载人空间飞行：那些人和那些事儿（上）

李成智

1961年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林完成了人类历史上首次载人航天飞行。虽然他的飞行只持续了106分钟，但开启了人类通向宇宙的大门，其科学、技术、政治、经济的影响广泛而深远。这次历史性的飞行其实始于东西方冷战。为了获得全球霸权，苏、美两国展开了导弹竞赛、卫星竞赛、探月竞赛、载人航天竞赛，这些项目的获胜者均为苏联。苏、美两个大国展开多项竞赛的背后，还有两个航天大师之间的无言竞争，一位是苏联专家谢尔盖·帕夫洛维奇·科罗廖夫，另一位是德国专家沃纳·冯·布劳恩（1945年被引渡到美国，1955年加入美国籍）。由于苏、美两国国情不同，制度不同，导弹与航天科研体制不同，导致结果大相径庭：苏联的尤里·加加林成为太空旅行第一人。

洲际弹道导弹—苏联首先试射

第二次世界大战结束后不久，冷战随即爆发，苏联和美国这对战时盟友变成了对手。面对新形势，双方都试图通过扩充军备来实现各自的战略意图—称霸世界。在发展现代武器装备方面，美国的策略是以原子弹为核心，以远程轰炸机为投送方式，早期或多或少地忽视了导弹的研制。苏联在大力发展原子弹的同时，考虑到远程轰炸机的研制难度大，因而把原子弹的投送方式寄托在新兴的火箭武器上。

利用德国的V—2导弹技术、硬件、设备以及专家，苏联很快消化吃透了德国的火箭技术，并组装试射了10枚V—2导弹。此后，苏联仿制成功P—1近程导弹，改进研制了P—2导弹，并利用自行研制的新型发动机研制成功P—5中程导弹。1954年发射的P—5M导弹首次实现了“两弹结合”（原子弹和导弹）。这种核导弹于1956年5月21日正式装备部队。P—5M核导弹的研制成功，为进一步研制洲际弹道导弹和发展航天科技奠定了基础，同时也大大提高了总设计师科罗廖夫的影响力。

1952—1953年间，格鲁什科领导第456设计局设计了一系列液体火箭发动机，并通过新型燃烧室设计、多燃烧室发动机并联、解决燃烧稳定振荡问题等技术攻关，研制出推力达百吨级的RD—107和RD—108火箭发动机。以这两种发动机为基础，科罗廖夫领导研制的两级洲际弹道导弹P—7全长约29米，最大宽度约10.3米，起飞重量267吨，最大起飞推力4762.8千牛。P—7在设计时就考虑到适应性和通用性，因此很容易改制成航天运载火箭。1957年8月21日，世界上第一枚洲际弹道导弹P—7成功地进行了全程试射，射程达到8000千米。这次成功具有多种意义：一是苏联抢在美国之前（提前6个月）发射成功洲际导弹，使东西方两大阵营的军事力量对比发生了某种深远的变化；二是为苏联率先跨入空间时代奠定了坚实的技术基础。

人造地球卫星—苏联抢先发射

第二次世界大战后，许多国家的科学家都在研究发射人造地球卫星的可能性，并建议为了和平目的和开发宇宙的需要研制发射人造地球卫星。1946年9月，在巴黎召开的第6届国际实用机械会议上，美国加州理工学院的马林纳和索末菲宣读了《利用火箭远离地球的问题》，倡导发射用于研究外层空间的卫星。美国空军的兰德公司自1946年起就开展发射人造卫星的可能性以及卫星在科学与军事领域应用的研究，还曾建议于1951年发射小型卫星。科学家的极力倡导，不仅引起了政界人士的注意，更引起了一般公众的极大兴趣。国际地球物理年（IGY）的创办是为了给参加的各国科学家们提供共同研究地球环境的机会，这就更加使人清楚地看到发展人造地球卫星的必要性。1954年夏，国际无线电科学协会与国际地形学和地球物理联合会通过了在地球物理年（1957—1958年）期间发射一颗人造地球卫星的决议，并得到了美国和苏联代表的支持和响应。

在苏联，人造地球卫星的主要倡导者是吉洪拉沃夫。早在1934年，他就在首届全苏同温层研究会议上发表题为《应用火箭飞行器研究同温层》的报告，提出用火箭把人造地球卫星发射到同温层和宇宙空间的设想。二战后，他组织一个专家小组进行了大量研究和计算工作，证明多级火箭原则上可使重物达到第一宇宙速度。在科罗廖夫和格鲁什科的积极争取下，吉洪拉沃夫在1948年的军事弹道科学院年会上，作了题为《在现代技术水平下借助空间火箭达到第一宇宙速度和制造人造地球卫星的可能性》的报告，引起了科学家们的充分关注。

1954年，吉洪拉沃夫在《关于人造地球卫星》的报告中，充分论证了利用二级火箭可以达到第一宇宙速度并可用于發射人造地球卫星。科罗廖夫非常热心太空飞行及发射人造地球卫星甚至载人飞船。他认为，正在研制的P—7洲际导弹具有很大的改进潜力，将其稍加改进就可以作为发射卫星的运载火箭。由于人造地球卫星的巨大科技、政治与军事价值，科罗廖夫认为苏联人造地球卫星计划必须尽快得到政府批准，以便抢在美国之前率先发射成功第一颗人造地球卫星。

1954年5月26日，吉洪拉沃夫主持起草了致苏联国防工业部部长乌斯季诺夫的长篇报告，不但提出应尽快研制发射最简单的人造地球卫星，争取领先其他国家，而且还谈到未来发射大型载人空间站以及实现载人登月等问题。鉴于美国总统艾森豪威尔1955年7月29日已经批准了美国的卫星计划，1955年8月8日，苏共中央政治局正式批准开展人造地球卫星研制。1956年1月30日，苏联部长会议发布命令，决定在1957—1958年内研制发射人造地球卫星。

苏联第一颗人造地球卫星计划包括四个部分：研制运载火箭；建设航天发射场；研制卫星本体和星上科学仪器；建设地面测控网。

为了使运载火箭达到第一宇宙速度以发射人造地球卫星，技术人员对P—7洲际导弹进行了改装，取消武装部有效载荷，调整发动机工作状态。将芯级发动机起飞推力调小到588千牛左右，助推级分离后，芯级再以911千牛的全推力工作。改装成的运载火箭定名为卫星号，起飞重量267吨， 起飞推力4880千牛，低轨道最大运载能力500千克。卫星号在发射卫星过程中，起飞时5台发动机同时工作；飞行120秒后，将4个助推级抛放，此时飞行高度约为50千米，速度为3200米每秒；最后芯级以最大推力继续工作180秒，将卫星送入地球轨道。

苏联首座航天发射场选址在哈萨克苏维埃社会主义共和国境内的丘拉坦地区，离拜科努尔不远的一处沙漠，1955年1月开始建设，定名为拜科努尔航天发射场。发射场由发射区、保障区和监控站等组成。经过多年的建设，发射区包括中心发射区、东发射区和西发射区。中心发射区设有总装测试厂房、控制测试大楼、大型地面发射区、地下发射井、推进剂贮存库、液氧工厂和其他辅助设施以及行政管理、训练和住宅等建筑。在发射场和周围地区还建有大量的地面测控网。该发射场后来成为苏联最大的航天发射基地。目前，该发射场属哈萨克斯坦共和國管辖。

人造地球卫星和星上设备由吉洪拉沃夫领导设计。1956年底，他建议“卫星造得小点，简单一点，最好为30千克重”。科罗廖夫支持这一建议，他认为：“第一颗卫星的外形应当简单而富于表现力，要近似于自然天体。在人们的意识中，它将是人类航天时代开始的永恒象征。”为了在全世界范围内引起轰动效应，他还指出：“我们不能忽视目前进行的试验所具有的历史意义……无线电发射机应该有这样的波长：让世界各地的无线电爱好者能够接收到它的信号。重要的是，要计算好第一颗卫星的轨道及其光学性质，使地球上所有人能亲眼看到它的飞行。”

苏联的第一颗人造地球卫星被称为人造地球卫星1号（CΠ-1），或按俄语发音称为斯普特尼克1号，其外形是球状，由铝合金制造，直径0.58米，重83.62千克。卫星周围对称安装4根弹簧鞭状天线，倾斜伸向后方，其中一对长2.4米，另一对长2.9米，卫星内部充以0.12兆帕（1.3大气压）的干燥氮气。下半球壳表面是热控制系统的辐射表面；上半球壳外部装有隔热层。

苏联科学院确定的卫星主要科学探测项目有：测量200～500千米高度的大气速度、压力、磁场、紫外线和X射线等数据，第二颗卫星上还将携带动物，用以考察动物对空间环境的适应能力。为此，卫星本体内安装了电池组、无线电发射机、热控制系统组件、转接元件、温度和压力传感器及其他科学探测仪器。电池组由3个银锌电池构成，电池组中央的矩形槽内安装两台交替工作的无线电发射机，工作频率分别为20.005和40.002兆赫。

1957年10月4日晚，卫星号运载火箭携带世界上第一颗人造地球卫星CΠ-1在拜科努尔航天发射场升空。卫星进入近地点215千米、远地点947千米、倾角65°、周期96.2分钟的椭圆形轨道。它在轨道上共计运行了92天，绕地球飞行约1400圈，最后于1958年1月4日再入大气层时烧毁。这颗卫星在技术上进行了星内温度压力试验、地上大气密度测量和电离层研究，并用卫星探测出几百千米高空的空气阻力。同科学研究结果相比，其政治影响和对科学技术发展的影响更加深远。

1957年10月4日午夜，莫斯科电台向全世界公布了苏联首颗人造地球卫星已成功发射进入轨道的消息。塔斯社的报道宣称：“人造地球卫星开辟了星际航行的道路。”不久，世界各地都能通过无线电接收到这颗卫星从天上发出来的“的……的……”的声响。人造卫星的成功发射，标志着人类终于跨入了航天时代。同时这也意味着，苏美太空竞赛的第一个回合的胜利者是苏联。

月球探测—苏联首获成功

苏联卫星号运载火箭的运载能力大大超过美国早期的几种运载火箭，而且还有进一步发展的潜力。借助火箭的优势，苏联在月球探测领域也不断扩大领先成果。

在月球探测领域，美国起步较早，率先尝试向月球发射简单的无人探测器。在早期的月球探测过程中，运载火箭的推力和运载能力是关键中的关键。如果运载能力不够，探测器根本就不可能离开地球。这样就完不成任何空间探测任务。1958年8月到12月，美国无人行星探测“先驱者”计划共发射了4个探测器。第一个探测器（后追称先驱者0号）在发射到16千米高时，运载火箭发生了爆炸，探测器也粉身碎骨。10月11日发射的先驱者1号，已经离开地球达11.4万千米。但由于火箭的能力不足，未能将探测器加速到第二宇宙速度。最终这几个探测器都落回了地面。1959—1960年间，美国又相继发射了4个先进的先驱者号探测器。由于运载火箭表现欠佳，这些造价昂贵的月球探测器也都报销了。

1959年1月2日，苏联发射了月球1号探测器，取得了很大成功。它到达了离月球只有5000千米的地方，测量到月球和地球的磁场、宇宙射线的强度、太阳辐射以及星际分子等数据。后来，这个探测器进入日心轨道，成为第一颗人造行星。同年9月12日，苏联发射的月球2号探测器也取得了极大的成功。它是第一个击中月球的人造物体，在撞到月面之前，向地球发回了有关月球磁场和辐射带的重要资料。同年10月4日发射的月球3号探测器则首次观察到神秘的月球背面，并拍摄到月球背面约70%的面积。虽然由于探测器的性能不理想，得到的资料质量不高，但它毕竟使人类第一次看到了月球的背面，科学意义十分重大。苏联取得的这些新成就进一步提高了国家声望。苏联领导人赫鲁晓夫也将这些成就宣传到了极致。他在1959年9月12日访问美国时，正值苏联发射月球2号探测器，他特地向美国总统艾森豪威尔介绍苏联在航天领域取得的成就，声称“苏联已经将勋章挂在了月球上”。为增强宣传效果，他还特别向艾森豪威尔赠送了一个金属月球模型。

載人航天竞赛拉开序幕

苏联抢先发射成功世界上第一颗人造地球卫星，率先发射成功月球探测器之后，接着，更有政治与宣传意义的载人太空飞行竞赛的序幕拉开。科罗廖夫在领导研制各类导弹的同时，还把载人航天作为他的重要努力方向，并千方百计以他的影响力促成载人航天飞行一步一步成为现实。苏联早在1956年4月就开始了载人太空飞行的初步规划工作，其中包括载人登月飞行。苏联在1957年11月发射的第二颗人造地球卫星上便有密封舱和生命保障系统，里面装了一只名为莱卡的小狗。这颗卫星可以看作是第一艘宇宙飞船，莱卡也可看作第一名宇航员。卫星在点火、发射、加速、入轨以及失重等飞行条件下，这只小狗似乎感觉很好。

真正将载人航天提上议事日程的是苏联第一设计局的吉洪拉沃夫和费奥克蒂斯托夫，他们在1958年8月提出开展载人航天的可行性研究，并在科罗廖夫的支持下进行了生命保障、控制系统等方面的研究。由于导弹计划由军方控制，第一设计局在拟定飞船计划时，重点强调它的军事价值—载人轨道侦察。1959年4月，他们提交了“东方号飞船设计草案”，提出在P—7导弹的改进型基础上加装第三级，可以将5吨载荷送入地球轨道。

科罗廖夫非常清楚苏联和美国运载火箭的现状。苏联头两颗卫星比美国最初一系列卫星重得多，但苏联当时只有一种运载火箭，而美国则至少有两种运载火箭，而且美国的宇宙神、雷神、大力神导弹均有改装成大型运载火箭的潜力。当时的卫星号运载火箭也具有改装成大型运载火箭的潜力，科罗廖夫意识到，只要抓紧时间并做出努力，苏联有可能尽早发射成功载人飞船。1958年6月5日，科罗廖夫等专家向苏联最高领导人赫鲁晓夫通报了利用现有技术，改进P—7火箭，实现载人太空飞行的可能性。

赫鲁晓夫对太空计划显示出异乎寻常的兴趣，这或许是基于政治和外交上的考虑。加之1958年10月美国国家航空航天局（NASA）成立后，美国大肆宣传其水星载人航天计划，强烈的好胜心理和同美国再次竞赛的意识促使他很快做出决定，加速推进苏联的载人太空飞行计划。1959年5月22日，苏联政府发出绝密命令，正式批准载人飞船研制计划。

这项计划实际上具有双重目的，而主要目的是研制军方迫切需要的无人侦察卫星。科罗廖夫则通过他的影响力以及赫鲁晓夫的支持成功地在命令中加入了“同时开发卫星式载人飞船”的字样。最终，卫星式载人飞船被命名为东方号，相应的运载火箭也被命名为东方号。

科罗廖夫在设计第一枚洲际弹道导弹P—7及卫星号运载火箭过程中，把起飞推力设计得很大并留有较大的余量或许就是为载人航天作技术准备。苏联用于载人航天的第一种运载火箭—东方号火箭大致就是在卫星号运载火箭基础上加装第三级构成的，各级发动机也都得到更新，推力与可靠性均有所提高。这些表明，苏联航天界早已有了载人太空飞行的思想准备和行动。这也是苏联在载人航天这一重大领域再次击败美国的原因之一。

载人航天面临着许多要解决的新问题，包括火箭起飞的过载和飞船的失重对宇航员健康的影响、太阳辐射和微流星对飞船和宇航员的影响、飞船生命保障系统、飞船的外形设计、飞船返回时气动加热的防护、飞行控制以及飞船着陆与回收等。1958年8月，不同方案的可行性研究先后完成。从各种报告来看，首次载人太空飞行采取何种形式明显地分成两种观点。一种观点主张像美国水星飞船那样，首先进行亚轨道飞行，也就是弹道飞行，飞船并不绕地球飞行，而是沿一条很陡的抛物线上升、下降，持续时间仅仅十几分钟。主张这种观点的人认为，亚轨道飞行可以充分利用现有技术成果，而且能保证较高的安全性。利用亚轨道飞行取得的经验可以为未来轨道飞行创造条件。另一种观点则认为首次飞行即应采取轨道飞行方式，即至少绕地球轨道飞行一周。

经过一番热烈的讨论，在科罗廖夫的支持下，最后决定直接进行载人轨道飞行，理由是：①亚轨道飞行几乎要做与轨道飞行完全相同的工作，难易程度并没有很大差别；②轨道飞行面临的重大问题无非是长时间失重和太阳辐射及微流星的影响，这些问题可通过几次不载人飞行试验加以认识和解决；③亚轨道飞行也要解决非常关键的再入和回收这一严峻的问题，从安全上看，两种飞行方式差别不大；④轨道飞行的成果要比亚轨道飞行大得多。

东方号飞船的外形选择也是一个争议很大的问题。有人认为圆柱体最合理，有人主张采用圆锥体，有人建议半球形，也有人拥护球形。设计师费奥克蒂斯托夫力主采用球形。在听取了各方面意见和理由之后，科罗廖夫同意采用球形结构，他指出：“我赞成以球形作为宇宙飞船结构的意见。球形能够容纳下宇航员座舱和它返回地面用的降落伞。而且在一定外形尺寸的条件下，对称形结构的内部容积最大。另外，球形还有明显的象征意义。”科罗廖夫显然懂得，采用球形形状有利于减少再入时气动热流的不利影响，而且有利于在各种速度下保持稳定。东方号飞船主要由费奥克蒂斯托夫领导的小组设计，因此他被称为东方号之父。

在解决再入防热问题上，东方号飞船基本上沿用了弹道导弹的再入防热技术，即在飞船返回舱涂装相对笨重的高密度烧蚀材料。后来，苏联飞船的防热结构才过渡到隔热性能好的低密度烧蚀材料。

东方号飞船系统方案的详细技术评价工作于1958年11月开始。1959年初，开始设计第一艘飞船。与此同时，飞船各分系统的设计也加紧进行，包括高度控制、通信、轨道转移等分系统。到1959年底，飞船的设计工作全部结束。东方号飞船由两部分组成，上端是球形乘员舱，直径2.3米，重2.46吨，乘员舱外部有两根遥控天线和顶端安装的通信天线，通信天线下端是一个小型通信电子设备舱。乘员舱侧旁有一个观察窗和一个弹射窗。舱内除装有生命保障设备及食物外，还有电视摄像机、光学定向装置、宇航员观测装置和宇航员应答装置。宇航员在飞行时一直躺在弹射座椅上，生命保障系统可供宇航员生存10昼夜。在紧靠乘员舱处有18个球形高压氮气和氧气瓶，用以为宇航员提供尽可能类似地面的大气环境。气瓶下端是仪器舱，为一圆台和圆锥形的结合体，最大直径2.43米，高2.25米，重2.27吨。它的侧面有3根鞭状天线，底端还有两个通信天线。反推发动机和推进剂贮箱位于末端，反推发动机用于飞船再入前制动变轨，采用硝酸和苯氨作为推进剂，推力16.8千牛，比冲266秒。这个系统能把飞船的速度减到155米每秒。为简单起见，末级火箭和飞船是一同进入轨道的，因此轨道上的飞船总长达7.35米。

宇宙飞船从外太空再入返回难度极大，首先要通过发动机制动减速。由于当时的发动机可靠性不高，万一发动机启动失败，飞船就回不来了。为此，苏联设计师想了一个简单的提高回收可靠性的办法，这就是采用较低的轨道。东方号飞船采用近地点只有180千米的低轨道，这样低的高度的大氣对飞船轨道衰减十分厉害。一旦制动火箭系统失灵，飞船可以在10天内逐渐衰减降低轨道，最终以不太大的再入速度返回地面。另一个好处是飞船不必使用复杂的轨道保持系统，简化了设计。第三个优点是，由于飞船不是以垂直高速再入而是以大倾角相对缓慢地再入，因而烧蚀防热设计会容易些。但是，低轨道也带来了一个严重缺点：飞船的再入和着陆地点很难预测，而且往往离发射场地很远。

飞船返回后在海上溅落回收相对安全。科罗廖夫最初也计划采用水星计划所设想的海上回收方案。赫鲁晓夫却坚持第一艘苏联载人飞船必须在苏联领土上降落，理由是如果在公海上降落，西方航天专家和记者势必蜂拥而至，那么苏联航天技术就会暴露在西方面前，不利于保密。这个命令使科罗廖夫等设计人员十分为难，因为在陆地上降落的安全性较低。如果采用火箭减速，那么飞船系统设计会变得异常复杂，重量也会大大增加。如果用降落伞也必须相当大才能回收一个几吨重的飞船。最后不得不采用一个冒险性很大的方案：不回收返回舱而只回收宇航员，即在飞船再入大气层离地面7000米左右时，将宇航员连同座椅一道弹射出去，并用降落伞缓慢降落，而飞船返回舱则由另一只降落伞回收。这种办法看似比较安全，但实际上在宇航员弹射时，飞船的速度比飞机快得多，宇航员用降落伞着陆能否成功是个未知数。由于时间紧迫，已不可能充分进行动物试验。

1960年5月15日，第一艘东方号飞船进行不载人发射，以考核制动火箭的工作情况。飞船在轨道上飞行3天后，计划进行制动火箭试验。由于点火时飞船的方向差了180度，结果飞船没有进入下降轨道，而是进入了一个更高的轨道。1960年7月23日，另一艘东方号飞船不载人发射时，由于运载火箭发生故障，飞船没有进入地球轨道。1960年8月19日，第三艘东方号飞船发射，上面载有两只小狗。这是一次完整的试验，考察整个发射、入轨及回收全过程的性能。飞船在轨道上飞行了约1天。当制动发动机点火后，仪器舱与返回舱正常分离。在距地面有一定距离时，载有动物的小舱室弹出返回舱外并安全回收，降落地比预期的仅差10千米。试验取得圆满成功。然而后面的两次试验却遭失败，一次是12月1日，另一次是12月下旬。前一次试验在回收时，飞船再入角很大，恶劣的气动加热导致飞船烧毁，两只小狗因此丧命。后一次试验则是运载火箭第三级没有工作，飞船未能入轨。

经过几个月的检查和修改，1961年3月，3艘东方号飞船运抵拜科努尔发射场，前两艘计划用于补充试验，第三艘正式用于载人飞行。3月9日和3月25日，两艘飞船先后搭载一只小狗进行了飞行试验。在试验过程中，遥测结果表明飞船和动物一切正常。最后飞船均安全再入并成功回收。这些成就预示载人轨道飞行即将开始。（未完待续）