专家解析后航天飞机时代俄美航天战略

2011-4-12 09:20 来源: 科学时报
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  ■ 今年4月12日,是世界上第一艘载人宇宙飞船飞天50周年——1961年的这一天,苏联“东方一号”宇宙飞船发射成功,该国航天员尤里·加加林乘这艘飞船绕地球飞行一圈,历时108分钟,而后安全返回地面。为纪念人类首次太空飞行,4月7日,第65届联合国大会通过决议:将每年4月12日确定为国际载人航天日。

  ■ 今年4月12日同时还是世界上第一架航天飞机上天30周年——1981年的这一天,美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功。

  ■ 今年4月19日则是世界上第一座空间站40年纪念日——1971年的这一天,苏联成功发射“礼炮一号”空间站。

  伴随着航天飞机的全面退役,美国载人航天战略将出现历史转折。早在1988年11月15日,苏联亦曾发射过一架无人驾驶航天飞机“暴风雪号”。它与美国航天飞机各有千秋,然而因苏联解体、建造成本太高,后来再未使用。

  后航天飞机时代,美国、俄罗斯这两个航天大国各持什么样的战略战术?未来载人航天科技将呈何种发展趋势?《科学时报》记者特邀我国两位航天科技专家:北京系统工程研究所研究员黄志澄、中国空间技术研究院研究员庞之浩,就此发表见解。

航天飞机“谢幕”,宇宙飞船奋飞犹酣

  美国现役3架航天飞机——“发现号”、“奋进号”和“阿特兰蒂斯号”的使用寿命行将到期,按计划,它们将于今年上半年退役。2月24日,“发现号”最后一次发射升空,“奋进号”和“阿特兰蒂斯号”也将相继“吻别”太空。

  距加加林飞上太空50周年相差7天,俄罗斯于4月5日特意发射了以加加林命名的“联盟TMA-21”载人宇宙飞船。这艘飞船不仅载有加加林肖像,还印有当年升空前加加林那句名言“我们走吧”(Let’s go)。

  据黄志澄和庞之浩介绍,目前,人类共研制3种载人航天器,即宇宙飞船、航天飞机和空间站。其中,苏联摘取两个第一:第一艘载人飞船和第一座空间站;美国航天飞机则有着30年的辉煌历程。

  然而,当航天飞机退役之后,美国载人航天将面临6年以上近地轨道航天运输系统断档期。在这个时期内,美国为国际空间站运送货物或许会有较多选择,但运送人员只能依靠俄罗斯的飞船。为此,美国总统奥巴马曾寄希望于新兴的商业航天公司,但毕竟它们起步较晚,且能否保障载人安全,外界存有诸多疑虑。

  而今,美国失去航天飞机优势,加之国际空间站的应用亟待取得重大突破,这必然增加俄罗斯将自主舱段独立出去的可能性。

奥巴马新政:21世纪太空探索战略

  “发现号”航天飞机今年2月24日最后一次发射,美国航空航天局(NASA)局长查尔斯·博尔顿为此而伤感落泪。在接受BBC采访时,他说:“我会对国会和美国民众说,我们不会失去在人类探索方面的领先地位,不会失去太空探索的领先优势。”

  黄志澄重点点评了美国载人航天历程与发展战略。

航天飞机时代的辉煌与悲壮
 

  20世纪70年代,为与苏联相抗衡,美国国会于1972年初批准航天运输系统采用航天飞机方案。历时9年,花费约100亿美元,至1981年4月,美国终于使第一架航天飞机“哥伦比亚号”飞上太空,从而步入航天飞机时代。

  航天飞机是载人航天器突破一次性使用惯例的创新成果,是航天器可重复使用阶段的重要标志。航天飞机的优势为:运载能力大,载重可达30吨;在太空运行时间长,可达30天。这些优势使它在国际空间站的建设与安装中,发挥了不可替代的作用。除此,航天飞机还完成了包括施放卫星、发射宇宙探测器与哈勃太空望远镜以及在太空维修并回收卫星等一系列任务。30年来,航天飞机运送货物1360余吨,600多人次的航天员搭乘其进入太空。

  然而,由于缺乏经验以及研制工作受经费和进度限制,航天飞机采用外部燃料箱、助推固体火箭发动机与轨道器并联方案,运行后存在许多安全隐患。由此,航天飞机在不断创造辉煌记录的同时,也留下人类探索太空历程中最让人感伤的悲情时刻。1986年“挑战者号”与2003年“哥伦比亚号”爆炸解体,两次悲剧中各有7名航天员魂留太空,美国载人航天遭遇巨大挫折。

  航天飞机在设计时很少考虑其运行问题,特别是其外部的防热瓦维护十分困难,从而带来航天器技术复杂、发射费用和维修成本高等问题。航天飞机每飞行一次费用高达5亿美元,返回后还要进行大量费时费力的检修,NASA为此不堪重负。

  航天飞机研制成功后,NASA还曾花费大量资金发展空天飞机和单级入轨的火箭飞机,但皆因技术水平要求太高而失败。

陷进退两难困境

  美国率先发展航天飞机,尔后才考虑空间站建设。与其说发展航天飞机是为空间站服务,还不如说在一定程度上发展空间站是为航天飞机找寻一个出路——其运行和维护费用为美国载人航天最大的支出项目。

  1984年1月25日,时任美国总统里根批准NASA建造规模庞大的“自由号”空间站。几经反复,最后决定改由美国、俄罗斯、欧洲、日本和加拿大等多国合作建设。1998年11月,第一个功能货舱发射。按计划,该空间站于2006年建成,然而由于经费、技术和计划协调等原因,进展十分缓慢。特别是2003年美国“哥伦比亚号”航天飞机失事,导致该工程进度大大推迟。2006年航天飞机复飞,空间站的进展变得顺利,并有望于2011年建成。

  毕竟,国际空间站的应用前景长期处于不确定状态,加之中国载人航天发展迅速,2004年1月14日,时任美国总统布什在NASA华盛顿总部发表演讲,提议美国航天员在2015~2020年间重返月球,并建立月球基地,为下一步载人火星探测等作准备。为此,需在2015年前结束国际空间站任务,2010年停飞航天飞机。

  根据布什这个设想,NASA开始执行一项以研发“战神”系列火箭和“猎户座”飞船为主要内容的“星座计划”。这个太空计划雄心勃勃,然而正如布什所讲:“不知道这次旅行将在哪里结束。”实际上,该计划在技术、进度和经费等方面,都面临巨大挑战。

  奥巴马上台执政后,面临金融危机和伊拉克、阿富汗两场战争的财政压力,又考虑到“星座计划”基本上是采用当年美国载人登月“阿波罗”计划的技术,加之月球资源开发前景不大明朗等,他决定对未来耗资巨大的美国载人航天计划作及时调整。2009年5月23日,他提名前航天员查尔斯·博尔顿为美国航空航天局局长,接替当时的局长迈克儿·格里芬。

  与此同时,奥巴马授权成立以洛马公司首席执行官奥古斯丁为首的“美国载人航天飞行计划评审委员会”,其任务是为未来载人航天飞行计划提出安全、创新、负担得起且可持续的备选方案。

“21世纪太空探索战略”

  2010年2月,奥巴马向国会提交《2011财年NASA预算草案》,开始对“星座计划”进行调整。同年4月15日,奥巴马在肯尼迪航天中心发表重要演说,明确提出美国“21世纪太空探索战略”。该战略确定的目标是计划在2025年实现小行星载人探索任务,在21世纪30年代中期实现进入火星轨道载人飞行,而后载人登陆火星。为此,奥巴马提出要取消“星座计划”。

  奥巴马对美国载人航天计划的调整,遭到以NASA前局长格里芬为首的部分高官和原“星座计划”合同商们的激烈反对,部分国会议员提出许多不同意见,包括新计划目标不够明确、担心美国在载人登月方面会落后于别国,以及由此可能会增加失业等。

  2010年10月11日,奥巴马签署《2011年NASA授权法案》。该法案表明,奥巴马考虑上述不同意见后,作出较大妥协。其内容包括:(1)近地轨道以远空间载人航天的目标,除小行星、火星外还应包括月球;(2)要求NASA立即开始研制能到达近地轨道以远空间的航天发射系统(SLS),继续进行多用途乘员飞行器(MPCV)研发,这两个系统在2016年底前都要具备运行能力,并规定NASA利用航天飞机和“星座计划”中现有技术成果。SLS的初始运载能力为70吨~100吨,最终可达130吨。SLS和MPCV可作为支持国际空间站的备份系统;(3)继续支持商业轨道运输服务(COTS)计划,允许商业航天开发向国际空间站运送人员和货物的运载系统;(4)延长国际空间站使用寿命至2020年。要求NASA采取措施,充分利用国际空间站进行科学研究和技术开发,推进太空探索和国际合作的发展;(5)航天飞机将按照NASA制定的时间表退役,但在2011年6月前,NASA可根据安全评估结果按需要增加一次航天飞机任务,就此推迟裁员进度;(6)重申NASA在地球科学领域的重要地位,强调气候研究、天气预报和环境监测的重要性。

普京誓约:发展新型航天器和运载火箭

  加加林实现人类首次太空飞行50周年前夕,俄罗斯总理普京于4月7日在莫斯科郊外的新奥加廖沃官邸召开航天工作会议,对该国增加航天器发射次数、发展新型航天器和运载火箭,以及加快新发射场建设等提出一系列要求。

  据悉,俄罗斯航天长期发展规划将于今年年底制订完毕。这份规划将确保其未来15年,在勘探月球、火星和一些小行星等领域的领先地位。

  此前,无论是苏联还是解体后的俄罗斯都非常重视载人航天器的研制,尤其是一直将宇宙飞船和空间站的发展作为国策,使其居世界前茅。

  庞之浩着重点评了俄罗斯载人航天历程与发展战略。

卫星式宇宙飞船数字化

  苏联/俄罗斯的卫星式宇宙飞船,可谓技高一筹,至今已相继发展了“东方号”、“上升号”、“联盟号”三代飞船。其中,1967年开始使用的“联盟号”采用3舱式构型,而此前“东方号”和“上升号”为2舱式构型。3舱式构型扩大了航天员工作与生活的空间,而且还能与空间站对接,为空间站接送航天员和物资。1979年、1986年、2002年,苏联/俄罗斯将“联盟号”先后改制成“联盟T”、“联盟TM”、“联盟TMA”飞船,进一步提高其性能。

  2010年10月8日,俄罗斯发射第一艘新改型的“联盟TMA-M”,它是俄罗斯第一艘数字化宇宙飞船,载有CC-101新型计算机,改进了制导、导航与控制单元以及船载测量系统,扩展了功能,减少了船载系统的质量,增加了有效载荷运载能力。

  苏联/俄罗斯的另一项创新,是率先研制、发射“进步号”系列载货飞船,将载人与载货分离,既经济又安全。“进步号”系列货运飞船先后多次改型,有“进步号”、“进步M”、“进步M1”和“进步M-M”,其中2010年开始使用的“进步M-M”是新型货运飞船,配有运行速度更快的先进数字化控制系统,质量更轻,与空间站对接更准确,每艘货运飞船可为国际空间站送去总重约2.5吨的食品、水、燃料和科研设备。

新一代载人飞船往复飞行可达月球

  从2009年起,俄罗斯开始研制新一代载人飞船,暂定名“罗斯号”,简称“未来载人运输系统”(PPTS),计划2018年开始使用。与目前一次性使用飞船不同,“罗斯号”将能重复使用多达10次,以降低天地往返的运输成本;此外,目前飞船最多可载3人,而“罗斯号”最多可载6人;“罗斯号”还有多种用途,可飞往空间站和月球。

  在空间站领域,苏联/俄罗斯亦是独领风骚,先后独自研制、发射了3代空间站。20世纪70年代上天的苏联“礼炮”1号~5号,是第一代空间站(试验性空间站)。其主要特征是,空间站均只有1个对接口,因而只能接纳一艘客货两用飞船。1977年9月29日、1982年4月19日入轨的“礼炮”6号、7号是第二代空间站(实用性空间站)。其主要特点是,均有2个对接口,即可同时接纳两艘飞船,从而将载人与运货分开,延长了空间站寿命和航天员在轨时间。第三代空间站(长久性空间站)是1986年2月20日开始建造的“和平号”。它采用积木式构型,最大特点是像搭积木一样,对接5个专用实验舱,是世界第一个多舱式空间站,大大扩展了航天员的活动空间,具有功能强、寿命长、使用范围广等优点,然而其供电严重不足、姿控系统设计有问题、工作效率不高。

  俄罗斯是定于2011年5月建成的“国际空间站”的主要参与者。这是第四代空间站,由16个国家联合建造,是一个集积木式和桁架挂舱式构型于一体的“混血儿”。其优点是:灵活性更强,设备拆卸、修理和更换都很方便;采用集中供电和使用统一的控制系统,可大大提高空间站的工作效率;桁架间的宽阔空间使多种观测仪器的安装和太阳电池板的增设变得容易;充分利用成熟技术,减少建造难度、费用和风险。俄罗斯为“国际空间站”提供了多个重要舱段和相关经验以及用“联盟”、“进步”系列飞船进行了大量天地往返运输。它将运行到2020年。此后,俄罗斯将有可能独自发射新型空间站,因其认为空间站有极其广泛的用途。

  按计划,俄罗斯将在2037年进行载人火星探测。

  “现在看来,俄罗斯的载人航天计划尚有一定的不确定性,美国未来载人航天仍步履维艰。然而,航天飞机的集体谢幕,必将开启人类太空探索新阶段。”这是黄志澄、庞之浩乃至更多航天科技专家的共识。