趙洋

2014年9月16日，美國(guó)航空航天局（NASA）宣布，在運(yùn)送宇航員到國(guó)際空間站項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)中，波音和太空探索技術(shù)（SpaceX）公司成了贏家。美國(guó)宇航員最早可在2017年乘坐這兩家公司分別研制的CST-100飛船和“龍2”型（Dragon?2）飛船，從美國(guó)本土飛上太空。此前，因?yàn)楹教祜w機(jī)退役，美國(guó)不得不向俄羅斯支付每個(gè)“座位”7000萬(wàn)美元的高價(jià)，把自己的宇航員送上自己主導(dǎo)建設(shè)的空間站。這一合同的簽訂，標(biāo)志著喧囂多年的太空出租車競(jìng)爭(zhēng)塵埃落定，私營(yíng)企業(yè)首次躋身載人航天領(lǐng)域。

CST-100飛船名字中的數(shù)字100代表100公里，這是地面到太空的距離，這意味著它專門執(zhí)行空間近地短途運(yùn)輸任務(wù)。這一新型飛船的外形與“阿波羅”號(hào)和“獵戶座”飛船很相似，而體積卻處于它們的體積大小之間，能一次性搭載7名宇航員。其中，4個(gè)名額預(yù)留給空間站機(jī)組人員，剩下3個(gè)可以提供給太空游客。這艘航天器的最寬處有4.5米，利用了阿波羅飛船和航天飛機(jī)項(xiàng)目中已成熟的技術(shù)。它的創(chuàng)新之處還包括全船無(wú)焊接設(shè)計(jì)、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)以及升級(jí)版的熱控制技術(shù)方案。波音公司聲稱，這種一體化設(shè)計(jì)降低了飛船整體重量，并加快了艙體的制造速度。過(guò)去的美國(guó)載人飛船都是在海洋里濺落的，這次CST-100有望通過(guò)降落傘減速，再用安全氣囊吸收撞擊力，實(shí)現(xiàn)陸地著陸。CST-100可以在軌飛行長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月，返回地球后再更換防熱系統(tǒng)，進(jìn)行翻新。為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)性，每一個(gè)獨(dú)立的小艙室都被設(shè)計(jì)為充分使用，可實(shí)現(xiàn)10次太空飛行。

今年5月，SpaceX研制的無(wú)人“龍”號(hào)飛船被國(guó)際空間站機(jī)械手臂抓住，實(shí)現(xiàn)對(duì)接和物資運(yùn)送。這次成功的飛行證明了“龍”飛船不僅僅可以將貨物送到國(guó)際空間站，而且還可以重復(fù)使用。這是第一艘完成此項(xiàng)任務(wù)的商業(yè)太空船。此外，“龍”飛船還可以搭載一名宇航員。盡管技術(shù)先進(jìn)，但是“龍”飛船仍然使用老式的著陸方式——像“阿波羅”任務(wù)那樣落入大海后再打撈回收。而第二代“龍”飛船則安裝了被稱為“蚱蜢”的反推火箭，可以垂直降落在地面上。巧妙的是，如果飛船在上升階段遇險(xiǎn)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)可以作為應(yīng)急救生的動(dòng)力。“龍2”飛船外形也極具創(chuàng)新性，過(guò)去的飛船一般都是軸對(duì)稱幾何體，它卻擁有非軸對(duì)稱的扁平外形，這種形狀可以提高再入大氣層時(shí)的升阻比，讓航天員在返回時(shí)更舒服，并減小氣動(dòng)加熱而便于重復(fù)使用?！褒?”飛船可運(yùn)載7名宇航員抵達(dá)近地軌道空間站乃至更加遙遠(yuǎn)的目的地，比如說(shuō)火星——SpaceX公司總裁艾龍-馬斯科聲稱，他建立公司的首要目標(biāo)就是幫助人類成為一個(gè)多行星居住的種族。這位被譽(yù)為“現(xiàn)實(shí)版鋼鐵俠”的極客大亨還透露了“龍2”飛船的一些亮點(diǎn)，他說(shuō)：“它的側(cè)面安裝有推進(jìn)系統(tǒng)和供宇航員向外觀察的大舷窗，底部還有著可以彈出的著陸支架，看起來(lái)像一艘外星飛船?！?/p>

將時(shí)針撥回到1968年，在那年上映的科幻影片《2001：太空漫游》中有這樣一個(gè)經(jīng)典蒙太奇——古猿扔向藍(lán)色天空的骨頭一下變成了在漆黑太空中翱翔的宇宙飛船。導(dǎo)演庫(kù)布里克和編劇阿瑟·克拉克想用這個(gè)畫面?zhèn)鬟_(dá)人類技術(shù)的飛躍——從簡(jiǎn)單的天然工具到復(fù)雜的載人航天器，這中間跨越了百萬(wàn)年歷史。在這部影片推出之時(shí)，航天事業(yè)正發(fā)展得如火如荼，因?yàn)槊捞K登月競(jìng)賽的緣故，短短七年時(shí)間里，載人飛船已經(jīng)進(jìn)化了三代。

1961年，把蘇聯(lián)宇航員加加林送入太空的“東方”號(hào)飛船是第一代飛船的代表。它采用座艙和服務(wù)艙串聯(lián)的兩艙式布局，僅容納一人。第二代蘇聯(lián)飛船是“上升”號(hào)，屬于過(guò)渡型號(hào)，目的是突破太空行走技術(shù)，其中一人出艙活動(dòng)，另一人留守艙內(nèi)。第三代是“聯(lián)盟”號(hào)，其使命是載人登月和作為空間站的運(yùn)輸工具，可搭載三人。

盡管蘇聯(lián)飛船曾創(chuàng)造多項(xiàng)航天史的“第一”，但早期飛船技術(shù)并不成熟。女宇航員捷列什科娃在1963年乘“東方6號(hào)”飛船繞地球飛行了48周后返回地面，成為第一個(gè)進(jìn)入太空的女性。但這次旅程并不愉快，“東方6號(hào)”飛船很小，她只能半躺著度過(guò)了三晝夜。而且飛船的自動(dòng)控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了失誤，捷列什科娃回憶說(shuō)：“這個(gè)秘密我保守了三十年。本來(lái)應(yīng)該開動(dòng)下降系統(tǒng)，但按計(jì)劃規(guī)定卻是提高飛行速度，改變軌道，飛離地球?！焙迷谒皶r(shí)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)錯(cuò)誤并向飛行管理中心匯報(bào)。得到指令后，她啟動(dòng)了下降系統(tǒng)并順利著陸。當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)和美國(guó)的宇航技術(shù)都還很不發(fā)達(dá)，遠(yuǎn)未完善。

盡管蘇、美的載人飛船在外形與結(jié)構(gòu)上有很大不同，屬于科技發(fā)展譜系樹上的不同分支，但按照飛船功能和技術(shù)水平劃分，美國(guó)的三代載人飛船與蘇聯(lián)飛船具有兩兩對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，我們可以把兩個(gè)國(guó)家在同時(shí)代發(fā)展出的飛船看作是“遠(yuǎn)親”。第一代美國(guó)飛船是1961年4月至1963年6月使用的“水星”號(hào)，只能搭載一人。第二代是1965年投入使用的“雙子星座”號(hào)飛船，可容納二人，它驗(yàn)證了交會(huì)對(duì)接與太空行走技術(shù)，這些技術(shù)是登月時(shí)必需的?！鞍⒉_”號(hào)飛船是美國(guó)的第三代飛船，也是目前唯一發(fā)射成功的登月飛船，為圓錐形的三艙結(jié)構(gòu)，乘員三人。

上述飛船稱霸太空將近40年，直到1999年中國(guó)“神舟”號(hào)飛船首飛，才打破了載人航天兩家獨(dú)大的局面。

雖然中國(guó)載人航天工程起步較晚，但并不是從最簡(jiǎn)單的飛船起步，先搞兩艙段單人飛船，然后才研制多人飛船，而是一步邁過(guò)美蘇的40年發(fā)展歷程，實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。中國(guó)航天工作者博采眾家之長(zhǎng)，一步到位地研制了多人多艙的第三代載人飛船——“神舟”飛船，實(shí)現(xiàn)了載人飛船技術(shù)的跨越式發(fā)展。

國(guó)外的載人飛船，如蘇聯(lián)的“東方”號(hào)飛船是單人單艙飛船，美國(guó)的“水星”號(hào)飛船是單人雙艙飛船，航天員只能半躺在座椅上，在狹小的空間里，完成按電鈕、拉手柄等操作動(dòng)作?！吧裰邸憋w船因采用多艙段結(jié)構(gòu)，飛船內(nèi)部空間較大，可同時(shí)容納三名航天員工作生活。目前，“神舟”飛船是在軌道上運(yùn)行的個(gè)頭最大的載人飛船，且從未出現(xiàn)過(guò)安全事故，難怪電影《地心引力》中要安排“神舟”飛船作為遇險(xiǎn)美國(guó)宇航員的救命稻草。

回到NASA太空出租車的競(jìng)爭(zhēng)故事中。此前曾被看好的內(nèi)華達(dá)山脈太空系統(tǒng)公司是參與競(jìng)標(biāo)的第三家公司，它的設(shè)計(jì)方案是使用一架小型航天飛機(jī)，放在運(yùn)載火箭頂端發(fā)射入軌，它能夠載著宇航員在飛機(jī)跑道上水平降落。這架名為“追夢(mèng)者”的小型航天飛機(jī)也能運(yùn)載七名宇航員來(lái)往于天地之間?！白穳?mèng)者”的外觀雖然科幻，但其原型就是NASA在20世紀(jì)80年代提出的HL-20升力體構(gòu)形。NASA已經(jīng)在過(guò)去的兩年里向該公司提供了超過(guò)一億美元的商業(yè)載人航天項(xiàng)目資金來(lái)幫助“追夢(mèng)者”的發(fā)展。“追夢(mèng)者”也很爭(zhēng)氣，目前已完成了全部風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證了小型航天飛機(jī)與火箭集成時(shí)的性能。但不利之處在于，它與波音的CST-100都要使用“阿特拉斯5”運(yùn)載火箭發(fā)射，這種火箭需使用俄制RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，有斷貨的風(fēng)險(xiǎn)。

但更深層次的原因是，NASA對(duì)航天飛機(jī)這種技術(shù)心有余悸。身為NASA顧問(wèn)的物理學(xué)家大衛(wèi)·布林（他也是科幻作家，代表作《星潮洶涌》）這樣評(píng)論目前各式載人航天器層出不窮的局面：“這是一個(gè)令人興奮的時(shí)代！但自從1986年‘挑戰(zhàn)者’號(hào)失事以來(lái)，美國(guó)宇航局已經(jīng)異常小心?！?/p>

“阿波羅”登月成功后，美國(guó)匆忙放棄了飛船路線，轉(zhuǎn)而發(fā)展更具科幻感的可重復(fù)使用天地往返工具——航天飛機(jī)。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)空軍承諾幫助NASA游說(shuō)國(guó)會(huì)通過(guò)航天飛機(jī)的預(yù)算，作為交換，航天飛機(jī)將按照美國(guó)空軍的特定要求設(shè)計(jì)，空軍擁有兩架航天飛機(jī)的使用權(quán)。航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)運(yùn)載能力也從11噸提升至中央情報(bào)局期望的29噸，這樣就可以滿足發(fā)射下一代偵察衛(wèi)星的需要。

1986年，“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)因?yàn)橐粋€(gè)密封圈失效而凌空爆炸后，美國(guó)空軍拋棄了使用航天飛機(jī)發(fā)射軍事衛(wèi)星的幻想，轉(zhuǎn)而投資于可靠性更高、價(jià)格更便宜的一次性運(yùn)載火箭。

從此，大而全的航天飛機(jī)幾乎成了NASA的一塊心病，雖然曾表演過(guò)兩次維修“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡的出色太空秀，但高昂的發(fā)射費(fèi)用與復(fù)雜的技術(shù)大大降低了航天飛機(jī)的使用率。

航天飛機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于可以部分重復(fù)使用，但僅有飛機(jī)狀的軌道器和固體助推火箭可以重復(fù)使用，設(shè)計(jì)壽命分別為100多次和20次，而固體助推火箭還要從大西洋上打撈，體積最大的外燃料艙則是用了就扔的。載人飛船及其運(yùn)載火箭雖然不能重復(fù)使用，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，重量較小，發(fā)射費(fèi)用低也是其優(yōu)勢(shì)所在。

航天飛機(jī)的優(yōu)勢(shì)還在于發(fā)射和降落時(shí)沖擊較小，普通人經(jīng)過(guò)訓(xùn)練也可乘坐，不過(guò)價(jià)格不菲，NASA給每次航天飛機(jī)飛行商業(yè)發(fā)射標(biāo)價(jià)為1.55億美元。要發(fā)射一顆中型商業(yè)衛(wèi)星，用中國(guó)的運(yùn)載火箭只需1500萬(wàn)美元，而用航天飛機(jī)則要花費(fèi)8000萬(wàn)美元。

如果把天地往返系統(tǒng)比作公路運(yùn)輸，那么航天飛機(jī)就像是一輛載重卡車，連司機(jī)帶搭便車的7個(gè)人擠在駕駛室中，貨艙里卻經(jīng)?？湛杖缫病绹?guó)自己的商業(yè)衛(wèi)星就交給更便宜的一次性運(yùn)載火箭發(fā)射了。航天飛機(jī)技術(shù)不切實(shí)際地復(fù)雜，也異乎尋常地昂貴，以至于在運(yùn)輸衛(wèi)星和人員方面沒(méi)有任何競(jìng)爭(zhēng)力。而載人飛船則像迷你轎車，連行李箱都做得很小，省油而且便宜，在可靠的公路上開著也很安全。事實(shí)證明，航天飛機(jī)生不逢時(shí)，大規(guī)模太空物流的時(shí)代遠(yuǎn)未到來(lái)。在受到1986年和2003年兩次折翼的打擊后，NASA不得不考慮雪藏這臺(tái)燒錢機(jī)器，轉(zhuǎn)而發(fā)展載人飛船也就順理成章了。

美國(guó)政府之所以要進(jìn)行“太空出租車”的招標(biāo)，原因在于官方主導(dǎo)研制的“獵戶座”飛船進(jìn)展緩慢，沒(méi)能盡快填補(bǔ)航天飛機(jī)退役后的空缺。

“獵戶座”飛船延續(xù)了“阿波羅”飛船的外形布局，所以有人稱其為“阿波羅”飛船的2.0版。但它的一系列獨(dú)到之處，使其躋身第四代飛船之列。它由乘員艙、服務(wù)艙、飛船結(jié)合段和發(fā)射逃逸系統(tǒng)四部分組成。乘員艙是圓錐形，服務(wù)艙是圓筒形。它與“阿波羅”的共同之處到此為止?！矮C戶座”太空艙直徑約5米，總重量約25噸，是“阿波羅”可居住空間的2.5倍。“獵戶座”可乘坐6名宇航員，而“阿波羅”只能容納3人?！矮C戶座”的電子系統(tǒng)和各項(xiàng)設(shè)備都反映了21世紀(jì)的最高水平。儀表采用波音787飛機(jī)的數(shù)字式系統(tǒng);控制系統(tǒng)是“手自一體”，在應(yīng)急情況下可用手控取代自控;廢物處理系統(tǒng)采用國(guó)際空間站男女通用的衛(wèi)生設(shè)施;艙內(nèi)使用1個(gè)大氣壓的氮氧混合空氣。此外，大型太陽(yáng)能電池板取代燃料電池;助推火箭燃料使用液態(tài)甲烷，可在火星、土衛(wèi)六等星球上補(bǔ)充，彰顯適航能力。

“獵戶座”還是美國(guó)第一種能夠在陸地上降落的飛船。它采用了降落傘與反推火箭相結(jié)合的回收系統(tǒng)，使乘員艙能像“神舟”飛船一樣在陸地上著陸，不必像美國(guó)前三代飛船一樣出動(dòng)艦隊(duì)打撈。為了取代昂貴且高風(fēng)險(xiǎn)的航天飛機(jī)，“獵戶座”也得有些相對(duì)于航天飛機(jī)的“絕活”：例如它的乘員艙能部分重復(fù)使用，每一個(gè)乘員艙最多可重復(fù)使用10次;防熱系統(tǒng)比航天飛機(jī)的更安全可靠，絕不會(huì)發(fā)生隔熱瓦損壞造成機(jī)毀人亡的慘劇;因?yàn)轱w船在發(fā)射時(shí)頂部設(shè)有逃逸塔系統(tǒng)，一旦在發(fā)射時(shí)出現(xiàn)故障，可迅速帶飛船飛至安全區(qū)域。這些措施可使事故概率從航天飛機(jī)的1/220降低為1/2000?！矮C戶座”與NASA過(guò)去的載人飛船不同的一個(gè)特點(diǎn)是，增加了兩個(gè)太陽(yáng)能電池帆板。按照最新計(jì)劃，重獲新生的“獵戶座”飛船將在2017年執(zhí)行首次無(wú)人飛行任務(wù)，并于2021年實(shí)現(xiàn)載人飛行。

航天大國(guó)俄羅斯同樣也在努力研制新一代載人飛船。新飛船名叫“羅斯”，這是俄國(guó)的古名。飛船返回艙的最大直徑為4.4米，是“聯(lián)盟”號(hào)飛船直徑的兩倍多，最多可容納6人，同時(shí)還可在地面和軌道之間往返運(yùn)輸重約半噸的物資。盡管“羅斯”表面上與美國(guó)的“獵戶座”相似，但是卻有明顯區(qū)別，體現(xiàn)出了俄羅斯特色。新一代飛船的乘員艙可重復(fù)使用10次，壽命15年。該乘員艙將采用可重復(fù)使用的防熱瓦，這不同于傳統(tǒng)的燒蝕性絕熱系統(tǒng)，這種材料可以在再入地球大氣期間分層燃燒。俄羅斯的這種做法與美國(guó)相反，美國(guó)的“獵戶座”防熱材料采用“阿波羅”時(shí)代的燒蝕性絕熱系統(tǒng)，而已退役的航天飛機(jī)則采用防熱瓦?！傲_斯”飛船的造價(jià)預(yù)計(jì)將比美國(guó)的“獵戶座”便宜三分之二。

與“聯(lián)盟”號(hào)系列飛船一樣，“羅斯”飛船可以實(shí)現(xiàn)完全自主和手動(dòng)交會(huì)對(duì)接，并有足夠的推力與空間站、低軌平臺(tái)和不載人航天器艙對(duì)接或脫離，保證安全返回。“羅斯”的乘員艙頂部采用了可移動(dòng)的空氣動(dòng)力學(xué)襟翼，一旦乘員艙到達(dá)了可辨識(shí)大氣的區(qū)域，它就可以用來(lái)控制乘員艙?！傲_斯”的降落與“龍2”飛船相似，它利用著陸發(fā)動(dòng)機(jī)的推力實(shí)現(xiàn)垂直軟著陸，降落傘只在緊急情況下使用。新飛船的著陸精度將會(huì)提升到兩公里，僅為“聯(lián)盟”飛船二十公里著陸精度的十分之一。

無(wú)論是“羅斯”還是“獵戶座”，它們的目的地都不止于近地軌道，它們均具有能把宇航員送到月球并安全返回的實(shí)力;至于將宇航員運(yùn)送到火星、小行星或太陽(yáng)系的其他天體附近——就看哪個(gè)國(guó)家肯為這種巡游買單了。

航天飛機(jī)駕駛艙可能是世界上屏幕和按鈕密度最高的地方。宇航員不但要熟記這些設(shè)備的位置和功能，還要帶一本厚厚的使用手冊(cè)備用。而在微重力環(huán)境下，厚重的宇航服又使肢體運(yùn)動(dòng)極其不便。如何解決控制界面過(guò)于復(fù)雜而操控動(dòng)作不便展開的矛盾？英國(guó)艾塞克斯大學(xué)的一個(gè)研究小組想出一個(gè)解決方案——使用大腦-計(jì)算機(jī)界面（BCI）控制宇宙飛船。

在實(shí)驗(yàn)中科學(xué)家使用BCI系統(tǒng)模擬飛船操控，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)宇航員協(xié)同工作時(shí)具有較高的工作效率。模擬宇航員的測(cè)試者頭戴包含66個(gè)電極的帽狀裝置，這是一種非侵入式獲得大腦信號(hào)的方法，能夠讀取測(cè)試者的腦電圖信號(hào)。為了放大腦信號(hào)，研究小組通過(guò)計(jì)算機(jī)在屏幕上產(chǎn)生特殊的視覺(jué)刺激，這將幫助被試者產(chǎn)生大腦信號(hào)，進(jìn)而模擬飛船在太空中的狀況。“飛船”在屏幕上是一個(gè)較大的圓圈，“太陽(yáng)”是一個(gè)較大的白色球體，當(dāng)“飛船”逐漸接近“太陽(yáng)”時(shí)，白色球體就會(huì)變大。在圓圈周圍的一組8個(gè)灰色圓點(diǎn)是控制飛船移動(dòng)的光標(biāo)，每個(gè)圓點(diǎn)代表不同的方向，這些圓點(diǎn)將以綠色或者紅色隨機(jī)點(diǎn)亮。

為了實(shí)現(xiàn)飛船沿著特定方向飛行，“宇航員”必須集中精力于這些圓點(diǎn)，識(shí)別圓點(diǎn)每次點(diǎn)亮?xí)r的顏色。對(duì)圓點(diǎn)色彩的專注將使大腦產(chǎn)生較強(qiáng)的腦電波信號(hào)。當(dāng)測(cè)試者專注于飛船沿著正確軌道移動(dòng)時(shí)，幾臺(tái)計(jì)算機(jī)將協(xié)同工作讀取大腦信號(hào)并進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)飛船的模擬飛行狀況?？茖W(xué)家們希望，通過(guò)解讀控制飛船姿態(tài)的特定大腦信號(hào)，可以開發(fā)出一套飛行操作系統(tǒng)，有朝一日能用在飛船駕駛艙中，取代現(xiàn)在密密麻麻的顯示器和按鈕。

看樣子，《星際迷航》系列影片中船長(zhǎng)發(fā)出口頭指令，船員跑來(lái)跑去執(zhí)行操作命令的忙碌艦橋場(chǎng)景很快就要過(guò)時(shí)了，畢竟那屬于20世紀(jì)60年代的想象，新世紀(jì)的星艦將可以做到“身未動(dòng)、心已遠(yuǎn)”。

【責(zé)任編輯：楊?楓】