大踏步超越NASA登月飞船,新飞船亮相航展,首次载人飞行时间公开

2021-09-27 19:46:43 果壳

航天科技集团作为第13届珠海航展的主角之一,其航天展区的布置可谓是“低调、奢华、有内涵”,180余项成果分布在宇航、防务、航天技术应用三大板块。

近两年来,长征5B大推力运载火箭、新一代载人飞船试验船、嫦娥五号月球采样返回、天和一号核心舱、天问一号绕落巡火星,以及多批次天舟/神舟飞船发射等一系列重点型号接连取得成功,它们用实际行动证明了实力,因此大多数型号皆以模型形式参展。

参展的嫦娥五号探测器模型

唯独去年搭乘长征5B遥一火箭执行首飞任务的新一代载人飞船试验船(后文简称“新飞船”)返回舱以实物形式亮相宇航版块,结合一同参展的921工程新一代载人运载火箭以及长征九号重型火箭,不难看出我国航天正在朝着另一个全新目标加速前进——载人月球探测。

参展的新一代载人飞船试验船返回舱实物

今年年中,神舟飞船首任总师戚发轫进一步向外界披露,我们也在准备,人要到月球上去,咱们的新的试验飞船就是登月飞船,载人登月飞船,在做这个准备了。

新飞船作为往返地月轨道的摆渡船对载人月球任务的实施至关重要,截至当下人类唯一成功实施载人登月任务的航天器只有阿波罗系列飞船,然而历史终究只是历史。面向未来,人类需要更深入地认识月球、开发月球,这就需要新一代登月飞船。

猎户座飞船

放眼当今世界,正在切实准备载人登月并已经付诸行动的飞船只有两款,一款是大洋彼岸NASA的猎户座载人飞船(洛克希德马丁公司与欧洲空中客车公司联合研制),另一款就是我们的新飞船。

新一代载人飞船试验船

二者相比孰优孰劣?想必这是大家比较好奇的问题,对此载人航天工程副总设计师、新一代载人飞船项目负责人张柏楠此前曾这样评价:新一代飞船实现载人飞行时,它的整个综合性能,从功能来讲,从性能指标来讲,应该是国际先进甚至是领先的。

新一代载人飞船项目负责人张柏楠

运输效率、多任务适应性、安全性、低成本运营等,这些是当下评估一款载人飞船性能先进与否的关键要素。

如果用一个字来概括新一代载人飞船,那就是“大”,该型飞船发射质量21.6吨,是神舟飞船的将近3倍,与后者相比新飞船最显著的变化就是由三舱构型(推进舱+返回舱+轨道舱)转变为两舱构型(推进舱+返回舱)。

两代飞船构型对比

历史上采用两舱构型的载人飞船有很多,比如东方号、水星号、双子座号等,然而此两舱非彼两舱,过去的两舱构型不具备重复使用能力,而且大量设备占用了返回舱有限的空间,加上着陆回收系统的能力限制,多种因素叠加制约了航天员搭载数量。

双子座七号载人飞船

因此联盟号、神舟号在此基础上采用更加先进的三舱构型,将返回舱大部分非核心功能转移至轨道舱,进而扩大返回舱的可居住容积,这才使得航天员搭载人数由2人升级至3人。

双子座飞船返回舱(2人)与神舟飞船返回舱(3人)对比

载人航天活动历来以高投入著称,而要想进一步提高人类进入太空的能力,就必须想方设法降低进入空间成本,因此新世纪的可重复使用两舱构型飞船才进入发展的快车道。

比如,洛克希德马丁公司猎户座飞船、SpaceX公司载人龙飞船、波音公司CST-100飞船相继问世,在着陆回收能力提升的基础上,为提高重复使用价值,这些飞船尽一切可能将大部分功能都集成在返回舱内。

奋进号载人龙飞船

由此可见,返回舱的大小对回收设备的规模有直接影响,同时也直接影响航天员搭载人数与舒适性,对安全性也有联动影响。

猎户座飞船返回舱可居住容积9m³,载人龙飞船返回舱可居住容积9.3m³,我们的新一代载人飞船返回舱可居住容积则是13m³,与猎户座相比大了三成,同为载人登月飞船,为何数据悬殊如此之大?

返回舱可居住容积主要受限于两个因素,一是再入大气层软着陆地球的规模,再就是轻质化水平的高低。

猎户座飞船返回舱在轨质量8.5吨

论规模猎户座飞船堪称人类各型载人飞船的“一哥”,该型飞船发射质量高达25.8吨,其中返回舱在轨质量8.5吨,返回舱着陆重量6.1吨。与之相比我们的新飞船发射质量是21.6吨,返回舱在轨质量7吨,返回舱着陆重量6吨。

可以看到,无论猎户座飞船总体规模有多大,返回地球的重量与我们一样都无法脱离6吨级这个指标,因为这是当前着陆回收系统的能力上限。

我们的新飞船返回舱

同为6吨级载入重量,返回舱可居住容积却相差悬殊,这就涉及到轻质化水平的高低。

为满足载人登月需求,猎户座飞船与我们的新飞船都需要抵御近第二宇宙速度再入地球大气层的热流烧蚀,返回舱需要经受近3000摄氏度高温,因此需要相较于近地轨道飞船更强的防热能力。

月地返回再入地球大气层需经受近3000摄氏度高温烧蚀

防热能力主要通过返回舱外壁的防热材料实现,猎户座返回舱应用的是基于阿波罗飞船时代的环氧酚醛树脂基防热烧蚀材料的改进型,为什么时隔近半个世纪他们还要用这种略显笨重的中密度材料?

因为在相当长一段时期内NASA醉心于航天飞机的可重复使用防热瓦材料研究,这种材料的特性是再入过程中质量、性能保持不变,前提是航天飞机需要通过复杂的机动使得再入热流峰值控制在可承受范围内,而这种材料根本无法胜任热流峰值更高的月地再入返回任务,这才使得他们不得不继续翻找阿波罗飞船时代的“故纸堆”。

猎户座飞船返回舱大底制备成块状的防热烧蚀材料

防热烧蚀材料的停滞也导致其加工工艺进步缓慢,比如猎户座飞船不论是返回舱侧壁还是大底,因为不具备一次性蜂窝格子灌注能力,所以不得不做成多个块状体。

与之相比,走类似技术路线的嫦娥五号返回器大底应用的烧蚀材料不仅密度更低防热性能更好,而且是自动灌注工艺。猎户座飞船大底防热材料需要6个月才能成型,而我们只需要一个星期,即便考虑到大底面积的不同,这种时间差距也是非常悬殊。

嫦娥五号返回器

我国新一代载人飞船防热材料如果继续沿着嫦娥五号的路线走下去,超越猎户座没有问题,但项目负责人张柏楠却并不这么认为,他说,我们原先搞过一代的防热材料,当时觉得不够理想,那个材料试验也成了,大家也觉得离这个目标还有距离,当时实际上还有点跟国外类似的影子,所以后来整个方案做了比较大修改,大家也是一股劲,不然老觉得老跟别人学,要做就是做自己,我们防热材料的设计,应该说已经超过了美国。

多用途缩比返回舱

做成了的那一代材料指的应该就是5年前执行过飞行任务的多用途缩比返回舱,因为它与新一代载人飞船试验船返回舱相比,烧蚀特征有着显著的不同。

5年前着陆东风着陆场的多用途缩比返回舱

去年着陆东风着陆场的新飞船返回舱

新飞船返回舱应用的是“轻质碳基微烧蚀防热材料”,此种材料只需3至4毫米厚度即可抵御第二宇宙速度载入条件下的热流烧蚀,而猎户座飞船返回舱的防热材料则需要1厘米以上,由此可见两型飞船之间的代际差距。

新飞船返回舱信标机开口,感受一下微烧蚀涂层有多薄

猎户座飞船侧壁厚重的防热材料

返回舱再入大气层时,其侧壁的防热策略与大底不同,前者可以通过气动外形规避热流。侧壁倾角越大对侧壁防热材料性能要求越低,侧壁倾角越小对防热材料性能要求越高。

返回舱侧壁倾角的大小对防热材料性能要求不同

猎户座飞船由于对自身防热材料性能不够自信,将返回舱侧壁倾角做得相当大,如此一来进一步压缩了可居住容积。反观我们的新飞船,侧壁倾角明显小于猎户座,进一步利好可居住容积的扩大。

肩负登月使命的两型飞船返回舱对比

除了防热材料,降落伞重量也是影响返回舱可居住容积的重要因素,由于返回舱载入重量的增大,新飞船与猎户座飞船都选择了由三顶主伞组合的群伞减速方案,然而我们早在嫦娥五号T1试验器任务中就在全球范围内率先揭示了“降落伞尺寸效应机理”,使得降落伞轻量化设计达到了国际领先水平。

新飞船群伞+缓冲气囊着陆系统测试画面

如前文所述新一代载人飞船是两舱设计,而作为两舱之一的返回舱也有细分的“两舱”,金属结构作为舱壁构成可居住的密封舱,外层则是轻质碳基微烧蚀防热材料构成的防热层,两层之间的空间就是非密封舱。

密封舱内只需要装载环控生保、人机交互等支持航天员生命安全与飞船操控的设备,其余设备则在非密封舱装载,使得密封舱容积尽可能扩大,同时避免了许多安全风险问题。

新飞船返回舱的密封舱与非密封舱

影响新飞船返回舱可居住容积大小的因素到这里就没有了吗?非也。新飞船返回舱还应用了世界最大推力的HAN基单组元姿控动力系统,此种动力具有高比冲性能优势,可以进一步缩小贮箱体积,而这对于扩大密封舱可居住容积而言又是一大利好。

新飞船返回舱HAN基单组元姿控发动机喷口

5年前多用途飞船缩比返回舱顺利着陆东风着陆场,此可视为新一代载人飞船研制的转折点,次年新飞船研制工作全面启动,至去年5月成功首飞,前后仅用了不到4年时间。

与之对比猎户座飞船从签订合同交付大笔研制资金至今已有十六年,加上最新财年预算,总耗资已达206.65亿美元,迄今为止这款飞船仅执行过一次轨道飞行测试,而这也是只有返回舱参与的不完整测试。

反观我方新一代载人飞船在不到4年时间里即实现包括推进舱在内的较为完整构型的首飞测试,飞船飞抵的远地点高度达到了7900公里,比起猎户座飞船返回舱首次测试的5800公里高出2100公里。

新一代载人飞船试验船在轨画面

试想一下,如果我们也像他们一样按部就班地发展,新一代载人飞船的问世还要延后十几年,那样一来就永远不可能赶超,正是因为我们抓住了这个时间差,所以大量前沿技术产品才有了施展的舞台。

要想抓住这个时间差就离不开完善且强大的工业体系,对此新飞船项目负责人张柏楠也颇为感慨:像猎户座飞船起步很早,包括马斯克的龙飞船实际起步很早,它用的时间也很长,我们作为这个项目起步是很晚的,其实这一次飞船研制跟以前神舟飞船从体会来讲,确实咱们国家制造能力是有大幅提高,从图纸下厂到最后制造,非常快而且非常精准,就能够一次完成,这技术水平应该都是国际先进或者国际领先的。

新飞船返回舱大底钛框

比如返回舱大底结构钛框的制造,传统工艺是采用锻造办法,不仅耗时而且造价极高,为了搭上长征5B遥一火箭首飞班车,新飞船研制的时间节点压力可以说是相当大,航天科技五院总体部研制团队不走寻常路,直接尝试激光沉积3D打印技术制造,此工艺不仅成本更低,制造周期也更短,同时有利于快速迭代,还能更加精准的进行轻量化设计。

新一代载人飞船还有一个特色就是强大的多任务适应能力,这是一款全面兼顾近地轨道自主飞行、空间站运营、载人登月、深空探测(载人小行星、载人火星)等多种飞行任务的“多功能飞船”,主要通过更换不同配置的推进舱来实现上述任务,比如需要执行近地轨道任务时就换装轻量化推进舱,一次可最多搭载7名航天员。

新一代载人飞船的两种构型

新一代载人飞船的“新”则主要体现在“可重复使用”这一功能特色上,载人飞船重复使用指的是返回舱重复使用,推进舱还是要再入大气烧毁,因此新飞船首先将原先置于推进舱的高价值设备诸如星敏感器、计算机等尽可能都放置在返回舱,这样一来就可以提升返回舱重复使用价值。

新飞船返回舱使用的又是HAN基无毒无污染推进剂,维护性更佳,进一步利好重复使用。

新飞船返回舱HAN基姿控发动机

再就是高安全属性,新飞船与猎户座都采用的是高速半弹道跳跃式再入+群伞减速方案,在提高着陆精度方面,早在嫦娥五号T1试验器任务阶段我们就在国际上独辟蹊径创新了一种前所未有的自适应预测制导方案,使得试验器返回舱一举刷新了人类月地返回任务开伞点精度纪录。

后来在正式的嫦娥五号月球采样返回、新一代载人飞船试验船高速再入返回、神舟十二号载人飞船再入返回等任务中皆应用了自适应预测制导方案,我们的地面搜索回收救援力量因此可以更加事半功倍地实现“舱落人到”。

光学设备跟踪新飞船返回舱再入过程

除此之外最大的不同之处是最后着陆阶段,猎户座飞船只能利用水体缓冲功能在海洋着陆场溅落,而我们的新飞船则同时具备陆海着陆能力。

猎户座飞船只能在海洋着陆

在陆地着陆时新飞船更为先进的气囊缓冲方案使得返回舱能够以站立姿态着陆,稳定性更佳,避免了传统反推发动机缓冲造成的返回舱倾倒问题,可以尽最大限度保护返回舱内部的元器件,再进一步利好重复使用。

新一代载人飞船试验船返回舱以站立姿态着陆

新飞船返回舱13m³的可居住容积数据刷新了人类载人飞船返回舱领域的世界纪录,这么大的空间不仅能够保障航天员的生存,还能提供更多的服务保障功能。比如配置有独立的卫生间,甚至还有专门的餐饮娱乐区,这对于执行长途任务(载人登月)而言是提升航天员战斗力不可多得的功能配置。

新飞船返回舱居住舱之舱门视角

居住舱地板

两块折叠板附近区域是餐饮娱乐区

右侧货包及货架用于测试天地往返货运功能(执行载人任务时可拆除)

航天科技集团有关单位披露,新一代载人飞船首次载人飞行任务将在2026年前后实施。

与此同时载人登月着陆器也已经在紧锣密鼓的研制之中,当前也基本确定由具备27吨地月转移轨道运力的921工程新一代载人火箭执行载人登月发射任务,具体就是使用两发火箭分别发射新一代载人飞船与着陆上升组合体,两器在环月轨道对接,航天员进入着陆上升组合体实施登月任务。

载人登月已经在路上

这一方案着眼的是更加长远的未来,因为接下来登月器将具备重复使用功能,它可以往返于环月轨道空间站与月面,只需补加推进剂即可再次使用,如此一来将大幅度降低载人月球探测成本。

具备可持续载人月球探测工程能力之后,载人月面科研站的建设将水到渠成。

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