为了登陆月球火星 中国新一代载人飞船做了这些改变

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中国的神舟系列飞船虽然功勋卓著却天然带有技术局限,它一次最多只能搭载三名航天员,而且飞行高度有限,仅能飞往距地面三四百公里的近地轨道,它的返回舱空间较小,搭载科学试验样品能力有限,而这一切,在中国的新一代载人飞船上都将做出改变。

出品| 网易新闻

作者| 李会超,哈尔滨工业大学(深圳)博士后

提起中国的载人航天工程,大家首先想到的一定是屡立战功的"神舟"系列飞船。

在神舟一号到神舟四号的无人飞行试验圆满完成后,自神舟五号起,神舟飞船开始搭载宇航员上太空,中国成为世界上第三个有能力执行载人航天任务的国家。

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杨利伟乘坐神舟五号飞船进入太空,图源见水印

从神舟六号到神舟十一号,神舟飞船的每次飞行都能创造新的第一,给中国的航天技术发展带来新的突破,不过除了神舟系列飞船外,中国也同时正在研制新一代载人飞船。

(一)神舟飞船虽然牛,但天然有技术局限

虽然神舟飞船功勋卓著,但这种师承俄罗斯(苏联)联盟号飞船的载人航天飞行器有着其自身的局限。

首先,与美国的航天飞机(目前已退役)和俄罗斯的载人飞船类似,中国的神舟飞船只能飞往距离地面三四百公里的近地轨道(简称LEO轨道)。

如果把地球的半径看作一栋摩天大楼的高度的话,这仅仅是向上爬了一层楼而已,如果今后要搭载中国的宇航员飞向月球乃至火星,神舟飞船就无能为力了。

其次,神舟飞船一次最多只能搭载三名航天员前往太空。如果用神舟飞船执行较长时间的飞行任务,航天员将不能获得较为舒适的生活、工作环境。

此外,较小的返回舱空间也限制了神舟飞船搭载科学试验样品的能力。

神舟飞船返回舱实物,图片来源:中华航天博物馆

基于上面这些情况,包括中国在内的航天大国都开始了新一代载人飞船的研制。

(二)下一代载人飞船啥样?先看看美国的

航天飞机的停飞曾一度让美国暂时失去了载人航天能力,不过,美国宇航局对下一代载人飞船的研发却在紧锣密鼓进行中。

NASA自行研发的“猎户座”飞船已于2014年完成了首次测试飞行。这种两舱结构的飞船能够搭载2-6名宇航员,在不与其他飞行器对接的情况下能独立飞行约21天,同时,飞船的乘员舱具备可回收功能。NASA计划使用猎户座飞船和其他飞行器进行组合,实现载人登陆月球、火星和小行星。

在刚刚过去的7月底,这艘飞船的返回舱还被郑重其事地运送到了白宫的南草坪,作为“美国制造成就展”的标志性展品。

猎户座飞船飞行效果图

此外,NASA还通过商业航天载人计划,积极吸引航天企业以商业航天的模式参与到下一代飞船的研发中来。

目前,参与该项目的SpaceX公司“龙”飞船和波音公司CST-100飞船已经进入飞行测试阶段。其中,SpaceX的“龙”飞船,货运版已经投入实用,是目前为国际空间站服务的主力飞船之一,龙飞船的载人版则最多能够搭载7名宇航员。和SpaceX的其他产品一样,龙飞船2代最大的“卖点”也是因可回收重用技术而降低的飞行成本。

CST-100飞船的最大运载能力同样是7位航天员,独立飞行时刻能在轨运行5天,在对接于空间站或大型飞船时最多可飞行210天。

SpaceX公司的“龙”飞船(左)和波音公司的CST-100飞船(右)与其他航天器进行对接的效果图

与之前使用的航天飞机相比,美国新一代载人飞船普遍具有任务用途多、重复使用成本低、能够与其他大型飞行器组合进行星际飞行的特点。

(三)新一代中国载人飞船:更远、更实惠、更舒适、更安全

2016年6月25日,首飞的长征七号火箭将“新一代多用途飞船返回舱缩比模型”送入太空。20小时后,神舟飞船四子王旗着陆场的备份——东风着陆场迎来了返回舱缩比模型的成功着陆。这是神舟飞船之后,中国的新一代载人飞船第一次出现在公众的视野中。

在今年3月召开的全国两会上,全国人大代表、航天五院载人飞船总设计师张柏楠透漏,具备可回收能力的中国新一代飞船正在研发之中,各项指标都瞄准了国际一流。

实际上,早在2015年,航天五院的科研人员就发表论文阐述了中国新一代载人飞船的设计思路,也第一次给出了新飞船的外观设计。

相比于由轨道舱、返回舱和推进舱分离的设计,新一代飞船只保留了返回舱和推进舱两个舱段。

中国新一代载人飞船的两周构型设计,左侧为14吨构型,右侧为20吨构型

那么,新一代载人飞船有哪些了不起的地方呢?

首先,新一代飞船将是一位太空中的“多面手”。

新一代飞船有两种构型,其中20吨构型专门用来执行载人登月任务,而14吨构型除了可以继续执行近地轨道的飞行任务,搭载飞行员往返于中国将在未来建成的空间站外,还可以执行载人登陆火星的任务。执行不同任务时,可重复利用的返回舱设计完全相同,只需与返回舱对接不同规格的推进舱即可完成飞船构型的转换。

当然,对于月球、火星飞行这类复杂的任务,单靠只有两个舱室的载人飞船本身并不能完成任务。在任务实施时,飞船将首先被发射到近地轨道上,再在那里与陆续发射的其他舱段,共同完成复杂的任务,这也是国际上其他新一代飞船通行的设计思路。

而且,考虑到美国曾经使用的航天飞机,将发射、载人、载货等若干功能集于一身,在获得强大功能的同时也使得维护成本剧增,因此,在新一代飞船的设计中,国内外的设计师都遵循了同样的设计思路:飞船本身主要是航天员往返天地的运输工具,不要在载人功能之外为其赋予太多的其他功能。

执行载人登陆火星任务的模式图,载人飞船需要与其他大型航天器进行组合

新一代飞船可以在太空中独立工作21天左右,当与空间站或其他大型航天器对接停靠时,工作时间则可长达两年。

当宇航员搭乘新一代飞船前往太空时,他们将始终工作、生活在返回舱中,而不像神舟飞船那样要在返回舱、轨道舱之间穿梭。

新一代飞船返回舱的规模将比神舟飞船增加一倍,每次发射最多可以将6名宇航员送入太空中。飞船返回地球时,除了能在地面着陆场着陆外,还能在海上着陆。配合新建的海南文昌发射基地,新的海上着陆场将让南海地区变成中国航天的新中心。

由于神舟飞船只工作在环绕地球的轨道上,在返回地面时,其速度不会超过第一宇宙速度(7.8km/s),而新一代载人飞船执行完登陆火星、月球等深空任务后,需要以第二宇宙(11.2km/s)速再入大气层。

更高的再入速度意味着飞船将承受大气层更强烈的烧蚀,如果采用传统的碳-酚材料放热瓦对飞船进行保护,会导致放热机构的重量太大,占据本可以用来载人载货的飞船重量。因此,新一代飞船将采用PICA等低烧蚀度轻质新型放热材料,在大幅降低防热机构重量的同时增强飞船的放热能力。

另外,神舟飞船在返回大气层时,会遭遇一段时间的“黑障”现象,飞船与地面控制人员间的无线电通信会在一定时间内中断,这是飞船周围的空气因高温而电离,电离后的气体堆无线电信号发生屏蔽导致的。通过新技术的应用,新一代飞船的通信信号将具备突破黑障的能力,飞船在返回过程中能始终与地面保持联系。

还有关于飞船逃逸的设计,也与以往不同。

我们都知道,航天活动充满了危险和不确定性,航天工程师们还是想尽一切办法,尽量确保航天员们的安全。

例如,发射神舟飞船的长征二F火箭顶端有一个名叫"逃逸塔"的尖端状装置。逃逸塔上布置有一套与火箭独立的推进系统,一旦火箭在发射前15分钟内或发射后160秒内发生险情,逃逸塔将会点火将飞船带离火箭,飞船随即会自行减速着陆,保证航天员的安全。

如果发射一切正常,逃逸塔将会在发射160秒后与火箭分离(令人欣慰的是,迄今为止长征2F火箭的逃逸塔均是以这种方式完成工作的)。逃逸塔虽然能够为航天员提供一定保护,但其对飞船逃逸方向的控制能力有限,且不能再发射全程为航天员提供保护。

在新一代飞船的设计中,将采用飞船自备动力逃逸的方式,也就是一旦火箭出现险情,飞船将使用自身的逃逸发动机与火箭分离,不需要再借助外部安装的逃逸塔。承担逃逸功能的发动机也可以同时承担飞船变轨、姿态控制等功能。这样,相当于飞船没有额外安装逃逸塔那样的逃逸装置,还减少了逃逸装置对火箭运载能力的消耗。

可重复使用也是新飞船的一大亮点。研究表明,当飞船的可重用次数达到10次以上时,可将单次飞行成本降至最低。新一代飞船将通过着陆场减损设计,保证飞船返回舱在着陆过程中受到尽量小的冲击,从而使返回舱实现重复使用。

在近期进行的测试中,国内最大重量的气囊缓冲试验已完成,使现有缓冲能力直接提升数倍,为飞船的无损回收和重复使用打下了基础。

新一代多用途飞船的返回舱模型成功回收

结语

新一代飞船尚在研发,现阶段乃至2020年中国空间站建成后首批前往空间站的宇航员,依然由神舟飞船承担载人飞行任务,公开的新闻报道已经透漏,执行空间站任务的神舟十二号飞船正在研发制造中。

但在未来,新一代载人航天飞船终将接过神舟飞船手中的接力棒,让中国宇航员飞得更远、更实惠、更舒适、更安全。

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编辑| 史文慧

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