太空舱

太空舱是一种形状简单的航天器（往往是载人的），没有机翼即可再入地球大气层。太空舱与卫星的主要区别是，能够受控再入，并携带有效载荷从轨道返回地面。尽管已经有载人航天飞机被发射至太空轨道，但大多数载人航天器设计仍然使用太空舱。载人太空舱的例子包括目前的联盟号、神舟、猎户座、CST-100（英语：Boeing CST-100 Starliner）和飞龙2，未来的奥勒尔（英语：Orel (spacecraft)），以及历史上的东方号宇宙飞船、水星号、上升号（英语：Voskhod (spacecraft)）、双子座和阿波罗指令舱。载人太空舱必须能够在太空的真空条件下维持生命，往往还要求热环境和辐射环境。为此，太空舱需要许多系统，包括反推力系统、环境/生命支持系统、隔热材料、可以约束失重宇航员的座椅、通信天线、对接硬件、发射逃逸系统等。由于发射载具的空气动力学要求，太空舱的直径通常小于5米（16英尺）。太空舱在设计上，既要有效利用容积，又要在结构上坚固，因此通常可以造出的小型太空舱，其性能除了升阻比外，与举升体或太空飞机的设计相当，但成本更低。联盟号宇宙飞船就是一个例子。大多数太空舱使用烧蚀隔热罩来再入，这种是不可重复使用的。早期航天器的玻璃涂层上嵌有合成树脂，可置于很高的温度下。目前在空间探索中进行比较的几种材料是碳纤维、强化塑料和高温陶瓷砖或超高温陶瓷片。太空舱非常适合高能再入。太空舱再入时底部朝下，乘员采取躺卧姿势，因为这是在太空舱冲击大气时人体承受其产生的超重的最佳姿势。太空舱的圆形（钝体）会形成冲击波，使大部分热量远离隔热底，但是仍然需要热保护系统。太空舱必须足够坚固，以承受再入力，比如阻力，并且必须以精确的攻角再入，以防止因破坏性的高加速度而逃离大气层表面。当太空舱穿过大气层时，它会压缩其前面的空气，并将空气加热到很高的温度。太空舱在穿过地球大气层下落时，其表面温度可达1480℃（2700F）。为防止这些热量到达内部结构，太空舱通常配备有烧蚀的隔热大底，大底会熔化进而蒸发，从而带走热量。阿波罗指令舱在再入时，其质心是偏离其中心线的；这导致该舱在大气中呈倾斜角度，提供了可用于方向控制的升力。反推力系统推进器通过改变升力矢量来操纵太空舱。降落的最后阶段会使用降落伞，有时如果太空舱被设计为在陆地着陆，还会通过制动火箭来进一步减速。在陆地着陆的太空舱包括苏联/俄罗斯的联盟号和中国的神舟。其它太空舱，如水星号、双子座、阿波罗和飞龙号等则是在海上溅落。苏联在1955年国际地球物理年会议上宣布将发射无人卫星，开启了其太空飞行计划。他们直到成功之后，才宣布已经完成了太空飞行。1957年11月3日，一只名为莱卡（Laika）的狗乘坐斯普特尼克2号被送入轨道，随后东方计划成功地将尤里·加加林送入太空中一个单一轨道，并于1961年4月12日使其安全返回。东方号飞船由R-7弹道导弹衍生的高性能运载火箭发射的，它比同等的水星号飞船重了很多。直到加加林进入太空四年之后，东方号的设计细节才被公开披露；而火箭和飞船的首席设计师谢尔盖·科罗廖夫的身份则一直保密到1966年他去世之后。该太空舱为球形，完全覆盖着烧蚀隔热材料，直径2.3米（7.5英尺），重2,460千克（5,420英磅）。飞船被罩在鼻锥里，以降低发射时的阻力；圆柱状的内舱直径约1米（3.3英尺），几乎与飞船的纵轴相垂直。宇航员坐在带有单独降落伞的弹射座椅上，以在发射时的紧急状况下逃生，及在正常飞行情况下着陆。太空舱有自己的降落伞，以便降落。尽管官方消息称加加林是在太空舱内一起着陆的，这也是根据国际航空联合会（IAF）的规则对首次载人航天飞行资格的要求，但后来被发现，所有东方号的宇航员都是从太空舱中弹射出来分别着陆的。该舱还有一个朝后的2.25米（7.4英尺）锥形设备舱，长2.43米（8.0英尺），重2,270千克（5,000英磅），搭载了氮氧呼吸气体、电池、燃料、姿态控制（英语：Attitude control）推进器和制动火箭（英语：Retrorocket）。它可以支持长达十天的飞行。东方号成功进行了六次发射，最后两次是结伴飞行的。最长的飞行时间仅有五天，是东方五号在1963年6月14日至19日的飞行。1964年10月12日，苏联宣布由上升1号进行三人飞行，当时的苏联媒体吹嘘，它具备宇航员的常服环境（英语：Shirt-sleeve environment）。然后，1965年3月18日宣布了上升2号的双人飞行，宇航员阿列克谢·列昂诺夫进行了世界上第一次太空行走。但是，上升号没有再进行更多的飞行。上升号（英语：Voskhod (spacecraft)）的设计细节后来被透露，它只是对单人上升号的修改，用三人矩形舱代替了圆柱舱，并增大了制动火箭。上升1号的乘员不能穿宇航服，因为飞船已经达到了运载火箭载荷能力的极限。整个上升号飞船重达5,682千克（12,527英磅）。在上升2号上，一个宇航员座椅被替换为一个笨重的、可充气的减压舱（英语：Airlock）（它在列昂诺夫回到太空舱时带来了很多麻烦），这是因为太空舱中的航空电子设备在真空中会产生过热而失效。该计划在两次飞行之后没再继续。1958年，美国宣布了水星计划“水星计划”，这是一系列近地轨道飞行任务。水星计划7人被选中试飞，由马克西姆·费吉特（英语：Maxime Faget）领导的团队设计了一个单人太空舱。麦克唐纳飞行器公司赢得了建造水星太空舱的合同。锥形舱的直径为6英尺（1.8米），呈钝体，底部有隔热罩。舱的总长度为10.8英尺（3.3米），其中包括一个装在隔热罩上的制动火箭包。最重的太空舱总质量为3,000英磅（1,400千克），只能在轨飞行一天多。发射时，一个24.1英尺（7.3米）长的逃逸塔被连接到太空舱的头部，其中装有一枚固体燃料火箭，能够在紧急情况下将太空舱带离发射载具。用于亚轨道飞行的太空舱使用了由铍制成的辐射隔热罩，并由水星-红石运载火箭（英语：Mercury-Redstone Launch Vehicle）发射升空。而轨道舱则使用了由嵌入铝蜂窝结构中的玻璃钢制成的烧蚀隔热罩，并由宇宙神LV-3B（英语：Atlas LV-3B）发射升空。在苏联的首次载人轨道太空飞行近一个月后，美国将它的第一位水星宇航员艾伦·谢泼德送入亚轨道飞行。在苏联人于8月6日发射了第二艘东方号，并进行了为期一天的太空飞行之后，美国终于在1962年2月20日将第一名美国人约翰·格伦送入太空轨道。美国总共发射了两艘载人亚轨道水星太空舱和四个载人轨道太空舱，飞行时间最长的是水星-宇宙神9号（英语：Mercury-Atlas 9），共绕轨道飞行22圈，持续了32个半小时。由水星-宇宙神9号（英语：Mercury-Atlas 9）送上天的水星太空舱达到了其最长飞行时间24小时，之后，美国宇航局决定不再继续水星飞行任务，而是升级飞船来延长其飞行时间。麦克唐纳飞行器公司开始了一项基于水星升级的设计计划，但采用了更加模块化的设计，将支持系统移到了太空舱以外。更大的尺寸也能够搭载两名宇航员。麦克唐纳称他们的新设计为“水星马克II”（Mercury Mark II）。同时，美国宇航局已经启动了三人的阿波罗计划，以将人送上月球，并决定用一艘双人的、扩展的宇宙飞船来帮助开发阿波罗所需的太空飞行能力。他们选择麦克唐纳作为承包商来开发后来的双子座计划，而没有经过竞争性招标，因为麦克唐纳在水星计划中表现出色。双子座的太空舱是水星的放大版，其隔热罩的直径有7.5英尺（2.3米）。推进器、电源、姿态控制和制动火箭都被放在了一个外部设备舱中，这样太空舱就能匹配直径10英尺（3.0米）的泰坦II双子座运载火箭（英语：Titan II GLV）。添加的推进器可以进行平移控制和姿态控制，从而使飞船可以更改其轨道倾角和高度。电池已被替换为氢氧燃料电池，以延长供电时间，从而使飞船可在轨道上停留长达两周。太空舱有两道舱门，可以在飞行中打开和关闭，从而可以进行舱外活动（EVA）。舱内的航空电子设备不需要环境空气冷却，因此可以在舱外活动期间给舱内减压。发射逃逸系统使用了宇航员弹射座椅来代替外部逃逸火箭塔。整个飞船重7,100至8,350英磅（3,220至3,790千克）。1965年3月23日，美国第一次双子座载人飞行任务的双子座3号发射升空。1965年6月3日，美国实施了第一次太空行走，宇航员是爱德华·怀特，飞船是双子座4号。在1965和1966年的10次双子座载人飞行过程中，美国在太空飞行能力上超过了苏联，取得了领先，实现了长达两周的飞行、空间交会及对接，并且可以克服太空行走的严苛条件在飞船外执行有用的工作。中华人民共和国曾计划加入太空竞赛，于1967年发射名为曙光一号的载人飞船，但当时并没有将计划公开。由于资金和政治问题，这些计划在1972年被取消。阿波罗飞船的概念源于1960年，是水星计划后续的三人飞船。1960和1961年，美国航天局向几家公司征求了阿波罗飞船可行性研究（英语：Apollo spacecraft feasibility study），而空间任务组（英语：Space Task Group）已经开始了设计工作，使用一个圆锥/钝体太空舱（指令舱），以及一个能提供电力和推进力的圆柱形服务舱作支持。在没有竞争的情况下，NASA的设计被采纳，而建造阿波罗的合同则交给了北美航空。阿波罗的指令/服务仓（Command/Service Module，简称CSM）最初的设计是将三个人放在一个大的有腿的着陆平台上，直接带到月球表面。指令舱的尺寸为直径12英尺10英寸（3.91米），长11英尺1.5英寸（3.391米）。但是，后来决定使用月球轨道交会的方法。由于太空舱已经开始了重要开发工作，因此决定继续使用现有的设计作为Block I，同时开发一个能够与阿波罗登月舱（Lunar Excursion Module，简称LEM）交会的Block II版本。除了增加对接通道和探针外，Block II还能根据从Block I的设计中学到的经验对设备进行改进。在阿波罗1号火灾之前，Block I原本打算用于无人试验飞行和少量载人的地球轨道飞行。Block II的CSM加满燃料后重63,500英磅（28,800千克），执行了四次载人地球和月球轨道试验飞行，以及七次载人月球着陆任务。飞船的一个修改版本还曾将三名乘员运送到天空实验室空间站，还送过一名阿波罗-联盟测试计划的乘员。阿波罗飞船在1974年之后退役。三人的联盟号宇宙飞船是在1963年首次提出的，当时的目的是用于月球探测任务的地球轨道组装。其任务后来扩展到包括飞往空间站。联盟号包括一个小型、轻量的钟形再入舱，以及一个包含大量生活空间的在轨载人舱，和一个带有太阳能电池板和推进系统的服务舱。联盟7K-OK（英语：Soyuz 7K-OK）是为地球轨道设计的，其再入舱重2,810千克（6,190英磅），直径2.17米（7.1英尺），长2.24米（7.3英尺），内部容积4.00立方米（141立方英尺）。其球形的轨道舱重1,100千克（2,400英磅），直径2.25米（7.4英尺），含对接探针长3.45米（11.3英尺），内部容积5.00立方米（177立方英尺）。飞船总质量为6,560千克（14,460英磅）。在科罗廖夫去世之后，1967至1971年，有10艘飞船进行了载人飞行。第一艘（联盟1号）和最后一艘（联盟11号）发生了最早的太空死亡。科罗廖夫开发了一种9,850千克（21,720英磅）的7K-LOK（英语：Soyuz 7K-LOK）变体，用于登月任务，但从未载人飞行过。联盟号的升级版今天仍然在将人送往国际空间站。中国在1990年代开发了“神舟”飞船，其设计理念和联盟号一样，包括轨道、再入及服务舱。它于1999年进行了第一次无人试验飞行，并在2003年10月进行了首次载人飞行，将杨利伟送入地球轨道并绕地球14圈。