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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2000颗，欧洲各国300多颗，日本140多颗，中国120多颗，印度近50颗，加拿大30多颗。俄罗斯、美国、中国不仅自己发射卫星，而且还为其他国家发射卫星。

各国发射的第一颗人造地球卫星主要情况如下：

苏联在1957年10月4号发射了人类首颗人造地球卫星“斯普特尼克”1号，重80多千克，揭开了人类向太空进军的序幕，大大激发了世界各国研制和发射卫星的热情；

美国于1958年1月成功地发射了第一颗“探险者”1号人造卫星，重8.22千克；

法国于1965年11月成功地发射了第一颗“试验卫星”1号人造卫星，重约42千克。

日本于1970年2月成功地发射了第一颗人造卫星“大隅”号，重约9.4千克。

中国于1970年4月24日成功地发射了第一颗人造卫星“东方红”1号，直径约1米，重173千克。

英国于1971年10月成功地发射了第一颗人造卫星“普罗斯帕罗”号，重66千克。

（2）人造地球卫星的分类

人造地球卫星的分类方式有多种，按照运行的轨道可分为低轨道卫星、中轨道卫星、高轨道卫星、地球同步轨道卫星、地球静止轨道卫星、太阳同步轨道卫星，大椭圆轨道卫星和极轨道卫星；按用途区分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。按用途划分出来的应用卫星，是与大众工作和生活关系最为密切的。按照其执行任务的种类不同又可包括以下几种类型。

a. 观察类卫星

这类卫星用于对地球进行光学等手段的观察，其中包括侦察卫星、气象卫星、地球资源卫星、海洋卫星。

气象卫星是我们最为熟悉的观察类卫星，宏观天气预报的信息都来自于气象卫星。我国发射的“风云”系列卫星（图21）就属于气象卫星。

b. 中继类卫星

这类卫星用于对信号进行中转，其中包括通信卫星、跟踪和数据中继卫星。

通信卫星被广泛应用于电视转播等方面，我国的“东方红”系列卫星（图22）就属于通信卫星。跟踪和数据中继卫星用于对卫星进行跟踪和对其它航天器的信号进行中继传输，相当于把地面上的测控站升高到了地球卫星轨道高度。我国的“天链”系列卫星（图23）就属于跟踪和数据中继卫星。

c. 基准类卫星

这类卫星用于提供位置的基准信息，其中包括导航卫星（图24）、测地卫星。

导航卫星的任务是提供位置信息。目前，已开始运行的卫星导航系统有：美国的全球定位系统（GPS），目前唯一覆盖全球的系统；俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS），目前只覆盖俄罗斯境内；中国的“北斗”导航系统，目前只覆盖中国境内，还处于发展阶段。此外，欧洲也正开始建设伽利略定位系统。

测地卫星则用于对地球进行测量，可完成大地测量、地形测定、地图测绘、地球形状测量，以及重力和地磁场测定。

2. 空间探测器

空间探测器是指对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人探测器，也称深空探测器。关于月球探测器和火星探测器的情况，将在后面进行专门介绍，这们主要介绍一下对太阳、其它行星等进行探测的空间探测器的大概情况。

空间探测器的显著特点是：在空间进行长期飞行（飞抵目标有的需要几个月、几年甚至更长），因地面不能进行实时遥控，必须具备自主导航能力；向太阳系的外行星飞行，远离太阳，不能采用太阳能电池阵，而必须采用核能源系统；承受十分严酷的空间环境条件，需要采用特殊防护结构；较之人造地球卫星，离开地球的速度更大等。

目前，人类所发射的空间探测器已经对太阳及其各个行星和“哈雷”彗星进行了探测，对个别行星的卫星也进行了探测。下面简单介绍几个比较著名的空间探测器的情况。

（1）太阳探测器

太阳探测器自然是指对太阳进行探测的空间探测器。多个国家已经发射或即将发射太阳探测器。最为著名的莫过于美国和欧洲联合研制的“尤利西斯”号太阳探测器（图25），于1990年发射，在轨工作了18年，目前已无法再传回数据。

地球等太阳系行星和大部分探测器都在位于太阳中部的黄道平面内运行，而“尤利西斯”号的运行轨道差不多和黄道平面垂直，以使科学家能近距离观察太阳两极地区。它传回的探测数据改变了人们对太阳风、太阳磁场以及太阳表面活动情况的认识。“尤利西斯”号的探测活动揭示了太阳磁场对整个太阳系的影响，如太阳风的速度会随着纬度的递增而加快。此外，它还使科学家发现了更多银河系以及宇宙的奥秘，对于宇宙间的彗星也有意外的发现。除了为科学家们研究日光层成分提供珍贵的数据，“尤利西斯”号创下了人类观测太阳最长时间的纪录。

（2）水星探测器

2011年3月，美国“信使”号水星探测器（图26）成为第一颗进入水星轨道的探测器，该探测器于2004年8月发射升空，历时6年多才进入水星轨道。水星虽然离地球不太远，但要发射探测器成为水星的人造卫星，却非易事。由于水星离太阳很近，因此要想克服太阳的拖曳而进入水星的轨道，探测器需要进行多次减速。自发射以来，“信使”号已多次飞越金星、地球和水星进行减速。在这些“引力辅助”下的机动过程中，大大消耗了“信使”号所携带的燃料。

（3）金星探测器

金星是除太阳、月亮之外天空中肉眼能够看到的最明亮的星星。人类对于金星的探测，早在上世纪60年代就由苏联率先开展，先后发射过多个探测器，有的还携带有登陆器，且成功地在金星表面软着陆（着陆后探测器还能继续工作），并进行了岩石标本采集和分析。

美国对金星的探测则是后来居上，先后发射了“水手”系列探测器、“先驱者-金星”系列探测器和“麦哲伦”号探测器（图27）。有报道称，“麦哲伦”号是迄今最先进最为成功的金星探测器。它于1989年5月，由“亚特兰蒂斯”号航天飞机携带上太空后，依靠自身火箭开始了飞往金星的航程。“麦哲伦”则经过15个月的航行之后才进入围绕金星的轨道。

（4）木星探测器

“伽利略”号木星探测器（图28）是首个进入木星轨道的探测器，专门用于研究木星及其卫星。"伽利略"号于1989年10月由“亚特兰蒂斯”号航天飞机运送升空，于1995年12月进入木星轨道，完成探测任务之后，于2003年9月主动坠毁于木星。

“伽利略”号创造了一系列记录：绕木星运行34周；与木星主要卫星35次相遇；在木星的三颗卫星上发现了地下液态水存在的证据；第一次从轨道上对木星系统进行了完整考察；第一次对木星大气进行了直接测量。在1994年的彗星撞木星天文奇观中，“伽利略”号观测到舒梅克·利维九号彗星碎片撞入木星的过程，而地球上的望远镜则要等待木星自转来观测其阴影。“伽利略”号对研究木星的卫星也作出了很大的贡献。在“伽利略”号到达木星之前，人们一共发现了16颗木星的卫星；而“伽利略”号到达后又发现了多个卫星，现在这个数字已经上升到了63个。

2011年8月，美国又成功发射了“朱诺”木星探测器，预计在2016年进入木星轨道。

（5）土星探测器

“卡西尼-惠更斯”号土星探测器（图29）是由美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局合作完成的。1997年10月“卡西尼-惠更斯”发射升空，采用先后向金星、地球、木星借力的方式，于2004年7月进入土星轨道，入轨后放出“惠更斯”探测器飞往土卫六（土星的一颗卫星）对其进行探测，“卡西尼”号则对土星进行探测。此后，“惠更斯”成功登陆土卫六。“卡西尼”探测器将于2017年结束任务。

“卡西尼-惠更斯”号土星探测器也创造了一系列的纪录，包括探测到土卫六可能存在水的海洋。

（6）天王星和海王星的探测器

20世纪70年代末，美国利用一次几百年一遇的罕见的行星排列机会（多颗行星排列成接近直线），发射了“旅行者”1号、“旅行者”2号两颗外行星探测器。“旅行者”1号在飞过木星和土星后，完成了自己的绝大部分使命。而“旅行者”2号（图30）则继续飞行，成为第一个造访天王星和海王星的探测器。

“旅行者”2号于1977年8月发射升空，1979年7月9日最接近木星，1981年8月25日最接近土星，1986年1月最接近天王星，1989年8月最接近海王星。在经过天王星的时候，它发现了10个之前未知的天王星的卫星。“旅行者”2号接近海王星的时候，还飞向“海卫一”（海王星的一颗卫星）进行了考察。

此后，“旅行者”2号逐渐向离开太阳系的方向继续飞行。2006年9月，“旅行者”2号处于距离太阳80.5个天文单位处，这个距离大概是太阳与冥王星之间的距离两倍。2010年4月底至5月初，“旅行者”2号运行至太阳系的边缘。这期间“旅行者”2号向地球发送出一些非常奇怪的信号，在经过13小时后，信号被NASA的深空天线成功接受。但遗憾的是，科学家至今无法破解这些信号的含义。

据天文学家们计算，如果“旅行者”2号能顺利一直地飞行下去，从理论上讲，将在公元8571年飞抵距离地球4光年的Barnard恒星附近；而到公元20319年，将飞抵距离半人马座3.5光年的地方；而到296036年，将到达距离天狼星最近处（约4.3光年）。

与“旅行者”1号探测器一样，“旅行者”2号也携带有一批所谓的“地球名片”——包括刻着各种几何图案的镀金铜片，以及记录有地球上各种声音的唱盘，为的是让可能存在的外星智慧生物知道地球上也存在着生命。

据称，“旅行者”2号将会继续传送讯号至2020年左右为止。

此后，美国于2006年1月成功发射了“新地平线号”冥王星探测器，预计在2015年抵达冥王星。2008年10月，美国发射了星际边界探测器。该探测器将飞赴太阳系边界地带进行探测，是人类发射的第一个专门探测太阳系与星际空间交界地带的探测器。

（7）“哈勃”空间望远镜

“哈勃”空间望远镜（图31）是一个在轨道上环绕着地球的望远镜。它的位置在地球的大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处——影像不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。“哈勃”于1990年被发射之后，已成为天文史上最重要的仪器，填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决了许多根本问题，为天文学家认识和研究宇宙提供了一个全新的工具和手段。（未完待续）