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美国的龙飞船将4人送往国际空间站,神舟却只装3人,是什么原因?

美国SpaceX公司再次进行了载人航天发射,使用猎鹰9号火箭和载人龙飞船,将4名美国宇航员送往国际空间站,任务名称为Crew-3。就在不久前,我国的神舟十三号载人飞船发射,将王亚平等三名航天员送到了天宫空间站。

载人龙飞船最新发射:Crew-3

说到这里,细心的网友可能会注意到:为什么SpaceX这个民间航天公司做出的飞船可以带4个人,而我国已研发多年,且目前唯一在用的载人飞船却只能装3名航天员呢?

神舟十三号发射

这其实是由于两种飞船不同的使命和技术路线造成的。不可否认,由于载人龙飞船研发较晚,有后发优势,因而看上去又宽敞又科幻,有数字大屏幕,还能回收并重复使用,连宇航员穿的舱内宇航服都引来不少人的追捧。

实际上龙飞船最多可以坐7个人,只是NASA出于保险考虑而将乘员数降为4人。而且龙飞船采用了时下流行的两舱布局,外形优美,服务舱还带有稳定翼,飞船直接装在猎鹰火箭顶部,不需要整流罩,更增添了几分“高大上”的感觉。

龙飞船看起来非常科幻

坐了4名宇航员的龙飞船,下层还可以放置货物

而我国的“老黄牛”神舟飞船,样子挺传统,与俄罗斯的联盟号飞船有些神似。内部空间也小了点儿,只能坐3个人且是一次性使用,虽然现阶段还够用,但其技术特点已经越来越跟不上我国航天的发展速度,有点儿拖后腿的感觉了。

实际上,这么说神舟飞船是有失公允的。作为一款研制时间更早的产品,神舟的起点其实相当高,而且功能很全面,并出色地完成了它在各个阶段的使命。那么在当今时代,神舟比起载人龙飞船有哪些差距和优势,又为什么说它不能再胜任未来的载人航天重任了呢?这还得从神舟飞船的三舱构型说起。

神舟飞船基本型

在神舟系列飞船刚刚开始研制的时代,曾经有过两舱和三舱的路线之争,但当时全世界的共识都是三舱比两舱更先进。早期的载人飞船一般都是两舱构型,例如加加林乘坐的东方号,就由返回舱和仪器构成。

下图中那个球形的返回舱是航天员的座舱,仪器舱则配备了各类气瓶、仪器和发动机等。当飞船返回大气层时,仪器舱会被抛掉,只剩下密封的返回舱穿过大气层回到地球,然后宇航员还得从返回舱中弹射出去,通过降落伞才能回到地面。

加加林乘坐的东方号飞船

看起来是不是很土?然而美国最早的“水星”号飞船更土,只有返回舱及其前部的降落伞舱,其实只能算是个“单”舱构型,它倒是能在海面上溅落,不需要宇航员在半空跳伞了。到了后来的“双子星”飞船,才采用了返回舱+仪器舱的两舱构型。

早期载人飞船使用两舱方案其实是有其合理性的,两舱不仅结构简单,而且可以减小返回舱的体积和重量。由于返回舱要以接近第一宇宙速度(7.9公里/秒)的极高速冲入大气层,温度急剧上升,需要使用隔热设计和特殊的材料。返回舱越小,负担就越轻,整体的重量也能降下来。

美国60年代的“水星”飞船

更重要的原因是:早期载人飞船设计的初衷是为了展开太空竞赛,以能上太空为第一要务。宇航员挤在狭小的返回舱里绕地球溜达几圈就大功告成,科学实验任务不多,因此两舱就够用了。后来美苏的太空竞赛发展到登月大比拼,两舱构型的飞船是无法登月的,于是他们分别搞出了阿波罗飞船和联盟号飞船,并不约而同的采用了三舱构型。

阿波罗飞船由服务舱、指令舱和登月舱构成,服务舱其实就是仪器/推进舱,指令舱就是返回舱,而登月舱负责登月。苏联的联盟飞船本来也是为登月而设计的,由仪器舱、返回舱和轨道舱组成。如果登月的话还会在仪器舱后面加一个登月舱。

阿波罗登月飞船组合体,最前面是登月舱

联盟号飞船的特点就是带有一个轨道舱,航天员在轨道上主要在轨道舱中活动,包括生活和试验工作,而不用都挤在狭窄的返回舱中。在飞船返回时抛掉仪器舱和轨道舱,仅有外形呈钟形的较小的返回舱再入大气层。

在苏联开始发展空间站后,联盟号飞船的三舱构型带来了巨大好处,其轨道舱带有对接功能,可与空间站对接,摇身一变就成了往返空间站与地面的天地运输工具,战略意义极大。联盟飞船的设计如此成功,以至于俄罗斯现在还在使用,而在美国航天飞机退役且载人龙飞船未投入使用之前,是唯一能将宇航员送到国际空间站的飞船。

三舱构型的联盟号飞船

我国在研制神舟飞船的时候,不可能完全不参考联盟飞船的成熟设计,但相比后者却又更加强大。由于那个时候我们还没有空间站,如果搞一个两舱的飞船,虽然结构简单、难度较小,但航天员要在较小的返回舱待好几天,不仅憋屈,对开展各类空间试验十分不利,因此采用三舱构型,设置一个轨道舱是更好的选择。

这样一来,神舟飞船就形成了推进舱、返回舱和轨道舱的三舱布局,虽然看上去与联盟号挺相似,但神舟其实更大,返回舱的内部自由空间达到了6立方米,比联盟飞船大50%,在龙飞船出现之前,是在役飞船中最宽敞的,再加上轨道舱,航天员的活动空间十分富裕。

神舟飞船基本型(未画出另一侧的太阳翼)

轨道舱不仅可以用来装载物资、供航天员生活和开展试验工作,它本身还带有推进系统和太阳能电池,与返回舱分离后,还能单独在轨道上停留180天,相当于一颗特殊的卫星,可以开展各类观测,还能与下一艘飞船对接,而联盟号的轨道舱与返回舱分离后则只能丢弃,成为太空垃圾。

后来神舟七号的轨道舱还被改造成了气闸舱,由航天员翟志刚实现了我国第一次太空行走。从神舟八号开始,轨道舱拥有了交会对接功能,先是实现了与天宫一号试验性空间站的对接,现在又成为新的天宫空间站的天地往返“摆渡车”。

神舟飞船后期具备了交会对接功能

纵观神舟飞船的研发历程,可以看出它承载了太多使命,不仅具备单独执行载人航天任务的能力,也能成为空间站的往返班车,是一个全能型的多面手。反观SpaceX的载人龙飞船,它的目的十分单一:就是把人和货送到国际空间站,且能重复使用以节省成本,顺便搞搞太空旅游。

载人龙飞船的结构

这样龙飞船就省去了很多负担,人员一直待在返回舱内,也就没有必要设置轨道舱。 猎鹰9号火箭的推力足够,因此返回舱可以做得很大,直径达到了3.7米,比神舟大不少,内部空间超过了9立方米,足足能装下7个人,与航天飞机的载员数相同。飞船的起飞总重量也达到了12吨,比神舟更大。

载人龙飞船的设计还是挺有特点的,它由可打开的鼻锥、钝头圆锥形的返回舱和圆柱形的服务舱构成,与其它飞船不同的是,龙飞船的主发动机和逃逸发动机均配备在返回舱上,服务舱主要用于装载未加压货物,以及在外壁上铺设太阳能电池板为飞船供电。因此龙飞船不用展开电池板,也不需要整流罩。

龙飞船发射时不需要整流罩

载人龙飞船以16台天龙(Draco)发动机作为反推和轨道机动发动机,还有8台更强大的超级天龙(SuperDraco)发动机作为逃逸发动机,可以实现发射过程中的全程逃逸,不像其它飞船那样需要配备复杂的逃逸塔。这些超级天龙发动机实际上还具备在地球或其它行星上反推着陆的能力。

龙飞船打开鼻锥后可与国际空间站对接,而在返回地球时,所抛弃的仅仅是那个没有发动机的非加压服务舱,大多数比较昂贵的部分都在可重复使用的返回舱上,因此每次发射的成本大大降低。它实际上完全可以做到像猎鹰9号那样反推着陆,但保守的NASA还是不放心,因此依然采用了降落伞加海上溅落的着陆方式。

龙飞船逃逸实验

由此可见,龙飞船在内部空间和可重复使用方面的确优于我国的神舟系列飞船,后者在着陆时使用反推发动机,会对返回舱造成一定损坏,结果三个舱都不能重复使用。但龙飞船目前只能作为空间站摆渡车,缺乏独立执行载人任务的能力,更不能完成出舱行走,从这个角度上又不如神舟。

回收后的载人龙飞船

不过,自1999年神舟一号发射成功以来,到现在已经过去了二十多年。神舟系列虽然历经改进,依然能够胜任向空间站运送航天员的任务,但潜力已经基本挖尽。由于三舱构型的限制,一次运送的航天员的人数无法再进一步增加,除非变更基本设计,但这样风险和成本极高,得不偿失。

而不能重复使用也使神舟无法赶上世界航天发展的潮流,这一点是不可能通过简单的改进来实现的。除此之外,未来的载人登月或深空探测任务中,神舟飞船同样难以胜任,因此,作为一款有二十多年历史的老将,神舟已经处在发挥余热的阶段,其主力地位已持续不了太长时间了。

神舟十三号与空间站侧向对接

神舟虽然有各种局限,但大家不用担心,更先进的飞船已经来了!要想实现登月、登火星,必须使用更大更重的飞船,它就是神舟系列的继任者:新一代载人飞船。这个大家伙已经在2020年5月进行了无人发射,据全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍:新飞船和龙飞船一样采用了两舱构型,但个头更大,全长约9米,直径达到了4.5米,最大发射重量达到了23吨,全面压倒了龙飞船。

新一代载人飞船试验船

从返回舱的实物照片我们能感受到新飞船是何等巨大,它同样可一次运载7名航天员,而且内部还设置了工作区、娱乐区、餐饮区以及卫生区,还配置了生活娱乐大屏,一点儿也不输龙飞船,而且既能拉人还能运货。

相比一次性使用的神舟,新一代飞船还采用了返回舱可重复使用的设计,着陆方式为群伞+气囊,防热结构可拆卸更换,成本大为降低。更重要的是,新飞船的防热设计可以实现以第二宇宙速度重返大气层,这表示其具备了从月球或其它行星返回的能力,将来再配合更大推力的重型火箭,就能实现载人登月任务,甚至是更遥远的深空任务。

新一代载人飞船返回舱,与旁边的人比较方能看出其巨大

当然,不管将来我国研制出多么先进的飞船,神舟作为先行者,其地位是不可撼动的。它的功勋卓著,在完成历史使命后,将永远被后人铭记!

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