北大微讲堂：载人航天与天宫实验室 - (EPUB全文下载)

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焦维新｜Jiao Wei xin
 
 
各位同学，晚上好！
我之所以做这个讲座，是因为今年是载人航天非常热闹的一年。大家知道在7月，美国执行了30年的航天飞机计划已经宣告结束。在航天飞机停止飞行以后，紧接着就是我们发射天宫实验室，而且不久将要发射神舟八号飞船，所以对我们的载人航天来说，今年是非常重要的一年。
中国的载人航天在世界的载人航天历史中处于什么样的地位？载人航天的用途如何？我们通过这个讲座给大家做一个介绍。
现在我们看到的这些图片（图1）是有代表性的：左上角是人类第一艘载人飞船东方号——加加林就是乘坐这艘飞船遨游太空的，这是我们的神舟六号，这是阿波罗号飞船，这是当今世界上水平最先进的联盟TMA飞船，这是刚刚建成的国际空间站，这是美国的航天飞机，这个是将在2020年左右建成的中国的空间站。所以说，这些图概括了载人航天的过去、现在和未来。
图1
今天想给大家介绍三方面的内容：第一是载人航天的类型与发展趋势；第二是载人航天的应用；第三是中国载人航天的特色。
概括来说，载人航天分三种类型：第一种是载人飞船，第二种是航天飞机，第三种是空间站。这三种类型应该说各有各的特点，各有各的用途。
关于载人飞船，如果我们给它下一个定义的话，可以说是能保障航天员在太空短期生活和工作、并安全返回地面的一次性使用的航天器。它与返回式卫星最大的不同在于它有生命保障系统。按照我们这个定义，它是一次性使用的航天器。从现在来看，飞船基本上都是一次性使用的，也有的国家正在研制可重复使用的飞船，但是现在还没有研制成功。
现在的飞船和早期飞船不一样了，都是三舱结构，前面叫轨道舱，中间叫返回舱，后面的叫服务舱。返回舱是飞船的指挥控制中心，在发射和返回的时候，航天员都是乘坐在返回舱里面。而轨道舱，顾名思义，进入轨道以后航天员就要进入轨道舱，进行各式各样的科学实验，比如空间对地观测等。服务舱提供很多的服务功能，比如说我们的飞船要变轨以及提供生命保障系统、提供氧气、净化舱内空气等等。发射的时候三位一体进入轨道，返回的时候返回舱先后与轨道舱和服务舱分离，最后回到地面的只有返回舱，而服务舱则坠毁在大气层里面。
我们国家的轨道舱有点特殊，跟俄罗斯的不一样，可以留轨利用，可以工作半年以上，还可以继续进行科学实验。
载人飞船一般来讲都比较小，包括俄罗斯的联盟飞船、我们的飞船，大概都在9吨左右。它主要用于什么呢？一个是试验各种载人航天技术，比如说我们的飞船上天了，生命保障系统行不行？要太空行走了，航天服以及气闸舱行不行？神八发射以后，验证我们的太空交会对接技术是否行，所以验证各式各样的太空技术，是载人飞船的一个重要任务。
还有一个重要功能是为空间站接送人员，在空间站建设的过程以及维持空间站的过程中，要定期地把航天员送到太空，然后把在太空中停留一段时间的航天员接回来，天地之间往返的运输工具主要是飞船。也能进行少量的科学实验和对地观测，还有特殊制造的飞船可以登月，将来还要登火星，虽然飞船比较小，但是用途还是比较多的。
我们看看载人飞船发射的情况，根据这些发射的数据我们可以看出哪国的飞船更先进，苏联最早的是东方号，第二代是上升号，联盟号飞船已经发射了109次，美国最著名的是阿波罗飞船，但是为了使阿波罗飞船能够成功登月，在之前要验证一些技术，就包括了水星号、双子星号，它也是为了验证一些技术，比如说太空行走、太空交会对接。在近地空间都没法对接呢，跑月球怎么去对接啊？所以，水星号和双子星号主要是为阿波罗飞船的发展服务的。
我们的神舟飞船发射了七次，但是载人飞行目前只有三次，从这里可以看出原苏联和俄罗斯非常重视飞船的发展。
俄罗斯的飞船比较先进，衡量一个飞船水平的标准是什么呢？第一个是安全性；第二个是对接的可靠性和再次对接的能力，一旦我第一次对接不成功，我调整轨道还有第二次对接；第三个是科学实验的水平和在轨寿命。现在飞船在太空停留最长的时间大概是13天，一般也就停留一周左右，因为给养有限；第四个是航天员感觉的舒适程度，所以苏联最早是东方号，然后是上升号，后来发展到联盟T，联盟T是为了和礼炮号空间站进行交会对接的，联盟TM是为了跟和平号空间站交会对接的，联盟TMA是专门和国际空间站交会对接的。在联盟TMA基础上，今年又开始发射联盟TMAM。
虽然俄罗斯的飞船比较先进，但是由于它在经济上不景气，另外它也不愿意过多地为空间站尽义务，所以一年就发射两次飞船，对不起，你到了空间站以后，你一待就得半年，所以我给联盟TMA飞船一副对联，上联：技术先进一船挑起大梁，下联：囊中羞涩一年只飞两趟，横批：力不从心。这是联盟飞船的情况。
第二种类型是航天飞机。它的定义是有人驾驶，可重复使用，能在太空与地面之间穿梭飞行，执行各种任务的航天器。我们说的航天飞机，其实在整个系统中叫轨道器，它还有外挂燃料箱，两个柱形的固体助推火箭，由三部分组成。只有轨道器才进入太空飞行，它有多大呢？长37米，高17米，自重就有109吨，有效载荷25吨以上，我们看这是一个庞然大物。
联盟TMA飞船有多大呢？它载三名航天员之外，还能载100多公斤的给养，而航天飞机光有效载荷就有25吨，自重109吨，所以加在一起是134吨，这是任何一个飞船没法比的。这个运载能力就是载人登月火箭应具备的运载能力，你要想载人登月就得达到这么一个水平。
我们看到的(图2航天飞机）这个高高的黄色的东西叫做外挂燃料箱，里面装的是什么呢？液氢、液氧，长47米，直径8.4米，比我们的教室还要粗得多，推进剂700多吨，外表我们看到的黄色东西的是2.5厘米厚的热防护层。为什么有热防护层呢？液氢的温度是零下200多度，液氧的温度是零下100多度，如果没有个热防护层的话，大气层一给它加热，液氢变成氢气了，那就要爆炸了，所以说要防止热交换。
外挂燃料箱是为航天飞机的主发动机提供燃料的，我们看两个圆柱形的物体是当今推力最大的固体助推火箭，它为航天飞机起飞时提供83%的推力，但是它发射两分多钟以后就与轨道器分离了，然后用降落伞 ............

书籍插图：

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