▲ “天船”飛往國(guó)際空間站的想象圖

印度為自己的載人飛船起了一個(gè)名字叫做gaganyaan，翻譯過(guò)來(lái)就是“天空之船”的意思，我們?cè)谙挛闹芯秃?jiǎn)稱它為“天船”。

矛盾的總體設(shè)計(jì)

對(duì)于“天船”的基本數(shù)字，維基百科的描述有著一定的矛盾之處。按照它給出的數(shù)字，“天船”是一種發(fā)射質(zhì)量7800千克的飛行器，其中也包括了服務(wù)艙。維基百科在數(shù)據(jù)表中將它描述為一種可以載3人飛行7天的飛船，但在另外一處又稱它類似于美國(guó)“水星”飛船，而“水星”飛船只能載兩人。至于返回艙和服務(wù)艙各自的質(zhì)量是多少，文獻(xiàn)給出的數(shù)字存在著矛盾。

印度空間研究組織目前尚未發(fā)布關(guān)于“天船”的精確設(shè)計(jì)參數(shù)，但是在2014年進(jìn)行的“載人艙氣動(dòng)再入試驗(yàn)器”（CARE）試驗(yàn)中，用來(lái)實(shí)施回收技術(shù)試驗(yàn)的飛船發(fā)射質(zhì)量為3735千克。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片來(lái)看，船內(nèi)的座椅、儀表、氣瓶、電氣設(shè)備等都還沒(méi)有安裝，因此實(shí)際飛行的“天船”返回艙質(zhì)量恐怕增加很多。但是“天船”的外部尺寸應(yīng)該是確定下來(lái)了：高2.7米、大底直徑3.1米。它采用了美國(guó)式的設(shè)計(jì)風(fēng)格，外殼為圓臺(tái)型，而不是“聯(lián)盟”和“神舟”的鐘型。所以，它的內(nèi)部空間不會(huì)太大，載兩人這個(gè)數(shù)字可能是比較可靠的。

2017年，印度國(guó)家科學(xué)院先進(jìn)研究所的三位科研人員在國(guó)際宇航聯(lián)合會(huì)上發(fā)表論文，討論了載人航天在政治和技術(shù)上對(duì)印度的意義，文中稱印度考慮“發(fā)射一種能載兩人的飛船進(jìn)入低地球軌道并且安全返回地球”。

維基百科推測(cè)“天船”返回艙內(nèi)部容積2.88立方米。相比之下，俄羅斯早期的“聯(lián)盟”飛船內(nèi)部容積為4立方米，中國(guó)“神舟”飛船更是達(dá)到了6立方米。印度如果僅僅是為了突破載人航天技術(shù)，不追求世界領(lǐng)先，選擇這樣的低配小飛船方案也是明智的選擇。

以印度的航天工業(yè)基礎(chǔ)，只要給夠錢，造出載人飛船來(lái)還是有希望的。所以我們現(xiàn)在來(lái)看一看撥款的問(wèn)題。2008年批準(zhǔn)項(xiàng)目的時(shí)候，印度政府為“天船”撥出了1000萬(wàn)美元作為啟動(dòng)資金。當(dāng)時(shí)考慮用7年時(shí)間實(shí)現(xiàn)載人飛行，總投資30億美元。在印度的第11個(gè)五年計(jì)劃中，計(jì)劃委員會(huì)為載人航天安排了10億美元的預(yù)算。

不過(guò)在莫迪宣布2022年這個(gè)節(jié)點(diǎn)后，ISRO又表示，整個(gè)載人航天計(jì)劃的開支不會(huì)超過(guò)14.3億美元。然而這個(gè)數(shù)字可能有點(diǎn)樂(lè)觀了，載人航天在技術(shù)發(fā)展早期不是一件可以能省就省的事情。如果因?yàn)槿卞X而跳過(guò)某些必要的步驟，可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事故，進(jìn)而帶來(lái)更大的浪費(fèi)。從“天船”現(xiàn)有的飛行計(jì)劃來(lái)看，這種風(fēng)險(xiǎn)還是不小的。

▲ “天船”的零高度救生試驗(yàn)取得成功

CARE的基本情況

“天船”的研制并不是近期才開展的。早在2006年，印度空間研究機(jī)構(gòu)就以“軌道飛行器”的名義提出了方案。2008年，ISRO完成了基本設(shè)計(jì)，提交給印度政府申請(qǐng)資金。2009年2月，載人航天計(jì)劃的撥款案得到了批準(zhǔn)，但印度政界對(duì)它的支持度卻不高，所以撥款額度很有限。當(dāng)時(shí)曾經(jīng)計(jì)劃，要在2013年進(jìn)行第一次不載人試飛，但因?yàn)榻?jīng)費(fèi)問(wèn)題而沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，推遲1年后才實(shí)施了一次亞軌道飛行，代號(hào)為CARE。

2014年的亞軌道飛行也是GSLV MARKIII火箭的首次飛行，其實(shí)已經(jīng)揭示了印度載人航天的基本方案，但當(dāng)時(shí)“天船”的設(shè)計(jì)還遠(yuǎn)沒(méi)有完成。

首先看飛行過(guò)程。GSLV MARKIII火箭攜帶CARE從薩迪什·達(dá)萬(wàn)基地起飛后，飛行了5分鐘，抵達(dá)了距離地面126公里的位置，并且在這個(gè)高度釋放了CARE。CARE樣船隨后再入大氣層，通過(guò)100牛頓推力的甲基肼-四氧化二氮燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制逐步減速，降落到80公里的高度。然后發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，CARE靠氣動(dòng)減速繼續(xù)下降。其間靠飛船表面敷設(shè)的碳酚醛樹脂和所謂的“中密度燒蝕材料”來(lái)實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)，據(jù)說(shuō)表面溫度一度達(dá)到1600攝氏度。在進(jìn)入黑障之前，CARE下傳了有關(guān)飛行數(shù)據(jù)。這是因?yàn)镮SRO擔(dān)心，如果回收失敗，這些數(shù)據(jù)就丟失了。不過(guò)他們擔(dān)心的事情并沒(méi)有發(fā)生，CARE在距離地面15.4公里的高度把速度降低到了馬赫數(shù)0.8。它拋掉傘艙蓋，打開了降落傘，成功降落在孟加拉灣，并且成功回收，

對(duì)印度來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)重要的里程碑。飛船的軌道進(jìn)入、分離、再入系統(tǒng)得到了驗(yàn)證，艙段分離、熱防護(hù)系統(tǒng)、氣動(dòng)減速、降落傘、濺落流程、水上浮囊等分系統(tǒng)也正常工作。應(yīng)該說(shuō)，僅僅就CARE試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，干得還不錯(cuò)。

可問(wèn)題也就在這里，除了上面說(shuō)的這些，其他必要分系統(tǒng)——包括推進(jìn)艙在內(nèi)——全都不存在?；蛟S是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還沒(méi)有最終完成，CARE用鋁合金梁構(gòu)成了一個(gè)內(nèi)外兩層的框架，內(nèi)層框架的頂部設(shè)計(jì)了一個(gè)收納空間，用來(lái)容納降落傘包。在傘包下方是一個(gè)環(huán)形的電子設(shè)備安裝板，裝有300多個(gè)傳感器。

從飛船體積和人體尺寸的對(duì)比來(lái)看，CARE的內(nèi)部空間很有限，哪怕僅有現(xiàn)在的這些設(shè)備，也很難坐進(jìn)兩個(gè)人。再把飛船的其他必要分系統(tǒng)裝進(jìn)去，恐怕就會(huì)把內(nèi)部空間完全塞滿，沒(méi)有地方安排航天員和他們的座椅了?？偛荒茏寖擅教靻T施展瑜伽術(shù)，卡在設(shè)備的縫隙里熬過(guò)這空間飛行的7天吧。

或許，ISRO打算先用這個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)完成回收技術(shù)驗(yàn)證，然后再重新設(shè)計(jì)飛船結(jié)構(gòu)，去掉內(nèi)層框架，并且重新布置所有的分系統(tǒng)，給兩名航天員留下能生存7天的空間。ISRO也需要尋找更好的材料和工藝來(lái)制造降落傘，大幅度壓縮它們的體積。CARE一共有兩套降落傘，各自包括三副傘：直徑2.3米的引導(dǎo)傘、直徑6.2米的減速傘和直徑31米的主傘。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片上看，這些降落傘收納起來(lái)以后，所占的內(nèi)部空間體積比例要比“神舟”“聯(lián)盟”的傘包體積占比大得多，改進(jìn)余地還是很大的。但“天船”的降落傘艙蓋設(shè)置在錐頂正中，而不是“神舟”那樣安裝在頂部側(cè)面，這就給艙內(nèi)空間構(gòu)造設(shè)定了一個(gè)不算太理想的邊界條件。

但“天船”有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，它的預(yù)定著陸場(chǎng)設(shè)置在海上，因此就不需要設(shè)計(jì)著陸緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)和防熱大底。只要設(shè)計(jì)體積相對(duì)比較小的浮囊就可以了。

▲ “天船”的示意圖，與LVM3試驗(yàn)的尺寸似乎有些不符

▲ CARE模擬飛船試驗(yàn)回收取得成功

逃逸救生試驗(yàn)

2018年7月5日，“天船”又進(jìn)行了一次重要的試驗(yàn)：逃逸救生。這是為了預(yù)防在發(fā)射過(guò)程中，火箭在較低高度發(fā)生故障，為航天員逃離火箭而設(shè)置的分系統(tǒng)。試驗(yàn)在地面零高度進(jìn)行，逃逸塔點(diǎn)火，把整套系統(tǒng)帶入高空，再拋掉整流罩，飛船返回艙分離后開傘著陸。

“天船”的這次試驗(yàn)中，模擬飛船、整流罩和逃逸塔總質(zhì)量達(dá)到了12.6噸。當(dāng)?shù)貢r(shí)間早上7點(diǎn)，逃逸塔點(diǎn)火，7個(gè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)帶著飛船直沖天空，抵達(dá)了大約2.7公里的高度。根據(jù)傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)，飛行中的過(guò)載并沒(méi)有超過(guò)安全極限。259秒后，模擬飛船緩緩降落在孟加拉灣附近。ISRO派出3艘船只將它拖回。

跳級(jí)生的考試？

從上面的描述來(lái)看，“天船”的研制基本上還是很順利的，特別是7月5日的這一次。當(dāng)然，這些成果對(duì)真正的載人飛行來(lái)說(shuō)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。絕大多數(shù)分系統(tǒng)還沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)空間飛行，甚至沒(méi)有地面試驗(yàn)的消息傳出。

另外，2014年CARE飛行中，飛船是頭下腳上，倒立著安裝在運(yùn)載火箭適配器上的。這樣，在飛船分離之后，可以立刻進(jìn)入返回姿態(tài)。但實(shí)際載人飛行當(dāng)中，當(dāng)飛船要返回地面的時(shí)候，必須先進(jìn)行調(diào)姿，然后再實(shí)現(xiàn)返回艙和推進(jìn)艙分離。這項(xiàng)技術(shù)，ISRO還沒(méi)有實(shí)施過(guò)空間飛行，哪怕類似的試驗(yàn)也不曾做過(guò)。另外，CARE飛行的高度只有126公里，與火箭分離時(shí)速度只有5327米/秒。但“天船”的設(shè)計(jì)軌道高度是400公里，中間這200多公里的落差不僅僅意味著勢(shì)能變化，更意味著巨大的速度增量。換言之，如果把CARE從400公里高度、以7.9公里/秒的第一宇宙速度再入，氣動(dòng)加熱要嚴(yán)重得多，減速需求也高得多。現(xiàn)在這套系統(tǒng)能不能工作還是個(gè)未知數(shù)。

可以打個(gè)比方，如果以ISRO現(xiàn)在掌握的技術(shù)，要在2022年實(shí)現(xiàn)第一次載人飛行，就相當(dāng)于讓一個(gè)初中生直接去考研究生，跨度實(shí)在大了一些。我們并不知道ISRO是如何向印度政府描述研制進(jìn)展的，但是很顯然，印度政府就此擁有了充分的信心。根據(jù)GSLV MARKIII的發(fā)射計(jì)劃，到2022年第一次載人飛行之前，不會(huì)再安排不載人的飛行試驗(yàn)了?；蛟S，印度可以直接從俄羅斯進(jìn)口缺少的分系統(tǒng)，包括環(huán)控和生保系統(tǒng)、航天服、先進(jìn)的降落傘等等。這樣或許會(huì)有效加快研制進(jìn)度。