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中國新一代載人飛船新在哪兒

2020-05-13 06:04

來源標題:中國新一代載人飛船新在哪兒

5月8日,我國新一代載人飛船試驗船在圓滿完成了預定任務后,在酒泉東風回收著陸場成功著陸。這標志著該試驗船的飛行試驗任務圓滿完成,也意味著中國載人航天工程邁出了探索浩瀚宇宙新的一步。今天,我們約請全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩和您聊聊新一代載人飛船的那些事兒。

具有三大特征

我國新一代載人飛船具有世界在研超一流載人飛船的三大特征:

一是用途十分廣。以往的載人飛船分兩種,一種是像“聯盟”“神舟”載人飛船那樣的衛星式飛船,即像人造地球衛星似的載人在近地軌道繞地球飛行;另一種是像“阿波羅”載人飛船那樣的登月式飛船,即載人來往于地月之間。而新一代載人飛船則既可以在近地軌道飛行,為空間站提供人員和物資的天地往返運輸,也能完成載人月球探測等載人深空探測任務,甚至還可以運貨。

二是運載能力大,載人多。它每次可以運送4至7人,而目前使用的“聯盟”和“神舟”載人飛船每次最多可運3人。雖然新一代飛船采用兩艙構型,但其直徑比“神舟”“聯盟”載人飛船都大。其目的是把內部加壓空間都集中在一個艙段內,以便明顯增加航天員的舒適度,多搭乘航天員,降低成本,提高可靠性。

三是可以重復使用。因此,它能大大降低載人飛船的飛行成本,而至今發射過的所有載人飛船都是一次性使用的。

新一代載人飛船的設計特點是具備高安全、高可靠、適應多任務和模塊化。此次發射的試驗船主要對新一代載人飛船進行高速再入返回防熱、控制和群傘回收等七大關鍵技術進行飛行驗證,為未來載人航天奠定了更堅實的基礎。

創造多個首次

竞技游戏竞猜盘口新一代載人飛船是面向我國載人航天未來發展需求而論證的新一代載人天地往返運輸飛行器,全長約9米,最大直徑4.5米,最大發射重量23噸。在充分繼承我國載人航天工程已有技術的基礎上,它在結構、推進、回收、能源、熱控、電子、人機交互和可重復使用等方面采用了一系列先進技術,使飛船具備高可靠、高安全、低成本和宜居的特點。

為了能在一次任務中驗證更多新技術、新材料,中國空間技術研究院飛船工程師在新一代飛船試驗船上應用了許多新設計、配置了許多新裝備,創造了中國載人航天器領域的多個首次,這充分體現出我國載人航天領域發展“好、快、省”的發展理念。

例如,在此次任務中,返回艙結構首次采用了密封艙和非密封艙設計;防熱結構首次采用了新型輕質耐燒蝕的碳基防熱材料,以滿足高速再入熱防護的需求;首次采用了國際上推力最大的新型單組元無毒推進系統;首次采用了國內航天器最大的表面張力貯箱。此外,新一代載人飛船試驗船上還搭載了我國科研院所的多項有源載荷,開展了太空3D打印等在軌空間應用和空間科學實驗,實現了一次任務多方受益。

與“神舟”飛船的鐘形返回艙不同,新一代載人飛船的返回艙采用流暢的倒錐形鈍頭體氣動外形,這是因為飛船采用倒錐形外形空氣升力更大,能在接近第二宇宙速度的高速返回時依靠空氣阻力減速,使飛船可以更加平穩、精準地落地。

改為大“兩居室”

跟“神舟”飛船三艙式結構不同,新一代載人飛船采用兩艙式構型,由返回艙與服務艙組成。其返回艙是整船的指令中心,也是航天員生活居住的地方,可乘坐6至7名航天員;服務艙是整船能源與動力中心。

返回艙采用金屬結構與防熱結構分開的雙層殼結構,相當于“內衣”的金屬結構里面是航天員的“駕駛室”,只安裝了環控生保、人機交互等直接關系到航天員生命安全和飛船操控的設備,這樣就騰出了大量空間,也最大程度地避免了大量設備和航天員共處一室的安全隱患,因而具有容積大、密封性好、艙內視野遮擋少等特點。其他設備都放入了金屬結構與防熱結構中間的夾層中。因為這些設備不用呼吸,放到這個非密封的空間中也算是得到妥善的安置。

采用這種設計方式,可以使設備不占空間,讓人的活動空間大大增加。新飛船的“駕駛室”可以分為工作區、娛樂區、餐飲區以及衛生區,能為航天員提供更舒適的乘坐環境。據悉,未來這里還將配置生活娛樂大屏,讓航天員的太空旅行變得更加豐富多彩;配置穿戴式顯示儀表,讓航天員可以時刻了解飛船的健康狀況。

相當于“外衣”的防熱結構采用了耐燒蝕的新型輕質防熱材料,在重量比“神舟”飛船降低超過30%的基礎上,防熱效率則達到“神舟”飛船的3倍。它不僅守護了返回艙的安全,而且首次采用的可拆卸更換設計,能有效地提高可重復使用率。

“內衣”可重復用

目前,世界上所有已投入使用的載人飛船都是一次性使用的,因為不能像航空飛機重復使用,所以成本很高。為了降低進入太空的成本,未來載人飛船的一個重要發展趨勢就是重復使用。

我國新一代載人飛船的返回艙是可重復使用的。它采用金屬結構與防熱結構分開的設計方式,返回后只需要更換防熱結構即可,金屬結構和艙內設備能重復使用。例如,星敏感器、計算機等一些高價值的設備,原先都是放在服務艙里的,落入大氣層時會被燒毀。現在,經過優化設計,把它們由服務艙調整至返回艙安裝,這樣就可以隨返回艙返回地面后進行回收利用。在返回艙外包覆我國自主研制的新型輕質防熱結構,執行完任務后只需更換輕質防熱結構,并經過規范嚴格的檢測,就可以再次執行載人航天飛行任務了。

對接機構也很“金貴”,為此,工程師用與防熱結構一樣的材料給飛船設計了一個“帽子”。飛船與其他飛行器對接的時候就把“帽子”掀開,露出里面的對接機構,等返回地球的時候再把“帽子”戴上,以保護里面的設備再入大氣層時不被燒壞,從而可以繼續使用。這樣的設計,可以比“神舟”返回艙回收更多的高級設備。

換句話說,我國新一代載人飛船返回艙每次返回后,只需要更換“外衣”就行,相當于“內衣”的金屬結構艙可重復使用。

具有多種用途

由于采用了模塊化設計,所以新一代載人飛船既能用于近地軌道的載人天地往返,為我國空間站提供人員和物資的運輸,也可適應近地軌道飛行、載人月球探測和載人深空探測等多種任務;既能用于載人,也可完成貨運飛船的任務,也就是可把“太空巴士”快速變為“太空貨車”,給空間站運送大量的補給物資,或者把在空間站所做的一些實驗或試驗樣品帶回地球。

為了讓新一代載人飛船身兼多職,飛船工程師采用了“合并同類項”的設計思路。具體說就是把因任務不同而性能指標各異的電源、推進、燃料和資源等分系統集成到服務艙內,這樣就能實現用統一的返回艙、配置不同的服務艙模塊,來滿足近地空間站運營、后續載人航天工程等多任務需求的目標。采用這樣的先進設計,不僅能大大縮短研制周期,還可以采取批量化研制模式來降低研制成本。

簡單地說,為了實現多功能使用,新一代載人飛船采用“搭積木”式的模塊化設計。針對不同的需求,通過相同的返回艙和不同的服務艙的配置就可以完成任務。

營造家的感覺

新一代載人飛船是我國第二代載人飛船。它不僅繼承了“神舟”載人飛船可靠、安全等優點,而且在舒適性、經濟性以及智能化程度等方面也有了大幅提升。

為了讓在返回艙生活和工作的航天員有在“家”的感覺,飛船工程師采用了宜居的設計理念,充分利用了新一代載人飛船艙內空間大的優勢,在艙內裝飾、設備布局、人機交互界面和整船載人環境設計等方面都十分講究。

例如,在返回艙內設置了工作區、娛樂區、餐飲區以及獨立衛生區,這種鮮明的功能分割,可讓航天員的“枯燥”太空旅行變得豐富多彩。

新一代載人飛船采用了許多新技術,使該飛船更加智能。例如,由于采用了高性能計算機和敏感器的“組合拳”,使新一代載人飛船具備了自主應急入軌、自主軌道抬升、自主升力控制等功能,可以快速、從容應對各類突發事件。

另外,新一代載人飛船還采用了單組元無毒發動機、高精度光學-導航一體化導航、分布式一體化電子系統、高轉換效率太陽電池、多終端綜合人機交互系統、水升華器散熱、新型環路熱管等一系列先進技術,從而全面提升了飛船平臺的綜合性能。

非常智能自主

新一代載人飛船的“大腦”——制導導航與控制系統很棒,極大地提高了飛船的自主運行能力、在軌生存能力和應用潛力,并降低了維護運營成本,對我國后續深空探測和載人航天型號的發展具有十分重大的意義。

飛船入軌后,其“大腦”可以不依賴地面,獨立控制飛船飛行。它不僅能隨時知道飛船現在處在什么位置,而且還知道將要去哪里、走哪條路能更快地到達目的地。

飛船還具備了全自主連續變道能力。自主變道與全自主連續變道有什么不同呢?自主變道實現的是自主去往一個目的地,全自主連續變道實現的是在去往一個最終目的地的過程中,可智能途經若干個中間目的地。采用這種技術后,大大簡化了飛船軌道控制的流程,減輕了地面飛行控制人員的工作量。

新一代飛船還能自己給自己“看病”。在飛行過程中它實時關注著自己的“健康”,一旦出現問題,飛船就能通過系統智能的算法給自己“診病”,包括找到病灶并臨時或長久剔除病灶。它還具有重構功能,即通過身體各部分功能的優化再組合來分擔故障部位所承擔的工作,從而確保機體整體功能的正常,這也大幅簡化了地面飛控支持保障工作。

返回時更安全

試驗船上天后,陸續完成了七次自主變軌,從距離地面幾百公里的小橢圓軌道變成了距離地面幾千公里的大橢圓軌道,這是以前沒有過的。抵達大橢圓軌道后,試驗船還進行了調姿、返回制動、返回艙服務艙分離等關鍵步驟,對試驗船再入返回技術進行全面驗證。最后,它以接近第二宇宙速度的9公里/秒速度返回,以對氣動外形、防熱和群傘等技術進行驗證。

因為是超級“大船”,所以試驗船的返回艙在返回時首次采用了群傘氣動減速和氣囊著陸緩沖技術,它可將重約6噸的返回艙速度由近200米/秒平穩減速至零。與國外目前在研的“獵戶座”“載人龍”和“星際航船”飛船的返回艙相比,我國在回收重量和開傘動壓等關鍵技術指標方面已達到國外同等水平。

它在返回時不像“神舟”飛船那樣,靠1具引導傘、1具加速傘、1具牽頂傘和1具主傘來減速,而是采用了由2具減速傘和3具主傘組成的“群傘減速”回收方案,并在備份上進行了科學設計。這樣即使是在一具減速傘或主傘失效時,也能保證艙體減速著陸,所以更安全。這3具主傘,每一具都與“神舟”飛船的降落傘面積相當,面積之和相當于五六個標準的籃球場。

另外,返回艙落地前,不像“神舟”返回艙那樣使用緩沖發動機減速,而是使用6個充氣氣囊幫助艙體平穩“軟著陸”,可以最大程度地保證返回艙的安全和完整回收。這6個大型緩沖氣囊均安裝在飛船底部,有序排列在返回艙底部一周,每個緩沖氣囊充滿氣后相當于一個卡車輪胎大小,是飛船自帶的大氣墊,以確保船艙的底部著陸和未來航天員乘坐體驗良好。

據中國空間技術研究院北京空間機電研究所專家黃偉介紹,針對新一代載人飛船的特點,經多方案比較選擇了氣囊。氣囊的優勢主要在于:可重復使用,適應更復雜地形,落水還起到漂浮作用,能緩沖水平速度,著陸穩定性好。但相對“神舟”飛船所用的著陸反推形式,氣囊的緩沖行程固定,而緩沖發動機可以設置不同啟動高度,且氣囊的控制精度更難以保證。所以說它們各有優勢,但針對新一代載人飛船,用氣囊更合適。

實驗太空3D打印

在新一代載人飛船試驗船返回艙中,搭載了一臺3D打印機,這是我國首次進行太空3D打印實驗,也是國際上第一次在太空中開展連續纖維增強復合材料的3D打印實驗。

這次打印的對象有兩個,一個是蜂窩結構(代表航天器輕量化結構),另外一個是CASC(中國航天科技集團有限公司)標志。

飛行期間,我國自主研制的“復合材料空間3D打印系統”,自主完成了連續纖維增強復合材料的樣件打印,并驗證了微重力環境下復合材料3D打印的科學實驗目標。

據悉,連續纖維增強復合材料是當前國內外航天器結構的主要材料,密度低、強度高。開展復合材料空間3D打印技術研究,可以實現按需制造,并支持我國空間站在軌擴建,這對于未來空間站長期在軌運行、發展空間超大型結構在軌制造具有重要意義。

另外,飛船在軌還完成了一項用于未來讓航天員享受“智能家居”太空生活的高速局域網試驗。其上裝有一個名叫“時間觸發以太網星載原型系統”,它可將各個系統聯通成一個高速局域網,速率達到了千兆網的水平。

通俗地說,在一般的居家生活中,電視、空調、音響等都有各自的遙控器。但在智能家居環境下,通過局域網,能把所有家用電器聯通在一起,用一個平板電腦就能控制。

未來的大型復雜航天器里面的設備和節點不僅數量多,相互間的通信關系也非常復雜。在載人航天器上加入了這套“時間觸發以太網星載原型系統”之后,就能把整個航天器做成一個類似大家庭局域網的狀態,形成類似智能家居的智能航天器信息體系。屆時,航天員用一個平板電腦,就能對飛船或空間站上的所有設備實現一體化控制。這樣不僅操作簡便,也極大減輕了系統設計的壓力。

責任編輯:詹雨泉作者:龐之浩

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