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中国飞船可否走向世界?  

2011-09-24 09:20:10|  分类: 国防与科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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今年在载人航天领域有两件大事。7月21日,美国亚特兰蒂斯号航天飞机执行最后一次任务后返航着陆,航天飞机作为一种载人航天器正式退役。另外就是中国将发射天宫一号和神州八号,进行首次空间交会对接试验。不少民众关心,籍着美国航天飞机退役的机会,中国神舟飞船走向世界、执行国际空间站运输任务。

神舟飞船目前研发状态如何?中国神舟载人飞船、货运飞船可否走向世界?



神舟系列载人飞船简介

神舟系列飞船采用三舱布局,目前的使用记录表明它是一种合理的结构,也能够满足未来载人空间站的需求。


神舟系列载人飞船的基本设计

中国自921载人工程正式启动以来,一步一个脚印踏踏实实地推进载人航天技术的发展。1999年完成神舟飞船首次发射,2003年神州五号任务进行了首次载人飞行,2005年神州六号任务实现双人载人飞行,2008年神舟七号任务实现多人载人飞行和出舱行走。到了今年三四季度,天宫一号目标飞行器和神舟八号飞船将陆续发射,进行首次交会对接试验。在神舟八号与天宫一号完成空间交会对接试验后,神舟系列载人飞船才算基本定型。

神舟载人飞船设计上为三舱式结构,从前到后分别为轨道舱、返回舱和推进舱,其最大直径分别为2.2米、2.4米和2.8米。神舟飞船的轨道舱呈圆柱形,空间比返回舱更大,从神舟六号飞船起,航天员除了升空和返回时,其他时间都在轨道舱内生活和工作。在返回舱分离再入后,轨道舱仍可独立进行半年的轨道飞行,这段时间可以进行对地遥感、空间环境探测和一系列自动化的太空实验。返回舱呈钟形结构,是飞船的控制中心,也是航天员再入返回的座舱。由于体积紧凑,现有技术下可以做到比航天飞机高得多的整体结构强度,使航天员再入时有更高的安全系数。推进舱又称动力舱或是服务舱,呈圆柱形用于安装推进系统发动机和推进剂,飞船的电源、通信以及生命保证系统和环境控制,所有神舟飞船推进舱外都有太阳翼,用于提供电力供应。


与天宫一号进行对接的神舟八号想象图,按照计划,今年的神舟八号任务结束后,神舟系列才算完成基本定型。


神舟八号任务后将完成基本定型

2008年发射的神舟七号飞船全长9.19米,质量约为8吨。比起之前的神舟系列飞船,神舟七号的最大改变是将轨道舱改为气闸舱,用于支持航天员出舱活动。神舟系列载人飞船的主要功能是向空间站输送人员、及少量物资,所以预料之后的神舟飞船会保留气闸舱设计,用作航天员出舱、航天员转移到空间站的中间舱段,并兼备存放少量向空间站输送物资的舱段。

今年第四季度发射的神舟八号飞船还会增加与空间站对接的“异体同构周边”对接装置(APAS),及对接时所需的跟踪测量设备。“异体同构周边”中“异体同构”的意思是,对接的两个航天器所安装的对接机构有着相同的构造,“周边”是指对接机构安装在来往通道的周边。比起俄罗斯联盟号载人飞船所采用的“针锥”式对接装置,“异体同构周边”对接装置的优点是航天器既可作主动方,也能作被动方,这一点对空间救援特别重要。尽管增加了对接机构,但神舟八号不再携带神舟七号上的伴随小卫星,所以其长度估计与神舟七号差不多、甚至略短。

需要强调指出的是,神舟八号任务之后,神舟系列载人飞船才算正式完成研制试验过程、基本定型,从1992年至2011年总共花费约20年时间。神舟九号应该是正式的量产型载人飞船,具备标准的运输3人飞行7天,并进行空间交会对接的能力。


中国未来的货运飞船

天宫一号空间站模型,未来的中国货运飞船将直接使用天宫一号的总体布局,可节省设计和建造成本。


作为第三个自主掌握载人航天技术的国家,中国还将发展空间实验室和货运飞船,为未来空间站的建设奠定技术的基础。今年三季度发射的天宫一号目标飞行器最大直径3.35米,长度9米以上,质量约8.5吨。目前官方有关货运飞船的介绍较为简单,技术细节并不清楚。但根据原载人航天工程总设计师、工程院院士王永志在《实施中国载人空间站工程推动载人航天事业科学发展》一文中的论述,货运飞船和空间站舱段将充分利用空间实验室的研制成果,再综合其他资料分析,中国的货运飞船应该是以天宫系列空间实验室为基础改进而来。

根据介绍,中国货运飞船总质量约13吨,货运能力在5.5~6吨之间,具备为空间实验室和空间站补给推进剂、补充液态水和空气,并提供废弃物存放空间。中国货运飞船也应具备类似欧空局自动转移飞行器、俄空局进步货运飞船那样为空间站调整轨道的能力。


俄罗斯联盟载人飞船和进步货运飞船

苏联/俄罗斯联盟载人飞船,出自伟大的设计师科罗廖夫之手,是当今最为成功的载人飞船家族。


进步货运飞船设计基于联盟系列,虽然历经改进,其运力在目前已经显得力不从心。


说起中国载人航天工程的载人/货运飞船,俄罗斯是绕不过去的话题。通过1996年签订的《中华人民共和国政府和俄罗斯联邦政府关于在载人航天领域进行合作的协议》以及一系列更早的合作协议,中国载人航天921工程得到了大量了解借鉴俄罗斯载人航天技术的机会,对神舟飞船的设计可能起到了很大的影响。俄罗斯载人航天系统目前使用的飞船主要是联盟系列载人飞船和进步系列货运飞船,均使用传统的针-锥(Probe-Drogue)对接装置。


联盟号载人飞船

联盟飞船经历数十年的发展,已经发展到联盟TMA和TMA-M型号,联盟TMA-M飞船在电子设备上进行了升级,更换了老旧的计算机,整体质量降低了70千克,第一艘飞船TMA-01M于2010年10月8日发射。联盟TMA-M飞船长度约7米,最大直径2.7米,起飞质量7220千克,3人时携带170千克载荷,最大着陆质量2900千克。飞船设计飞行寿命14天,空间站驻留寿命200天。


进步号货运飞船

进步飞船自1978年首次以来也经历一次次升级,目前的飞船型号为进步M-01M飞船,这是2008年后启用的型号,长度约7.2米,最大直径2.7米,起飞质量约7.2吨,最大上行货物运载量约2.6吨。进步系列货运飞船除了运输补给品、推进剂和水给空间站,还有提升空间站轨道高度的能力。在欧空局的自动转移飞行器服役前,国际空间站的轨道调整基本依赖于进步号货运飞船完成。


中俄载人/货运飞船对比

中国神舟系列载人飞船虽然在设计时对俄罗斯联盟飞船有所参照,但神舟飞船的尺寸和重量均有所增加。神舟飞船全长9.13米、最大直径2.8米、质量约8吨;而联盟飞船长度约7.2米,最大直径2.7米,起飞质量约7.2吨。尺寸、质量增加使得神舟飞船拥有更宽敞的载人和设备布置空间,另外神舟是新设计的飞船,各类设备的体积和重量都会比联盟有所缩小。

中国货运飞船则要比俄罗斯进步号货运飞船先进得多。中国货运飞船改进自天宫系列空间实验室,全长9米以上、最大直径3.35米、质量13吨、最大上行货物运载量达到6吨。而俄罗斯进步号货运飞船是以联盟号载人飞船为基础,长度约7.2米,最大直径2.7米,起飞质量约7.2吨,最大上行货物运载量约2.6吨,运载能力要弱得多。


中国飞船可否走向世界? - 阿龙 - 我的博客

目前中美俄主要的客货运飞船和航天飞机的尺寸与性能比较。航天飞机在任何一项性能上都遥遥领先与它的竞争对手们。不过由于发射成本高昂和两次机毁人亡的事故后,航天飞机早早退出了历史舞台。


欧洲ATV和日本HTV货运飞船

欧空局的ATV货运飞船除了能携带7.6吨的物资,还自带4.6吨推进剂,用于帮助国际空间站变轨。


日本HTV货运飞船,对接口采用美国的CBM标准,直径远大于俄式设计,可向空间站内输送大件货物。


虽然进步系列货运飞船在俄罗斯载人航天史和国际空间站的发展史上起到了至关重要的作用,但进步货运飞船本身基于联盟飞船改进而来的原始设计还是太老旧了,性能也不尽人意。


欧洲ATV货运飞船

欧空局独立启动了自动转移飞行器(ATV)货运飞船的研制,ATV的对接装置大量使用了俄罗斯针-锥对接装置的硬件,但在传感器和交会对接算法上有大量自己的特色。更重要的是ATV使用阿丽亚娜5火箭发射,最大起飞质量高达20.75吨,最大上行货运能力高达7667千克。ATV可运载的货物包括普通加压货物,水和空气以及常温推进剂,在7667千克的最大货运能力中包括5500千克的加压货物,840千克的水、100千克的空气和860千克的偏二甲肼-四氧化二氮推进剂。ATV货运飞船还有提升空间站轨道的能力,本身自带高达4600千克的混肼-混合氧氮(MMH-MON)推进剂用于推进国际空间站。

虽然ATV飞船建造加上发射费用的高达数亿欧元的价格极其昂贵,但对比它的货运能力之后费效比并不比俄罗斯进步飞船低,如果考虑到4.6吨的推进剂用于空间站变轨,综合费效比恐怕更为出色。何况ATV是欧空局自己的项目,积累了自身的工程技术和使用经验,并具备发展为载人飞船的潜力。


日本HTV货运飞船

类似于欧空局,日本宇宙研究开发机构(JAXA)也研制了自己的货运飞船H-II火箭转移飞行器(HTV),日本原定使用液体助推器的H-IIA系列火箭发射HTV,不过最后在可靠性和预算限制的压力下改用4枚固体助推器的H-IIB火箭。HTV货运飞船对接使用美国研制的通用对接装置(CBM)标准,在交会对接的传感器、通讯和算法上使用自己的设计。CBM对接装置的内部直径要远大于俄罗斯的针-锥对接装置,因此可以运输更大的加压货物,如国际标准有效载荷机柜(ISPR)。

由于H-IIB火箭高达16.5吨的国际空间站圆轨道发射能力,HTV的最大发射质量也是16.5吨。HTV货运飞船的运载能力也相当出色,截止HTV-2飞船已经具备了高达6吨的上行货运能力,尤其是HTV使用模块化设计分为加压货舱和非加压货舱,具备大件非加压货物的运送能力,是航天飞机退役后非加压货物运输的唯一选择,并和进步飞船、ATV一起支撑起国际空间站货运的重任。根据JAXA的规划,HTV任务到2015年后将升级HTV飞船为HTV-R,具备携带货物返回地面的能力,不过目前尚未选定确切的方案。


美国发展多款新型载人/货运飞船

美国私营航天公司SpaceX的龙式载人飞船,计划替代航天飞机向国际空间站运送人员,一次可搭乘7人。


龙式飞船的货运型号,可向国际空间站运送6吨物资,并可携带3吨物资返回地球。


美国亚特兰蒂斯号航天飞机已经在7月21日返回地面,完成了最后一次航天飞机任务,美国迎来载人航天空窗期。俄罗斯媒体对此宣传航天飞机时代结束,联盟时代开始,自然令美国人群情激昂。美国航天网nasawatch的评论提到:“用不了多久,美国飞船就可以做一切联盟飞船可以做的工作,而且又好又便宜。(All too soon, American spacecraft will do everything Soyuz does - and more - and will do so much better - and cheaper)。”


龙式与天鹅座货运飞船

美国人当然不是凭空生出的信心,在航天飞机退役前美国航空航天局就启动了商业货运和商业载人航天的项目,2008年已经与SpaceX和Orbital公司签订了商业货运合同,目前商业载人航天项目的进展也相当顺利。SpaceX公司将为国际空间站货运补给提供龙式(Dragon)货运飞船,龙式飞船使用SpaceX研制的猎鹰9(Falcon 9)火箭发射,全长6.1米最大直径3.7米,自重约4吨,但最大上行货运能力高达6吨,下行货运能力高达3吨,这实在是一个非常高的指标。

轨道科学公司的货运飞船为天鹅座(Cygnus),天鹅座飞船自身质量为3.5吨,标准运载能力2吨、加强版达到2.7吨,使用轨道科学公司正在研制的金牛座2火箭发射。这两种货运飞船都将使用CBM标准对接装置,从而具备更大尺寸的加压货物运载能力。


SpaceX公司的两型飞船示意图,二者基本使用同样的基础构架,采用该公司自制的Falcon 9火箭发射,具有很大的成本优势。


载人飞船有4家企业投入竞争

目前商业载人航天项目的竞争还没有决出最后的胜负,不过现在看来SpaceX的载人龙式飞船、波音公司的CST100飞船、内华达山脉公司的升力体飞船追梦者(Dream Chaser)都非等闲之辈,技术上尤其是龙式和CST100并没有多大问题,追梦者则要攻克全升力体飞船的再入飞行控制问题。这些载人飞船都具备了6人左右的载人能力,完全可以满足国际空间站乘员组往返的需求。

除此之外,美国航空航天局仍在研制自己的多用途载人飞船(MPCV),MPCV飞船实际上是原来星座计划中猎户座飞船的继续发展,在尺寸、质量和性能上基本保持一致,将用于美国航空航天局的载人深空探测如登陆小行星、载人登月和载人火星环绕飞行,同时作为国际空间站的紧急逃生飞船使用。MPCV飞船自重约20吨,具备运载6人往返国际空间站或是运载4人前往月球的能力,未来将用重型德尔塔4火箭测试发射。


中国难以参与国际空间站项目

联盟火箭的原型,苏联/R-7家族至今已进行了约1740次发射,其中联盟系列火箭在执行载人发射中从未失过手,这种成熟度还不是中国长征2F的7射7成所能比较的。


中国载人/货运飞船缺乏过人之处

对比世界现有和即将出现的各种载人和货运飞船,神舟载人飞船和货运飞船的性能都并不出众。

在载人飞船方面,虽然神舟飞船要比老旧的联盟飞船先进,但载荷性能基本一致,而且进行定型的神舟八号飞船尚未发射,可靠性还没有进行充分验证,完全无法和联盟飞船上百次飞行任务相比。在联盟飞船可以正常执行任务的情况下,神舟飞船将很难获得机会。而比较先进性,神舟飞船就远远不如美国正在研制的4种载人飞船——龙式、CST100、MPCV和追梦者了。这4款飞船都具备6人左右的载人能力,一次飞行任务可输送一个完整的国际空间站乘员组,而神舟飞船则要2次。

货运飞船方面,中国货运飞船的上行货运能力与欧洲ATV、日本HTV、美国龙式货运飞船大致相当,高于俄罗斯的进步飞船和美国的天鹅座飞船。但中国货运飞船要2015年甚至更晚才能首次发射,研制进度大大落后于Dragon和天鹅座,更不要说已经投入使用的ATV、HTV。


中国难以参与国际空间站项目

所以,换位思考一下,虽然美国航天飞机退役了,但美、欧、俄、日现有和正在研制的载人/货运飞船,完全可以满足国际空间站运作的要求。中国载人/货运飞船并没有过人之处,想以承担天地运输任务的方式参与到国际空间站项目中去,是很难实现的。

另外,中国载人航天在可靠性上还需要得到进一步证明,长征2F火箭虽然7次发射7次成功,但它的原型长征2E火箭7发2败的发射成功率并不高,绝不能掉以轻心,这方面中国运载火箭与创下133次连续成功发射记录的俄罗斯联盟号火箭实在有太大差距。

而相比载人航天飞行器技术,中国在空间科学研究方面,无论是理论研究或是实验设备,都远远落后于国际先进水平,以研制新实验舱段参与国际空间站项目是更难实行的方式。


中国飞船可否走向世界? - 阿龙 - 我的博客

与航天飞机相比,宇宙飞船可能非常简陋。本质上它就是一个大容器,拥有足够强度、并安装了必要设备,甚至大多是一次性的。不过,简单的往往是最为有效的,它们承担了载人航天行动中大部分搬运工作,如今,航天飞机的历史已经谢幕,而飞船的家族依然繁荣。


结语

中国神舟系列载人飞船在发展之初曾借鉴俄罗斯成熟的载人航天技术,但青出于蓝胜于蓝,神舟载人飞船的技术水平比起联盟飞船有所提高,而货运飞船各项指标均明显优于俄罗斯进步号货运飞船。

但神舟飞船至少要等神舟八号发射、与天宫一号进行首次空间交会对接试验后,才能完成基本定型。中国飞船起步晚、发射次数过少,所以即便美国航天飞机退役,也不太可能参与到国际空间站任务中去。与此同时,美国、欧洲、日本也在发展多款先进载人、货运飞船,中国神舟、以及未来的货运飞船在技术上难以与之竞争。(文/张雪松 黄治茂)


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