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载人飞船 来自维基百科，自由的百科全书
聯盟號（俄語：Союз，IPA：[sɐˈjʉs]）是蘇聯研製的第三代載人飛船[a]，與之相對應的載人太空飛行計畫稱為聯盟計畫，其名「聯盟」即指蘇聯。該款太空載具由蘇聯第一設計局在1960年代為蘇聯登月計畫而設計，蘇聯解體後由俄羅斯聯邦太空總署繼續使用至今。在2011年美國太空梭退役後，到2020年5月30日SpaceX公司載人飛龍號太空船2號首飛前，乘坐聯盟號飛船是各國太空人往返國際太空站的唯一途徑。聯盟號飛船低廉的成本，極佳的可靠性和升級潛力讓其在首飛50年後仍然活躍在航太舞台上。截至2021年，各型聯盟號飛船已經執行了超過140次任務。[1]
聯盟號飛船原先是為了蘇聯載人繞月計畫和進一步的登月計畫所設計的，於1966年11月28日進行了第一次無人測試飛行，沒有成功。在測試不足的情況下，正與美國進行登月競賽的蘇聯當局在倉促中於1967年4月23日推進了第一次載人任務，代號為聯盟1號。聯盟1號任務以慘劇收場：飛船從入軌的一刻起就發生了一系列故障，最後因為降落傘無法展開導致太空人科馬洛夫犧牲。血的教訓使得蘇聯當局放緩了發射時間表，完善了聯盟號飛船的設計，著重提高了可靠性。1年後的聯盟2號是無人任務，而緊接著的聯盟3號成功地完成了載人返航。聯盟號飛船另一次致命事故是1971年的聯盟11號任務——聯盟11號宇宙飛船返回艙再入大氣層時，其艙內密封性被破壞，導致三名太空人因急速失壓死亡。[2]儘管早期事故頻發，現在的聯盟號飛船在多次改進後被認為是最安全，最經濟實惠的載人飛船。[3]另一方面，聯盟號也是至今服役最久的載人飛船，擁有漫長而光榮的歷史[4][5]，它曾運載蘇聯太空人前往禮炮太空站和和平號太空站，蘇聯解體後，它又攜帶著各國太空人前往國際太空站。國際太空站上永遠停泊著一艘聯盟號飛船作為駐站太空人的緊急逃生手段。然而進入商業航空時代後，聯盟號飛船的基礎設計已經略顯過時，俄羅斯正在研製更大的鷹宇宙飛船，計畫在未來代替聯盟號飛船執行任務。[6]
聯盟號飛船從前往後由三個部分組成，分別為:
軌道艙和服務艙均是一次性的，在飛船重入大氣層時就會被燒毀。乍看一下這種設計略顯浪費，但其實這種分體設計大大減小了飛船再入時對防熱盾的需要從而從而實現了成本控制和減重。相較於內部容積只有6.2立方米阿波羅指令艙，聯盟號飛船的內部可居住空間有7.5立方米，而且不需要重型火箭即可發射。雖然聯盟號的各部件不可回收，每次發射都得組裝一艘新的飛船，但是聯盟號整體製造成本十分低廉，使大規模發射成為可能。 [7]
聯盟號飛船可以為三名組員提供30天的生命支持。生命支持系統在船內維持著海平面氣壓的氮/氧大氣——艙內的超氧化鉀（KO2）罐可以與人體產生的大部分二氧化碳（CO2）和水反應從而生成氧氣，剩下的二氧化碳則由另外的氫氧化鋰罐吸收。
發射時飛船外部由兩片整流罩所保護，在發射2分半後整流罩和發射逃生系統一同與飛船分離。[8]聯盟號飛船還配備了自動對接系統，在與其他太空載具對接時既可以自動完成任務，也可以由太空人手動對接。
蘇聯第一代的東方號飛船上裝有類似飛機上使用的彈射座椅，當緊急情況發生時，太空人可以選擇彈射並使用降落傘逃生。然而這套系統具有缺陷，當飛船高度過低時（比如發射的前20秒），降落傘無法完全展開並使太空人安全落地。因此，受同時期美國使用的水星飛船上的逃逸塔啟發，蘇聯設計師於1962年開發出了用於聯盟號飛船的逃生系統。這套發射逃生系統被稱為SAS（俄語：Система Аварийного Спасения，羅馬化：Sistema Avarijnogo Spaseniya），聯盟號飛船上的感應器會收集資訊並自動判斷飛船是否處在緊急狀態之中（比如判斷R-7火箭的推進器是否正常脫離）。一旦遇險，逃逸程序便會啟動，逃逸火箭會帶著飛船的前半部分脫離火箭主體（而服務艙會留在火箭上）。地面控制人員可以手動開啟逃逸程序，然而飛船上的太空人卻沒有自主開啟的選擇。
早期測試顯示出在逃逸時在整流罩影響下，聯盟號飛船的返回艙和服務艙無法快速乾淨地分離。後續設計讓整流罩本身也能在返回艙和服務艙連接處斷裂，使得整個載荷前半部分能作為整體脫離。整流罩外也外加了4片可摺疊的翼板。整個系統在1966年到1967年進行了兩次測試。[9]
逃生系統的基本設計在50年的使用中幾乎保持不變，所有載人聯盟號飛船發射時都裝有這個系統。唯一的修改是1972年因為重新設計的聯盟7K-T型飛船攜帶了額外的生命支持設備，出於減輕重量的原因，逃逸火箭噴嘴上的整流罩被移除。無人版本的進步號貨船裝有假逃逸塔，並拆下了整流罩外的可摺疊翼片。聯盟號在服役歷史中遇過3次發射失敗：1975年的聯盟18a號，1983年的聯盟T-10a號和2018年的聯盟MS-10號。1975年，運載火箭二三級未能正常分離，太空人將飛船與第三節火箭分離，並使用聯盟號飛船自己的引擎逃生。1983年，運載火箭在地面起火爆炸，太空人使用逃逸塔逃生。2018年，聯盟MS-10號在發射後2分45秒，逃逸塔分離後，因推進器分離時發生了碰撞，火箭姿態異常，太空人使用整流罩上的次級逃逸火箭逃生。[8]
聯盟號飛船的前部被稱為軌道艙（俄語：бытовой отсек，羅馬化：bytovoi otsek），有時也被稱為居住艙。軌道艙中攜帶了所有飛船再入時不需要的設備，比如實驗器材，攝像機和貨物。軌道艙同時裝有廁所，對接用電子設備，通信設備等等。其內部容積有6立方米，可居住空間有5立方米。自聯盟-TM之後，近年的聯盟號飛船的軌道艙前部裝有一個小窗，讓組員獲得了前向視野。
軌道艙和返回艙之間的艙門可以被關閉，使得軌道艙可以充當臨時的氣閘。軌道艙的側面設有艙門，太空人可以從這齣艙進行太空行走，這個艙門也是火箭發射前太空人進入飛船的途徑。與性命攸關的返回艙不同，軌道艙可以依每次任務的需要進行修改。另外，由於太空人只在微重力下在軌道艙內活動，使得軌道艙的「上下」與返回艙的「上下」定義不同。通常而言，太空人習慣以軌道艙的側面艙門為上，在工作時頭對著側面艙門。[10]
在飛船再入時，聯盟號飛船的軌道艙會和返回艙分離。如果不能正常分離，返回艙將會墜毀：處於返回艙上方的軌道艙會妨礙降落傘的展開，反衝火箭也不能支持軌道艙額外的重量。有鑑於此，直到80年代後期，蘇聯的標準操作是在引擎點火把飛船送入返回軌道之前就分離軌道艙，確保再入時返回艙一定不與軌道艙相連。然而，1988年的聯盟TM-5號任務中，蘇聯太空人提前分離了軌道艙，卻發現自己的飛船無法進入再入軌道。由於缺乏軌道艙里的設施，在近24小時的時間裡，蘇聯太空人無法使用廁所，也無法再與和平號太空站對接。這一事故使得蘇聯改變了入軌程序，現在聯盟號飛船會在進入返回軌道後再分離軌道艙，以防飛船入軌失敗。[11]
聯盟號飛船的中部被稱為返回艙（俄語：Спуска́емый Аппара́т，羅馬化：Spuskáyemy Apparát），用於搭載太空人從太空返回地球。返回艙再入大氣時會因大氣阻力而急劇升溫，因此其表面由多層耐熱材料所覆蓋。在使用上層大氣進行氣動剎車後，返回艙先會拋出一副減速降落傘，等速度降低後再拋出主降落傘；直到返回艙離地1米時，其底部的反推火箭會啟動，使返回艙平穩落地。設計上，返回艙要求在表面積（特別是隔熱盾面積）一定的情況下獲取最大的內部容積，因而最理想的形狀是球形，蘇聯最早的東方號飛船便使用了球形返回艙，然而球形無法產生升力，導致再入軌道完全是彈道的，只能保持預定的航向，不可修改。有鑑於此，蘇聯設計師將聯盟號飛船的返回艙改為了鐘形，再入時鐘形較鈍的底部會以一定角度朝下，這樣震波會被推離飛船表面，空氣會把熱量帶走而不靠近飛船。同時由於返回艙的質心不在幾何中心，返回艙有能力產生一定的升力，從而實現落點的控制。返回艙空間有限，早期型號的聯盟號飛船在聯盟11號事故後通常攜帶2名組員，而聯盟-T之後的型號可以攜帶3名組員。聯盟號的返回艙的內部容積大約是4立方米，可居住空間有2.5立方米。[12][13]
聯盟號飛船的後部被稱為服務艙（俄語：прибо́рно-агрега́тный отсе́к，羅馬化：pribórno-agregátny otsék）。服務艙又可以分為兩部分，前部是餅狀的儀器艙，這個加壓模組內包含溫度控制系統，供電系統，通訊設備，遙測設備，飛船的導航系統等等；後部是不加壓的引擎艙，包含用於飛船變軌和再入的液體火箭引擎和燃料。服務艙外部另外裝有姿態控制引擎，傳感器，和太陽能電池板。再入時，服務艙會在軌道艙之後與返回艙分離。歷史上在聯盟5號，聯盟TMA-10號和聯盟TMA-11號任務期間出現過服務艙和返回艙不完全分離的事故，導致返回艙再入大氣層時姿態錯誤（「小頭」朝下），所幸三次事故中均沒有出現人員傷亡。[14]
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自1960年代以來，聯盟號飛船的設計經歷了多次修改和迭代。下文列出了其發展史上的一些重要衍生型。
| 版本： | 聯盟7K
(1963) |
聯盟7K-OK
(1967–1970) |
聯盟7K-LOK
(繞月計畫) |
聯盟7K-T
(1973–1981) |
聯盟7K-TM
(1975) |
聯盟-T
(1976–1986) |
聯盟-TM
(1986–2002) |
聯盟-TMA
(2003–2012) |
聯盟TMA-M
(2010–2016) |
聯盟MS
(2016–2020) |
| 總體 | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 質量 | 5,880公斤（12,960磅） | 6,560公斤（14,460磅） | 9,850公斤（21,720磅） | 6,800公斤（15,000磅） | 6,680公斤（14,730磅） | 6,850公斤（15,100磅） | 7,250公斤（15,980磅） | 7,220公斤（15,920磅） | 7,150公斤（15,760磅） | 7,080公斤（15,610磅） |
| 全長 | 7.40米（24.3英尺） | 7.95米（26.1英尺） | 10.06米（33.0英尺） | 7.48米（24.5英尺） | 7.48米（24.5英尺） | 7.48米（24.5英尺） | 7.48米（24.5英尺） | 7.48米（24.5英尺） | 7.48米（24.5英尺） | 7.48米（24.5英尺） |
| 最大直徑 | 2.50米（8英尺2英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.93米（9英尺7英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） |
| 翼展 | ? | 9.80米（32.2英尺） | 10.06米（33.0英尺） | 9.80米（32.2英尺） | 8.37米（27.5英尺） | 10.6米（35英尺） | 10.6米（35英尺） | 10.7米（35英尺） | 10.7米（35英尺） | 10.7米（35英尺） |
| 軌道艙 (BO) | ||||||||||
| 質量 | 1,000公斤（2,200磅） | 1,100公斤（2,400磅） | ? | 1,350公斤（2,980磅） | 1,224公斤（2,698磅） | 1,100公斤（2,400磅） | 1,450公斤（3,200磅） | 1370|kg | 1,350公斤（2,980磅） | 1,350公斤（2,980磅） |
| 全長 | 3.00米（9.84英尺） | 3.45米（11.3英尺） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.98米（9英尺9英寸） | 3.10米（10.2英尺） | 2.98米（9英尺9英寸） | 2.98米（9英尺9英寸） | 2.98米（9英尺9英寸） | 2.98米（9英尺9英寸） | 2.98米（9英尺9英寸） |
| 直徑 | 2.20米（7英尺3英寸） | 2.25米（7英尺5英寸） | 2.30米（7英尺7英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） |
| 體積 | 2.20 m3（78 cu ft） | 5.00 m3（177 cu ft） | ? | 5.00 m3（177 cu ft） | 5.00 m3（177 cu ft） | 5.00 m3（177 cu ft） | 5.00 m3（177 cu ft） | 5.00 m3（177 cu ft） | 5.00 m3（177 cu ft） | 5.00 m3（177 cu ft） |
| 重返艙 (SA) | ||||||||||
| 質量 | 2,480公斤（5,470磅） | 2,810公斤（6,190磅） | 2,804公斤（6,182磅） | 2,850公斤（6,280磅） | 2,802公斤（6,177磅） | 3,000公斤（6,600磅） | 2,850公斤（6,280磅） | 2,950公斤（6,500磅） | 2,950公斤（6,500磅） | 2,950公斤（6,500磅） |
| 全長 | 2.30米（7英尺7英寸） | 2.24米（7英尺4英寸） | 2.19米（7英尺2英寸） | 2.24米（7英尺4英寸） | 2.24米（7英尺4英寸） | 2.24米（7英尺4英寸） | 2.24米（7英尺4英寸） | 2.24米（7英尺4英寸） | 2.24米（7英尺4英寸） | 2.24米（7英尺4英寸） |
| 直徑 | 2.17米（7英尺1英寸） | 2.17米（7英尺1英寸） | 2.2米（7英尺3英寸） | 2.17米（7英尺1英寸） | 2.17米（7英尺1英寸） | 2.17米（7英尺1英寸） | 2.17米（7英尺1英寸） | 2.17米（7英尺1英寸） | 2.17米（7英尺1英寸） | 2.17米（7英尺1英寸） |
| 體積 | 4.00 m3（141 cu ft） | 4.00 m3（141 cu ft） | ? | 3.50 m3（124 cu ft） | 4.00 m3（141 cu ft） | 4.00 m3（141 cu ft） | 3.50 m3（124 cu ft） | 3.50 m3（124 cu ft） | 3.50 m3（124 cu ft） | 3.50 m3（124 cu ft） |
| 服務艙 (PAO) | ||||||||||
| 質量 | 2,400公斤（5,300磅） | 2,650公斤（5,840磅） | ? | 2,700公斤（6,000磅） | 2,654公斤（5,851磅） | 2,750公斤（6,060磅） | 2,950公斤（6,500磅） | 2,900公斤（6,400磅） | 2,900公斤（6,400磅） | 2,900公斤（6,400磅） |
| 可用燃料 (kg) | 830公斤（1,830磅） | 500公斤（1,100磅） | 3,152公斤（6,949磅）[15] | 500公斤（1,100磅） | 500公斤（1,100磅） | 700公斤（1,500磅） | 880公斤（1,940磅） | 880公斤（1,940磅） | 800公斤（1,800磅） | 800公斤（1,800磅） |
| 全長 | 2.10米（6英尺11英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.82米（9英尺3英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） | 2.26米（7英尺5英寸） |
| 直徑 | 2.50米（8英尺2英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.20米（7英尺3英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） | 2.72米（8英尺11英寸） |
聯盟號飛船的基礎設計來源於科羅廖夫在1960年代早期提出的聯盟A-B-V概念（又稱7K-9K-11K繞月複合體，或者L1）中的聯盟7K部分。由於R-7火箭的運力有限，科羅廖夫設計的繞月飛船由3部分在地球軌道上組裝而成。聯盟7K在複合體中負責搭載2名乘員，聯盟9K是軌道拖船，負責提供推力，而聯盟11K是油船，在給聯盟9K提供燃料後脫離。整個設計需要多次發射和多次對接，被更簡單可靠的LK-1飛船設計所取代。[16]
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儘管7K-9K-11K繞月複合體設計被棄用，但是聯盟7K的設計卻受青睞並被選為蘇聯下一代的載人飛船。從1967年到1971年發射的聯盟1號到聯盟11號被認為是第一代聯盟號飛船。其特徵是彎曲的太陽能電池板和軌道艙上方直立的「針」式對接系統雷達天線。它們可以搭載多至3人的組員，但此時蘇聯太空人在艙內不穿戴太空衣，為聯盟11號事故埋下了隱患。第一代聯盟號飛船又可以分為聯盟7K-OK和聯盟7K-OKS，後者為了和禮炮1號太空站對接做了一定修改，泊定和對接系統允許太空人從聯盟號內部轉移到太空站上。[17]
聯盟7K-L1型是以聯盟7K為基礎設計的一款繞月飛行器，計畫由新的質子運載火箭發射。從1967年到1970年，聯盟7K-L1在探測器項目下進行了一系列無人測試（探測器4號到探測器8號）。早期測試事故頻發，嚴重拖慢了項目進度。隨著美國1968年12月完成阿波羅8號繞月任務和1969年7月阿波羅11號登月任務後，蘇聯官方逐漸對登月競賽失去了興趣，聯盟7K-L1計畫也隨之取消。聯盟7K-LOK型是和聯盟7K-L1型同時研製的用於登月任務的改型，由於搭載其發射的N1火箭可靠性堪憂，整個計畫在70年代中期取消，蘇聯決定集中精力完成更具有實際意義的太空站計畫。[18] [19]
聯盟12號到聯盟40號被認為是第二代聯盟號飛船，稱為聯盟7K-T型，其特徵是沒有安裝太陽能電池板，取而代之的是兩根針狀天線。這一衍生型是基於聯盟號軍用型設計（聯盟P，聯盟PPK，聯盟R）改進而來，由於聯盟11號災難性的失壓事故，第二代聯盟號的組員減至二人，但他們配備了「隼」式艙內太空衣以防飛船起飛和再入時出現意外。[20]
聯盟7K-T/A9次型用於軍用的鑽石太空站，增加了太空站遙控系統和新的降落傘。另外一些變動至今仍未公開。
聯盟7K-TM型用於1975年的阿波羅-聯盟測試計畫和1976年的聯盟22號任務。聯盟7K-TM型可以認為是二、三代聯盟號飛船之間的過渡型。[21] [19]
第三代聯盟號飛船被稱為聯盟T型（T代表：俄語：транспортный，羅馬化：transportnyi，直譯：運輸），在1976年到1986年間發射。聯盟T型的特徵是其再次安裝了太陽能電池板，和改進的「針」式對接系統（天線形狀不同）。飛船組員增至3名，仍然配有「隼」式艙內太空衣。[22]
聯盟TM型（M代表：俄語：модифицированный，羅馬化：modifitsirovannyi，直譯：改進）在1986年到2002年間發射。主要改進是將對接系統換成了更先進的「航向」對接系統（俄語：Курс）。在服役期間，聯盟TM型主要用於向和平號太空站和國際太空站輸送乘員。[19][23]
聯盟TMA型（A代表：俄語：антропометрический，羅馬化：antropometricheskii，直譯：人體測量學）和上一代的聯盟TM型在外觀上非常相似，主要區別在於TMA型在NASA要求下改善了聯盟號飛船的居住性，可以容納更高更重的太空人。另外TNA型擁有新的組員座椅，降落傘系統，和數位化的控制系統。[12][24]
聯盟TMA-M型是對聯盟TMA型的再次改進，區別在於聯盟TMA-M型加裝了新的船載電腦，數位化屏顯，新的對接系統，同時減去了50千克質量。聯盟TMA-M型於2010年10月7日的聯盟TMA-01M任務首飛。[25]
2013年的聯盟TMA-08M任務創造了太空站最速對接的新紀錄。此次任務使用了6小時的「快速」對接模式，而不像之前的聯盟號飛船那樣需要用上2晝夜。[26]
無人的進步號貨船基於基於聯盟號飛船衍生而來，用於為禮炮號太空站，和平號太空站和國際太空站提供物資補給。
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