采用液氢和液氧燃料,近地轨道荷载力为16.5吨,应该说来还是不错的。然而H-IIB火箭发射成本高,次数少(至今只发了6次),这些是日本火箭在当今和未来火箭市场的短板。

目前除了Space X在鼓吹火星登陆计划之外,其余大部分火箭公司或者机构依旧把重点放在近地轨道、地球或者太阳同步轨道上等具有商业意义的航天活动上。登陆月球和火星是“哥伦布式”的宏伟计划,目前还看不出其商业效果,只能成为烧钱的象征性事件。在冷战过后的今天,人傻钱多的项目进展越来越慢。小布什政府在取消航天飞机项目后,宣称美国要重新登月。随后的奥巴马政府取消了登月计划,而提出了载人登陆火星的计划,这就像取消了婴儿的学习走路计划而提出跑步计划一样。由于火星旅行时间太长(半年到近一年的时间),而且没有类似土星5号的大型火箭,各种技术还没有成熟。从威尔斯的小说《火星入侵》到Von Braun的火星登陆计划,到Space X的火星计划,无论人们多么热情,而火星载人登陆依旧至今只能存在在科幻和ppt中。

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