Roscosmos 和 NASA 庆祝具有历史意义的发射周年,同时展望未来

by 约瑟夫·纳文和米希尔·尼尔

今天,Roscosmos 正在庆祝东方一号任务 60 周年,该任务发射了尤里·加加林和第一次载人航天飞行,而美国宇航局同时纪念了世界上第一艘可重复使用的航天器首次发射 40 周年,当时约翰·杨和鲍勃·克里彭登船在哥伦比亚号航天飞机上进行了史上最雄心勃勃的试飞。

周年纪念迎来了太空探索的一个关键转折点,因为越来越多的重点转向太空工业的商业发展以及在地球轨道内外建立多个可持续目的地。

东方-1 周年

1961 年 4 月 12 日,宇航员尤里·加加林成为第一个进入太空的人类,创造了历史。他乘坐 Vostok-K 火箭(R-7 Semyorka 的一种变体)在 Vostok-1 任务中从当时是哈萨克苏维埃社会主义共和国的拜科努尔航天发射场的 Site 1/5 发射。

Site 1/5 与 1957 年 10 月 3 日发射人造卫星的建筑群相同,在东方一号任务之后,该站点获得了“加加林的开始”的绰号,以纪念尤里。该综合体继续将宇航员送入太空,直到 联盟号 MS-15 on April 17, 2020.

联盟号 MS-15 任务从加加林的起点升空,这是历史悠久的发射台的最后一次发射——通过美国宇航局

由谢尔盖·科罗廖夫 (Sergei Korolev) 管理的东方计划始于 1960 年 5 月 15 日发射不可恢复的航天器东方 1KP,命名为 Korabl-Sputnik。其目标是研究生命支持系统的运行和飞行压力。它包含科学仪器、电视系统和带有人体模型的自给式生物舱。

该航天器通过无线电发送了广泛的遥测和预先录制的语音通信。虽然它不是为了从轨道上恢复而设计的,但导致航天器脱离轨道的复古火箭发射错误,航天器没有按计划重新进入大气层。

在 Korabl-Sputnik-1 部分成功之后,Korolev 的团队转向了下一次迭代的 Vostok 航天器,名为 Vostok 1K。设计为可从轨道完全恢复,其目标是测试从轨道下降以开发恢复系统。

它还配备了生命支持系统,它于 1960 年 8 月 19 日发射,携带着两只名叫 Chaika 和 Lisichka 的狗,不幸的是,由于火箭在飞行途中爆炸,这两只狗不幸在飞行初期丧生。故障原因是Blok-G助推器上RD-107发动机燃烧室因高频压力振荡而解体。

这种现象之前已经观察到,并已采取必要措施解决问题,但用于发射的火箭发动机较旧,缺乏纠正措施。

这是东方计划的第一次重大挫折,因此该任务没有命名。这次事故还加快了紧急逃生系统的工作,该系统会将载人太空舱从失败的火箭上拉开,以防止机组人员流失。

科罗廖夫的团队决心取得急需的成功,尽管哈萨克斯坦遭遇了严重的热浪,但发射活动继续进行,并于 1960 年 8 月 19 日发射了名为 Korabl-Sputnik 2 的下一个任务。该航天器与其丢失的前身相同在配置和有效载荷方面,携带两只狗 Belka 和 Strelka,以及大量生物和植物物体,包括一对白鼠、40 只白鼠和黑鼠、昆虫、各种植物、真菌、包括玉米在内的多种谷物种子,以及用于微生物、遗传、免疫学和其他生命科学实验的有效载荷。

Korabl-Sputnik 2、Belka 和 Strelka——通过航天纪念博物馆

该集装箱还与一个弹射座椅集成在一起,安装在 Vostok 的下降模块内。

从拜科努尔发射,这次任务是东方太空计划的巨大成功,证明了苏联在太空方面的进步。贝尔卡和斯特雷尔卡成为第一批从轨道上回收的生物。该航天器只是从轨道上回收的第二个物体,第一个是美国发现者 13 号任务。

Korabl-Sputnik 2 的成功给团队带来了急需的信心。根据一份详细说明东方计划下载人航天计划的文件,决定再进行一两次 Vostok 1K 飞行,然后是 Vostok 航天器的下一个主要迭代的两次无人飞行,命名为 Vostok 3KA,然后是1960 年 12 月完成载人飞行。这份日期为 1960 年 9 月 10 日的文件由包括副主席德米特里·乌斯季诺夫在内的苏联国防工业的最高领导人签署,并得到了中共总理尼基塔·赫鲁晓夫的批准,这表明其重要性更高。

然而,10 月 24 日,一枚洲际弹道导弹在测试过程中爆炸,造成 100 多人死亡,拜科努尔航天发射场发生了重大挫折。 Nedelin 灾难以炮兵总司令米特罗凡·伊万诺维奇·内德林 (Mitrofan Ivanovich Nedelin) 的去世命名,是航天史上最严重的灾难之一。拜科努尔的大规模破坏意味着东方计划的工作需要两周时间才能继续。人们很快意识到 12 月载人发射的最初目标是不切实际的。

经过维修,并证明他们在 1960 年 8 月的胜利壮举并非侥幸,东方 1K 号航天器于 1960 年 12 月 1 日从拜科努尔第三次发射。发射成功,载有多种生物标本,包括两个狗,Pchelka 和 Mushka,到 187 x 265 公里的轨道。

东方一号 的发射 – 通过 Roscosmos

然而,虽然地面控制人员报告航天器上的所有系统运行正常,但当地面控制人员发出指令要求航天器返回地球时,遥测人员注意到了一个异常现象。他们注意到,尽管启动再入所需的制动引擎已启动,但下降模块和仪表模块并未分离。接下来,他们记录了 APO 自毁机制的激活,随后来自航天器的无线电信号消失。

对异常情况的进一步分析揭示了机载飞行控制系统的一个问题,即姿态控制推进器未能将飞行器放置在与飞行方向相反的正确方向以进行制动操作。结果,制动发动机未能为计划的再入提供所需的推力,使航天器沿浅层下降轨迹飞行,着陆点不可预测。这激活了自毁机制,以防止在苏联领土以外获取机密技术。

尽管 Korabl-Sputnik 3 失败了,东方计划仍以令人难以置信的速度继续进行,即使没有 1960 年 11 月政府文件中预测的那么快。

12 月 22 日,东方 1K 航天器最后一次升空,搭载了两只名叫 Kometa 和 Shutka 的狗。地面遥测确认了名义上的第一级性能和分离,计划在 T+ 119 秒,随后丢弃有效载荷整流罩。随着火箭的核心级(也称为第二级)继续发射,无线电控制系统在 T+304 秒发出指令,对第三级的推进系统加压,使其准备好在飞行中进行预定点火。

但是,根据地面收到的遥测信息,没有发出命令。这虽然意义重大,但并未对进入轨道的主要目标构成威胁。在 T+ 321 秒,无线电控制系统记录了第三级发动机点火的命令。当遥测显示发动机过早关闭时,发动机正常点火,直到战斗开始 T+432 秒。

根据飞行计划,第三级必须在飞行中运行至 T+ 676 秒,但过早切断意味着航天器达不到所需的轨道速度。东方 1A 的最后一次飞行的主要目标失败了,因为它无法进入轨道并注定要立即坠入大气层。

然而,紧急逃生系统已启动,并按预期工作。航天器降落在发射场下方 3,500 公里处,救援行动耗时数天,温度达到 40°C。几天后,两只狗都活了过来,飞船返回莫斯科。

联盟号 MS-10 任务的飞行中止后,阿列克谢·奥夫奇宁 (Alexey Ovchinin) 和尼克·海格 (Nick Hague) 与家人团聚。大多数现代乘员运载火箭上的紧急逃生系统都植根于 Vostok 的系统。 – 通过美国宇航局

故障归因于第三级的气体发生器,它在飞行 425 秒后解体。尽管发射失败,但该任务为工程师提供了宝贵的经验教训,并证明其降落伞系统可以提供安全着陆,尽管仍需要付出相当大的努力来为宇航员开发弹射座椅系统。

在东方 1K 原型机的飞行测试期间,科罗廖夫要求他的工程师为东方飞船提供一系列升级,能够搭载飞行员。它被命名为 Vostok 3KA,是 Vostok 航天器的下一个主要迭代。

预定了两次无人驾驶的东方 3KA 飞行,载人飞行任务的批准取决于这两次飞行的成功。与之前的东方 1K 飞行不同,这些任务计划只持续一个轨道,以模仿人类首次飞行的计划。

尽管 Vostok 1K 最近的失败并不令人鼓舞,但还是决定继续进行 Vostok 3KA 的首次发射。命名为 Korabl-Sputnik 4,发射于 1961 年 3 月 9 日成功。它携带着 Chernushka 狗、一个名叫 Ivan Ivanovich 的人体模型穿着功能性 SK-1 宇航服,以及包括老鼠、豚鼠、青蛙、苍蝇、微生物、植物种子和人体血液样本,以继续研究辐射和失重对生物物体的影响。

经过一圈后,下降舱成功通过降落伞重新进入大气层。这只狗被活捉,任务成功。

科罗廖夫发出正式请求,请求授权发射第二艘东方 3KA 航天器。第二次发射旨在第二次也是最后一次再次确认新航天器、其火箭和支持元件已完全准备好安全完成单轨飞行任务的所有阶段。

与之前的飞行一样,它持续了一个轨道,并携带了一只名叫 Zvezdochka 的狗和一个人体模型。对于这次飞行,发射设施收到了一个新的移动龙门架,升降机通向火箭顶部。未来的航天器飞行员只需要从轨道平台的底部走几步,电梯舱就会从那里沿着金属门架向上滑动到航天器的舱口。

东方 1 号的船员尤里·加加林 (Yuri Gagarin),也是第一个到达太空并绕地球运行的人类——来自法新社/盖蒂图片社

这次任务也取得了圆满成功,为获得载人任务的批准铺平了道路。

1961 年 4 月 12 日是重要的一天,工程师们为东方计划付出了多年的辛勤工作,宇航员尤里·加加林成为第一个进入太空的人类。东方一号任务进入了一个 169 乘 327 公里、倾斜 64.95 度的轨道。

加加林在返回地球之前完成了一个轨道。苏联工程师还没有设法将飞船减速到足以着陆的程度,因此加加林在最后下降时从太空舱中弹出并安全降落在他自己的降落伞下。

东方 3KA 航天器运行完美,将另外五名宇航员送入太空,其中包括 Valentina Tereshkova,她于 1963 年 6 月 16 日成为第一位进入太空的女性。

从东方到 STS-1

在历史性的东方一号任务结束二十年后,STS-1 指挥官约翰·杨和飞行员罗伯特·克里彭在航天飞机上发射 哥伦比亚LC-39A 在 NASA 的 肯尼迪航天中心,开始航天飞机计划的首次飞行。

在发射之前完成了多个里程碑,包括哥伦比亚号于 1979 年 3 月 24 日乘坐航天飞机抵达 KSC。在飞往 KSC 的飞行过程中,哥伦比亚丢失了许多热保护瓷砖,这表明需要重新评估用于将瓷砖粘附到哥伦比亚机身的粘合机制。

1980 年 11 月 24 日,哥伦比亚号在轨道飞行器处理设施 1 (OPF-1) 工作了一年半后搬到了车辆装配大楼。

在 KSC 工作了一年多之后,哥伦比亚与她的外部油箱 (ET) 和两个固体火箭助推器 (SRB) 配合,于 1980 年 12 月 29 日推出了 LC-39A。哥伦比亚为一次飞行发射了所有三艘 SSME 1981 年 2 月 20 日的准备射击 (FRF)。

哥伦比亚在 STS-1 之前的垫子上 - 通过美国宇航局

由于哥伦比亚公司的一台通用计算机出现时间问题,原定于 4 月 10 日的发射被取消。安装了一个补丁,并在 4 月 12 日重置了启动。

那天早上,Young 和 Crippen 在垫子上为其他人以前从未尝试过的事情做准备。加加林 20 年前就知道东方系统两次成功的无人试飞,而杨和克里彭则没有这样的知识可以依靠。

航天飞机系统以前从未飞行过。 SRB 是在地面上发射的,但没有在飞行中发射。从未同时发射过两枚 SRB。 SSME(航天飞机主发动机)和 SRB 那时从未合作过。

这是试飞。直到今天,它仍然是历史上最雄心勃勃的试飞。没有犯错的余地。在紧急情况下,Young 和 Crippen 拥有的只是几个“感觉良好”的弹射座椅——考虑到 SRB 羽流,在 40,000 英尺以下的飞行中成功使用这些座椅充其量是值得怀疑的。

结果,当双 SRB 在 T+3 秒点燃时,超压波对哥伦比亚热保护系统的 148 块瓦片造成损坏,并严重损坏了轨道飞行器机身襟翼的结构和液压管路。

此问题在随后的任务中得到纠正,增加了来自垫子和移动发射平台中 SRB 安装切口的声音抑制。

进入轨道后,Young 和 Crippen 发现 OMS 吊舱上丢失了瓷砖;因为哥伦比亚没有携带 加拿大臂 在她的第一次任务中,无法检查该船是否有其他缺失或损坏的热保护系统区域。因此,在没有确切了解哥伦比亚隔热罩状态的情况下进行了再入——尽管在飞行期间尝试在夏威夷上空进行成像尝试。

在绕了 36 圈后,哥伦比亚进行了离轨燃烧,当 Young 和 Crippen 回到澳大利亚地面站通信覆盖范围内时,他们向任务控制中心确认了燃烧。

哥伦比亚号在没有与任务控制中心联系的情况下重新进入 范登堡 跟踪站就在预期从船上获取信号之前下降。范登堡能够及时恢复他们的雷达跟踪,以在她飞越地平线时锁定哥伦比亚——当她前往地平线时,就在地面轨道和能量上 爱德华兹.

哥伦比亚在 STS-1 结束时降落在爱德华兹空军基地的 23 号跑道上——通过爱德华兹空军基地历史办公室

在湖床跑道 23 上放松下来,哥伦比亚成功地完成了可重复使用航天器的首次飞行,并预示着人类太空探索的转变,为天文、商业和国际在低地球轨道上的使用和合作创造了一个模型。

东方 和 STS 的遗产

站在巨人的肩膀上,SpaceX的 星舰 德克萨斯州 Boca Chica 的开发和测试项目采用了迭代开发方法,这反映了 Sergei Korolev 和他的团队首次将人类送入太空所采取的步骤。

自从 星斗 2018 年 12 月 23 日完成测试文章,公司生产的 Starship 原型机和测试节奏呈指数级增长。 Starship 的最新里程碑以全尺寸 Starship 原型机的首次高空飞行为标志,首次实现 SN8 2020 年 12 月 9 日。此后,SpaceX 又组装并发射了 3 架原型机,分别是 SN9、SN10 和 SN11,但没有一架在着陆后幸存下来。

太空探索技术公司 现在正在开发 Starship SN15,该飞船于 4 月 8 日星期四在发射场推出。 据埃隆·马斯克(Elon Musk)称,SN15 在结构、航空电子设备和发动机方面进行了数百次修改,SpaceX 希望这将导致成功的飞行和着陆.

星舰 SN15 and Starhopper at the SpaceX facility in Boca Chica, Texas – via Mary (@bocachicagal) for NSF

最新的官方计划来自 太空探索技术公司 不包括 Starship 的发射中止系统。这有历史先例,植根于 航天飞机 程序。大胆的 STS-1 试飞只为哥伦比亚的两名飞行员配备了弹射座椅,这些座椅在真正紧急情况下的有效性值得怀疑。试飞系列完成后,座椅被拆除。

唯一一次航天飞机发射失败,即 STS-51-L 上的挑战者号灾难,其原因不是基本设计问题,而是未能遵守发射天气标准的操作失败。 STS 上缺少中止系统可以通过广泛的地面测试和设计冗余来弥补。 Starship 也是如此,在发射机组人员之前可能有数百次无人试飞。

随着亚特兰蒂斯号在 STS-135 上的发射,航天飞机计划于 2011 年结束。虽然并非航天飞机计划的所有目标都能实现,但 Starship 有可能成为真正可重复使用的超重型运载工具,可以支持地球轨道和深空任务。

与此同时,美国宇航局的航天飞机衍生 太空发射系统 (SLS) 火箭自 2011 年以来一直在开发和测试中。进行了两次试飞以测试 猎户座 航天器和发射中止系统。这包括 2014 年的 Exploration Flight Test-1 和 2019 年的 Ascent Abort-2。

遵循东方计划的先例,SLS 和猎户座将在发射机组人员之前完成一次无人试飞,阿尔忒弥斯 I。这种做法也适用于新一代国际空间站乘员运输车辆,SpaceX 的 Crew Dragon 和波音公司的 Starliner 车辆都进行了无人驾驶试飞。

SLS 还利用 STS 的飞行传统硬件,使用相同的主发动机和固体火箭助推器。航天飞机主发动机(SSME)现在称为 RS-25。 14 架具有航天飞机传统的 RS-25 已经过改装,用于阿尔忒弥斯计划的 SLS 的前四次发射,以及另外两架之前没有飞行历史的 RS-25。

将在 Artemis 1 上飞行的四架老牌 RS-25 是 E2060、E2058、E2045 和 E2056。所有这些发动机目前都安装在 Core Stage-1 上,在 3 月 18 日发射了 8 分钟,这是在 NASA 斯坦尼斯航天中心的 B-2 试验台上进行的第二次 Green Run 热火试验的一部分。该测试与航天飞机计划的飞行准备点火,以及 SpaceX 的飞行前静态点火测试没有什么不同。

从历史性的、开创性的任务中汲取的教训和实践继续在当今的太空计划中得到回应,从中止系统到试飞计划。因此,一系列新的近地轨道和深空飞行器将更安全、更有能力,开启人类在地球以外持续存在的新时代。

(主要照片来自 NASA)

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