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水星号载人飞船

水星号飞船(水星计划),是美国第一个载人飞船系列。从1961年5月-1963年5月美国共发射6艘水星号飞船,主要目的是试验飞船各种工程系统的性能,考察失重环境对人体的影响、人在失重环境中的工作能力以及对发射和返回过程中遇到超重的忍耐力等。

名称水星号载人飞船研制国家美国
首次发射时间1961年5月

背景

在美苏太空竞赛中,苏联注册送3金币捕鱼发射第一艘载人飞船,注册送3金币捕鱼的将宇航员加加林送入太空并安全返回。这使得美国人的情绪有些不平衡,当时美国的水星计划上有许多准备工作需要做。

1961年5月5日,命名为自由7号的水星飞船在卡纳维拉尔角空军基地由改装的红石火箭发射升空,飞船上乘坐的是美国第一位宇航员阿兰·谢帕德。这完全是一次弹道发射,飞船上升的最大高度为186千米。飞船正常分离后,又以弹道状载入大气层并安全回收。这种飞行方式被称为亚轨道飞行。据说在全部15分22秒的飞行过程中,谢帕德只有5分钟的失重经历。

美国为什么首先选择进行亚轨道飞行呢?这主要是因为美国宇航界认为,载人航天技术难度大,在进行正式的轨道飞行之前,应当首先进行较简单的亚轨道飞行试验,以降低飞行的风险,为载人轨道飞行积累经验。另外,美国的载人航天计划一切从零开始,包括运载火箭都是在红石、宇宙神等导弹基础上研制的,首先进行亚轨道飞行易于取得注册送3金币捕鱼,对在苏美载人航天竞赛中获胜也十分有利。

飞船设计

水星号飞船总长约2.9米,最大直径1.8米,重约1.3~1.8吨。由圆台形座舱和圆柱形伞舱组成。在发射时,水星号飞船的顶端还有一个高约5米的救生塔。座舱内可乘坐一名航天员,设计的最长飞行时间为2天。航天员躺在特制的座椅上,通过飞船舷窗、潜望镜和显示器可观测地球表面。在座舱外面大钝头处覆盖一层很厚的防热材料。飞船返回前点燃制动火箭,然后抛弃制动火箭组合件,再入大气层,下降到低空时打开降落伞,航天员与飞船一起溅落在海上,由直升机和打捞船只回收。航天员发现在轨道飞行中通过舷窗观测地平线和天体,可使飞船正确定位,从而可取消座舱中笨重的潜望镜,使飞船作漂移式飞行以节省燃料。

水星号飞船内部构造

图:水星号飞船内部构造

在任务的发射阶段,飞船和宇航员依靠发射逃逸系统来避免受发射事故的危害。逃逸系统是安装在飞船上方的一个能产生231kN推力的固体火箭塔。在发射事故产生时,逃逸系统在1秒内启动,将飞船和宇航员带离失效的运载火箭,随后依靠飞船的降落伞着陆。助推火箭熄火后,逃逸塔完成使命从飞船上脱落,由一枚能产生3.6KN的固体火箭工作1.5秒提供分离推力。

箭船分离时,飞船上的三枚推力为1.8KN的固体火箭点火1秒。这三枚火箭成为加速火箭。

飞船只配备了姿态控制推力器,因此在轨道注入和制动减速期间,飞船不能改变轨道。飞船高低部分各有6个喷射器,每个轴上两个。喷射器的燃料补给来自两个分离的燃料罐,一个自动供给,一个手动供给。宇航员可以选择控制喷射器中的任意一个。飞船还被设计为可以完全接受地面控制,以便在宇航员无法控制时控制飞船。

飞船有3枚固体制动火箭,每枚推力4.5kN,工作时间10秒。但一枚火箭足矣将飞船带回地球。制动时一枚火箭先点火,5秒后第二枚点火,5秒后第三枚点火。

飞船的顶端有个档板,飞船再入时如果顶端在前,流过档板的气流会将飞船调整为防护盾在前的安全姿态。再入过程中,宇航员在轨道段要承受8G的加速度,在亚轨道段要承受11-12G的加速度。

原始设计时计划为飞船配备铍吸热式防护盾或者烧蚀防护盾,后续试验确定使用后者。因为烧蚀盾更可靠(可使原设计的盾厚度降低,从而降低飞船重量),更易生产(当时美国只有一家公司生产为数不多的铍)且更廉价。

运载火箭

水星计划使用了三种运载火箭:

小乔伊火箭 - 8次亚轨道机械测试,2次运送猴子,以及若干逃逸系统测试。

红石运载火箭 - 4次亚轨道机械测试,一次运送黑猩猩,2次载人亚轨道飞行。

宇宙神运载火箭 - 4次亚轨道机械测试,2次在轨飞行,1次运送黑猩猩,4次载人轨道飞行。

小乔伊火箭搭载试验版飞船主要用来进行逃逸塔和飞行中断程序测试。红石火箭主要用于亚轨道飞行,宇宙神火箭用于轨道飞行。小乔伊火箭是专为水星计划设计的固体火箭,而宇宙神火箭原本是用来运送核弹头,因运送比弹头更重的飞船而做了必要的加固。1958年10月,水星-朱庇特导弹也曾被考虑作为亚轨道运载工具,但在1959年又因预算原因取消了此计划。大力神系列导弹也曾考虑做水星计划的运载工具,但计划付诸实施前水星计划就终止了?