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厂房内的神舟飞船
“以形赋意”的典型案例是载人飞船 。 载人飞船通常有两舱(密封的载人舱段+非密封的动力舱段)和三舱(密封的轨道舱或多功能舱+密封的返回舱+非密封的动力舱段)两大类构型 。 作为三舱构型的代表 , 联盟号飞船即是为频繁执行天地往返任务进行的设计 。
【和平号空间站|中国空间站构型:简洁不仅美,更是安全】在当时的研制条件下 , 正常及各种应急情况下的返回技术难度很大 , 气动外形、热防护、降落伞、着陆缓冲等技术的实现代价相对很大 。
最终 , 联盟号采用的设计策略是:返回部分(实际也是应急救生时依赖的部分)尽可能小 , 以降低上述各项设计和产品实现的难度 , 提高返回着陆可靠性 。 因此 , 联盟号飞船的返回舱是保证人生存环境、具备返回气动外形及返回着陆基本功能的最小配置;飞行期间 , 航天员可以到轨道舱获得更舒适的活动空间 , 交会对接测量设备、对接机构等只有在天上才使用的设备也都配置在轨道舱 , 返回之前就分离扔掉了 , 不再占用宝贵的返回重量 。 三舱构型体现了载人飞船设计的均衡优化 , 与早期两舱设计的“东方号”、“水星号”等相比有很大进步 。
最近几年 , SpaceX的龙飞船、波音公司的Starliner、洛马公司的Orion以及我国已开展一次试验飞行的新一代载人飞船 , 构型又都是两舱 。 不过 , 此两舱非彼两舱 。 这几款新飞船都采用了重复使用设计 , 而在重复使用的前提下 , 返回部分占比越大越经济 。 不仅如此 , 这几款飞船也都兼顾无人飞行时的货运返回 , 更大的返回舱空间也有利于货物装载 。
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新一代载人飞船试验船示意图
三舱还是两舱、各舱占比多少 , 都取决于飞船的功能和性能要求;舱段布局 , 同样体现了载人航天的设计思想 。
仍以联盟飞船为例 , 三舱选择“轨-返-推”还是“返-轨-推”构型?考虑飞船在地面和低空的逃逸需求 , 返回舱布局在船箭组合体的最顶端是有利的 , 即“返-轨-推” 。
但是 , 返回舱要保证航天员能够进入轨道舱、且能够与空间站对接 , 就得在两端开门 。 返回大底上若开门 , 在保证密封及返回防热等方面的安全性和可靠性远不如封闭结构 。 因此 , 联盟号定型为“轨-返-推”构型 , 同时将逃逸方案设计为逃逸火箭带轨-返组合体一起飞行、之后以俗称“下蛋”的方式将返回舱单独分离扔下来 。
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