“天船”是個什么船？

▲ “天船”飛往國際空間站的想象圖

印度為自己的載人飛船起了一個名字叫做gaganyaan，翻譯過來就是“天空之船”的意思，我們在下文中就簡稱它為“天船”。

矛盾的總體設計

對于“天船”的基本數字，維基百科的描述有著一定的矛盾之處。按照它給出的數字，“天船”是一種發射質量7800千克的飛行器，其中也包括了服務艙。維基百科在數據表中將它描述為一種可以載3人飛行7天的飛船，但在另外一處又稱它類似于美國“水星”飛船，而“水星”飛船只能載兩人。至于返回艙和服務艙各自的質量是多少，文獻給出的數字存在著矛盾。

印度空間研究組織目前尚未發布關于“天船”的精確設計參數，但是在2014年進行的“載人艙氣動再入試驗器”（CARE）試驗中，用來實施回收技術試驗的飛船發射質量為3735千克。從內部結構照片來看，船內的座椅、儀表、氣瓶、電氣設備等都還沒有安裝，因此實際飛行的“天船”返回艙質量恐怕增加很多。但是“天船”的外部尺寸應該是確定下來了：高2.7米、大底直徑3.1米。它采用了美國式的設計風格，外殼為圓臺型，而不是“聯盟”和“神舟”的鐘型。所以，它的內部空間不會太大，載兩人這個數字可能是比較可靠的。

2017年，印度國家科學院先進研究所的三位科研人員在國際宇航聯合會上發表論文，討論了載人航天在政治和技術上對印度的意義，文中稱印度考慮“發射一種能載兩人的飛船進入低地球軌道并且安全返回地球”。

維基百科推測“天船”返回艙內部容積2.88立方米。相比之下，俄羅斯早期的“聯盟”飛船內部容積為4立方米，中國“神舟”飛船更是達到了6立方米。印度如果僅僅是為了突破載人航天技術，不追求世界領先，選擇這樣的低配小飛船方案也是明智的選擇。

以印度的航天工業基礎，只要給夠錢，造出載人飛船來還是有希望的。所以我們現在來看一看撥款的問題。2008年批準項目的時候，印度政府為“天船”撥出了1000萬美元作為啟動資金。當時考慮用7年時間實現載人飛行，總投資30億美元。在印度的第11個五年計劃中，計劃委員會為載人航天安排了10億美元的預算。

不過在莫迪宣布2022年這個節點后，ISRO又表示，整個載人航天計劃的開支不會超過14.3億美元。然而這個數字可能有點樂觀了，載人航天在技術發展早期不是一件可以能省就省的事情。如果因為缺錢而跳過某些必要的步驟，可能會導致災難性事故，進而帶來更大的浪費。從“天船”現有的飛行計劃來看，這種風險還是不小的。

▲ “天船”的零高度救生試驗取得成功

CARE的基本情況

“天船”的研制并不是近期才開展的。早在2006年，印度空間研究機構就以“軌道飛行器”的名義提出了方案。2008年，ISRO完成了基本設計，提交給印度政府申請資金。2009年2月，載人航天計劃的撥款案得到了批準，但印度政界對它的支持度卻不高，所以撥款額度很有限。當時曾經計劃，要在2013年進行第一次不載人試飛，但因為經費問題而沒有實現，推遲1年后才實施了一次亞軌道飛行，代號為CARE。

2014年的亞軌道飛行也是GSLV MARKIII火箭的首次飛行，其實已經揭示了印度載人航天的基本方案，但當時“天船”的設計還遠沒有完成。

首先看飛行過程。GSLV MARKIII火箭攜帶CARE從薩迪什·達萬基地起飛后，飛行了5分鐘，抵達了距離地面126公里的位置，并且在這個高度釋放了CARE。CARE樣船隨后再入大氣層，通過100牛頓推力的甲基肼-四氧化二氮燃料發動機控制逐步減速，降落到80公里的高度。然后發動機關閉，CARE靠氣動減速繼續下降。其間靠飛船表面敷設的碳酚醛樹脂和所謂的“中密度燒蝕材料”來實現熱防護，據說表面溫度一度達到1600攝氏度。在進入黑障之前，CARE下傳了有關飛行數據。這是因為ISRO擔心，如果回收失敗，這些數據就丟失了。不過他們擔心的事情并沒有發生，CARE在距離地面15.4公里的高度把速度降低到了馬赫數0.8。它拋掉傘艙蓋，打開了降落傘，成功降落在孟加拉灣，并且成功回收，

對印度來說，這是一個重要的里程碑。飛船的軌道進入、分離、再入系統得到了驗證，艙段分離、熱防護系統、氣動減速、降落傘、濺落流程、水上浮囊等分系統也正常工作。應該說，僅僅就CARE試驗來說，干得還不錯。

可問題也就在這里，除了上面說的這些，其他必要分系統——包括推進艙在內——全都不存在。或許是因為結構分系統的設計還沒有最終完成，CARE用鋁合金梁構成了一個內外兩層的框架，內層框架的頂部設計了一個收納空間，用來容納降落傘包。在傘包下方是一個環形的電子設備安裝板，裝有300多個傳感器。

從飛船體積和人體尺寸的對比來看，CARE的內部空間很有限，哪怕僅有現在的這些設備，也很難坐進兩個人。再把飛船的其他必要分系統裝進去，恐怕就會把內部空間完全塞滿，沒有地方安排航天員和他們的座椅了。總不能讓兩名航天員施展瑜伽術，卡在設備的縫隙里熬過這空間飛行的7天吧。

或許，ISRO打算先用這個結構來完成回收技術驗證，然后再重新設計飛船結構，去掉內層框架，并且重新布置所有的分系統，給兩名航天員留下能生存7天的空間。ISRO也需要尋找更好的材料和工藝來制造降落傘，大幅度壓縮它們的體積。CARE一共有兩套降落傘，各自包括三副傘：直徑2.3米的引導傘、直徑6.2米的減速傘和直徑31米的主傘。從內部結構照片上看，這些降落傘收納起來以后，所占的內部空間體積比例要比“神舟”“聯盟”的傘包體積占比大得多，改進余地還是很大的。但“天船”的降落傘艙蓋設置在錐頂正中，而不是“神舟”那樣安裝在頂部側面，這就給艙內空間構造設定了一個不算太理想的邊界條件。

但“天船”有一個優勢，它的預定著陸場設置在海上，因此就不需要設計著陸緩沖發動機和防熱大底。只要設計體積相對比較小的浮囊就可以了。

▲ “天船”的示意圖，與LVM3試驗的尺寸似乎有些不符

▲ CARE模擬飛船試驗回收取得成功

逃逸救生試驗

2018年7月5日，“天船”又進行了一次重要的試驗：逃逸救生。這是為了預防在發射過程中，火箭在較低高度發生故障，為航天員逃離火箭而設置的分系統。試驗在地面零高度進行，逃逸塔點火，把整套系統帶入高空，再拋掉整流罩，飛船返回艙分離后開傘著陸。

“天船”的這次試驗中，模擬飛船、整流罩和逃逸塔總質量達到了12.6噸。當地時間早上7點，逃逸塔點火，7個固體火箭發動機帶著飛船直沖天空，抵達了大約2.7公里的高度。根據傳感器發回的數據，飛行中的過載并沒有超過安全極限。259秒后，模擬飛船緩緩降落在孟加拉灣附近。ISRO派出3艘船只將它拖回。

跳級生的考試？

從上面的描述來看，“天船”的研制基本上還是很順利的，特別是7月5日的這一次。當然，這些成果對真正的載人飛行來說還遠遠不夠。絕大多數分系統還沒有經歷過空間飛行，甚至沒有地面試驗的消息傳出。

另外，2014年CARE飛行中，飛船是頭下腳上，倒立著安裝在運載火箭適配器上的。這樣，在飛船分離之后，可以立刻進入返回姿態。但實際載人飛行當中，當飛船要返回地面的時候，必須先進行調姿，然后再實現返回艙和推進艙分離。這項技術，ISRO還沒有實施過空間飛行，哪怕類似的試驗也不曾做過。另外，CARE飛行的高度只有126公里，與火箭分離時速度只有5327米/秒。但“天船”的設計軌道高度是400公里，中間這200多公里的落差不僅僅意味著勢能變化，更意味著巨大的速度增量。換言之，如果把CARE從400公里高度、以7.9公里/秒的第一宇宙速度再入，氣動加熱要嚴重得多，減速需求也高得多。現在這套系統能不能工作還是個未知數。

可以打個比方，如果以ISRO現在掌握的技術，要在2022年實現第一次載人飛行，就相當于讓一個初中生直接去考研究生，跨度實在大了一些。我們并不知道ISRO是如何向印度政府描述研制進展的，但是很顯然，印度政府就此擁有了充分的信心。根據GSLV MARKIII的發射計劃，到2022年第一次載人飛行之前，不會再安排不載人的飛行試驗了。或許，印度可以直接從俄羅斯進口缺少的分系統，包括環控和生保系統、航天服、先進的降落傘等等。這樣或許會有效加快研制進度。