【航天甲子年50讲】 08 载人航天



文:晟宇(视频讲解)

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一、前言


聊到了载人航天的话题,晟宇就特别的激动。因为曾经参与过天宫二号任务,虽然负责的只是上面一颗小小伴星的小小相机,依然是人生中一段重要的经历,自己在这个过程中也在很多方面得以成长。


载人航天是复杂的系统工程,载人航天包含了太多的技术内涵,载人航天对于国家乃至人类的发展都有着巨大的意义。载人航天是人类的壮举,也是国家强大的标志,更是人类走向宇宙的艰难一步。短短的分享只能管中窥豹,看个轮廓。


二、从阿波罗十三号说起





我自己在很早的时候就看过《阿波罗十三号》这部电影,早先是因为我是汤姆汉克斯的粉丝,后来成了航天发烧友又看了几次。最近买了热书《设计冲刺》,其中一节以阿波罗十三号为例展开,于是又看了一遍。


对于聊载人航天来说,Apollo 13 是一个非常好的切入点。这次任务在飞往月球的过程中出现重大事故,最后却群策群力,天地协同,成功返回,被称为成功的失败(Successful Failure)。整部影片从各个方面和角度道出了载人航天工程的一些要素。


载人航天的目的是:人类自由安全地进出宇宙空间。因此宇航员的生命安全是首要保障的。同时从天地协同地解决问题中我们又看到了载人航天系统的复杂性。整个工程包含飞行器系统,轨道控制,导航与制导、测控与通信、计算机、能源以及生命保障系统,这些系统紧密关联,在出现事故之后地面上也是一个庞大的支持团队日以继夜的抢救,才最终充分利用了一切技术与资源保障了航天员的返回。同时我们看到了载人航天的巨大意义,就是发挥出了人在太空的巨大价值,很多决策和操作都是倚靠3名宇航员做出的,人在太空能发挥出更大的价值。





我们来回顾一下这个任务的过程,在任务开始的56个小时之后,也就是Apollo 13号离开地球330000km时,服务舱发生了爆炸,造成了氧气和水的泄漏。同时损毁的还有电池组和二氧化碳的过滤装置。


接下来的过程就体现了地面指挥系统如何与宇航员一起把安全返回作为结果的冲刺过程。





事实上,影片中画下的那张简图也一直在整个冲刺的过程中留在黑板上,一切都以此为出发点来开展来检验,因为解决了轨道的问题才有返回的可能,因此核心的成员开展轨道的计算,再一步步的解决这个工程中的能源使用问题,宇航员的呼吸问题。






重入大气之前与服务舱分离后拍下了服务舱的爆炸受损情况,十分的严重,这次的成功返回真的是一个奇迹。





从加加林在1961年进入空间以来,人类的太空旅行历史已经有56年之久。离开地球的人类已经有500多人,从2000年以来更是一直有人类在空间飞行。载人的航天器从最早承载一人的宇宙飞船发展出了承载多人的飞船、航天飞机、空间站等不同类型的载人飞行器。期间的阿波罗计划更是让人类的脚步延伸到了30多万公里以外的月球。


三、那些关键点





要进入空间,尤其是载人的航天器往往都非常巨大,因此载人航天得以实现的前提就是大推力的火箭。而且对于运载安全性也提出了很高的要求,往往都需要进行多次验证,并多系统备份来保障运载过程的顺利。




同时在整个载人航天任务的过程中要进行对于人类的空间环境控制和生命保障。因为毕竟要把人安全地送上太空,再安全健康地带回来。需要考虑包括运载主动段和重入过程中的力学环境对人的影响。


在空间工作过程中太阳和宇宙射线对人体的辐射要进行防护;失重条件下的骨质和肌肉的流失等健康问题一方面是需要考虑的重要因素,一方面也是研究的内容。





载人航天同时也都承载了很多科学研究内容,这正是载人航天的特色和优势。那就是人类可以开展更为复杂,更为多样的空间实验。所以很多载人飞行器也是空间的实验室。例如我们的天宫二号空间实验室在空间的工作过程中就要开展很多的科学实验。




天宫二号开展的科学实验多达14大项。很多实验例如空间的材料实验和生物实验等航天员都发挥了极其重要的作用,实际上航天员在空间的日程非常的充实,他们和各个领域的科学家、工程师做出的这些努力换来的是载人航天工程对社会的巨大回报。以阿波罗计划为例,据说当时每一美元的投入带来的社会整体回报是9美元。载人航天的系统研制和空间科学实验催生出来大量造福人类的技术与应用成果。




载人航天最后的一个关键技术就是航天器的重返了,虽然卫星的重返技术已经很成熟,但是载人航天器重返的最后那段时间也是最危险的一段时间,稍有疏忽就是灾难。这个过程中从恶劣的力学环境过载到黑障的高温与通信中断,再到最后的降落,任何一个环节的失误都会造成无法挽回的后果,同时航天员也需要经受住这一过程的中的恶劣环境与心理因素。




我们再来回顾下NASA的空间项目流程,我们可以看到其中的三角形代表是评审,也就是技术考核的关卡。载人工程的评审是最多的,也可见其复杂性与高可靠性安全性的要求了。





如今载人航天的商业公司越来越多,包括了马大侠的SpaceX,贝索斯的Blue Origin等等,技术越来越成熟,成本越来越低,空间旅游指日可待。


各种行星殖民的梦想也在一天天越来越真实,载人航天就是正是这个新时代的航船。


下一期我们来聊聊空间的机器人,欢迎关注。



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[航天甲子年五十讲] 往期回顾


【航天甲子年50讲】 01 飞天

【航天甲子年50讲】 02 轨道力学

【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动

【航天甲子年50讲】 04 奔月:从地球到月球

【航天甲子年50讲】 05 空间任务几何

【航天甲子年50讲】 06 空间环境

【航天甲子年50讲】 07 卫星设计流程

发布于 2017-11-29