关闭

帖子主题:美俄载人飞船技术给中国上了一课 值得深思

共 606 个阅读者 

  • 头像
  • 军衔:陆军大校
  • 军号:3195670
  • 工分:927038 / 排名:506
  • 本区职务:会员
左箭头-小图标

美俄载人飞船技术给中国上了一课 值得深思

美、俄这两个航天大国为了在竞争日趋激烈的空间开发利用中获得更为强大的天地往返运输能力以及载人深空探测能力,都开始了新一代载人飞船的研制工作。作为载人航天领域的后起之秀,中国自然不甘落后于载人飞船更新换代的浪潮,为了我国载人航天事业的后续发展,研发新一代载人飞船势在必行。

载人航天经验丰富的美、俄两国,是我国在新一代载人飞船这一课题上最好的老师,这两个国家在新一代载人飞船的研发上的经验、教训以及取舍,非常值得我们学习借鉴。

美俄载人飞船技术给中国上了一课 值得深思

经典的联盟号飞船已经越来越不适应未来需求

俄罗斯新一代载人飞船

作为最早实现载人航天的国家,俄罗斯早在上世纪九十年代就已经开展了新一代载人飞船的研制工作。当时,设计于上世纪六十年代的联盟飞船已经使用了三十余年,期间虽然经过不断地拓展功能,提升性能,但毕竟设计的较早,升级空间所剩无几,已经不能很好的适应载人航天领域的新要求,因此俄罗斯提出研制新一代载人飞船的计划。新一代飞船设计要求能够替换联盟飞船作为国际空间站的天地往返运输载具以及紧急救生飞船。由于国际空间站当时设计的常驻成员组人数为六人,因此新飞船的载员人数也从联盟飞船的三人提升到了六人。为了降低成本,还要求飞船的返回舱段具有可重复使用的能力。能源火箭航天集团根据这些要求设计了快帆(Kliper)飞船。

快帆飞船的返回舱段采用升力体布局,拥有两种构型,一种是纯升力体布局,再入时在大气层内可以进行有限的机动,最后利用降落伞减速着陆,这种构型主要作为空间站的紧急救生飞船来使用,发射后长期停靠在空间站上;另一种是升力体布局加上机翼,可在大气层内机动,返回载入之后像航天飞机一样滑翔降落在跑道上,这一构型主要用来实现天地往返运输任务。由于整个项目技术复杂,研制难度大,再加上缺乏资金,这一项目最终在2006年宣布结束,俄罗斯转而开发PPTS载人飞船。

PPTS飞船也被称作罗斯(Rus)号飞船,由能源火箭航天集团进行研制,也以替换联盟飞船为研制目标,既可以往返于地面与近地轨道,也可以支持月球以及载人深空探测,能够适应第二宇宙速度再入,载员数量4-6人。PPTS飞船放弃了联盟飞船使用了半个世纪的轨道舱-返回舱-服务舱经典三舱布局,而选择了返回舱-服务舱两舱布局。飞船也不再采用联盟飞船那种钟形返回舱,而改用锥形返回舱,返回舱的直径达到了4.4米,远超联盟系列飞船的2.7米,舱内容积增加到了17立方米,超过了联盟飞船轨道舱与返回舱容积的总和。

由于PPTS飞船的返回舱要求能够重复使用,因此对着陆冲击的要求比联盟飞船更为苛刻。为了减小着陆冲击,设计人员最初在返回模式上选择了动力下降模式,也就是不依靠降落伞而是依靠返回舱的发动机来减速,最后以较低的速度落地。但这种方式需要返回舱携带动力减速所需的燃料,会压缩返回舱返回时可携带的载荷质量,因此设计人员将传统的伞降模式和动力下降模式结合起来,先通过降落伞减速并稳定姿态,在距地面一定高度上切断降落伞,利用发动机控制返回舱速度,最终着陆。为了进一步吸收着陆冲击,保证飞船在最后接地阶段的安全,设计人员不惜增加再入阶段的风险,直接在防热大底上安装活动舱盖,使四个安装在防热大底之后的折叠着陆缓冲支架可以伸出。

美俄载人飞船技术给中国上了一课 值得深思

我国神舟系列载人飞船

PPTS飞船的舱内布置、装饰也专门经过精心的工业设计,布局简洁清晰,配色干净舒适,设备先进现代,俄罗斯之前载人飞船、空间站特有的那种粗犷、杂乱的风格不再,让人耳目一新。据说如此设计可以让航天员更加放松,不至于在枯燥的太空飞行中赶到疲惫。座舱内甚至设置了一个卫生间,堪称有史以来最为豪华的载人飞船了。俄罗斯这个战斗的民族的艺术天赋在PPTS飞船上得到了充分的体现。

美国新一代载人飞船

作为俄罗斯的老对手、冷战时期太空竞赛的最终胜利者,美国的新一代载人飞船的研发可以说是磕磕绊绊。2003年哥伦比亚号航天飞机失事之后,航天飞机安全性与运营成本的问题日益凸显,美国国内要求航天飞机退役的声音日益高涨。2004年,时任美国总统小布什提出了“新太空探索计划”,计划包括研制下一代航天器、重返月球乃至登陆火星。2006年,美国国家航空航天局(NASA)根据“新太空探索计划”制订了“重返月球”计划,后来更名为星座计划,主要描绘了本世纪美国探索月球的整体框架和目标,其核心目标是在月球上建立永久基地,并以此为跳板,为登陆火星乃至探索更遥远的太空做准备。作为这一计划重要的一环,猎户座载人飞船的研发被提上了日程。

按照星座计划的要求,猎户座载人飞船既可以执行近地轨道的天地往返运输任务,也可以执行有关月球、火星、小行星的深空任务,具有极高的任务弹性,但是也导致研发难度的加大。为了降低研发风险,猎户座飞船的研制方洛克希德马丁公司在飞船的总体布局上决定继续沿用经过阿波罗飞船验证过的成熟构型,即锥形指令舱(也就是俄罗斯和中国的载人飞船上的返回舱,命名方式不同)以及指令舱-服务舱两舱布局,但指令舱直径从阿波罗飞船的4米增加到了5米,内部容积增加,近地轨道任务情况下最多可以搭乘6名航天员,正好是国际空间站一个远征组的人数,而在月球、深空探测任务中可以最多搭乘4名航天员。返回方式也回归传统的降落伞减速着陆,在最初的方案里还一改美国载人飞船海上回收的惯例,利用气囊减震陆上着陆回收,不过后期因为着陆缓冲气囊超重,还是改回了海上回收。

美国有将近四十年的时间没有研发过载人飞船,因此猎户座飞船的研制过程中也遇到了很多问题。然而对项目影响最大的问题却出现在研制工作之外。美国国会很多议员认为星座计划所提出的重返月球的目标不具有开拓性与划时代的意义,纯粹是花钱重复前人已经做过的事情。对于星座计划的不满加上当时全球金融危机对美国经济造成的严重打击使得美国国会批准给美国国家航空航天局的预算日趋减少。但星座计划却是一个实打实的烧钱大户,随着计划的推进,资金需求越来越大。终于在2010年,奥巴马政府决定终止星座计划,取而代之的是一个更加经济的新太空计划。在这个新计划中,来自星座计划的猎户座载人飞船经过美国国家航空航天局的争取得到了保留,但是不再负责近地轨道天地往返运输任务,而是专注于针对火星、小行星的深空载人任务。星座计划中用来发射月球登陆器的战神五号也摇身一变成为太空发射系统(SLS)继续研发,日后将负责猎户座飞船的发射。而近地轨道的任务则通过商业乘员运输能力(CCtCap)计划承包给近几年兴起的商业航天公司。

美俄载人飞船技术给中国上了一课 值得深思

俄罗斯PPTS飞船构型与美国殊途同归

2013年11月,美国国家航空航天局发布了商业乘员运输能力计划征求建议书,希望在2014年9月前授出一份或多份CCtCap合同,在2017年底前恢复从美国本土将航天员送往国际空间站的能力。去年9月份,美国国家航空航天局宣布波音公司的CST-100载人飞船与SpaceX公司的

V2载人飞船(一般译为“龙”飞船)赢得合同,两家公司将在四年内执行共八次前往国际空间站的任务,每家公司至少执行两次任务,每次任务至少要搭乘四名航天员。CST-100飞船也采用锥形指令舱,其大小介于阿波罗飞船与猎户座飞船之间,最多可以搭乘6名宇航员,飞船的动力与能源由指令舱后的圆柱形服务舱提供。

V2飞船也拥有两个舱体,只不过动力与能源系统和座舱集成在一起构成可返回舱段,座舱内最多可乘坐7名航天员。可返回舱段后方的圆柱形舱段只是一个表面贴满太阳能电池板以及几片气动翼的非加压壳体,这一舱段内可以装载载荷,这也让V2飞船成为目前新一代载人飞船中唯一能够装载非加压载荷的飞船,在一定程度上还原了航天飞机的货运功能。由于只是负责近地轨道运输任务,所以两型飞船不需要像PPTS飞船、猎户座飞船那样为适应第二宇宙速度再入进行有针对性的设计,因而技术难度以及生产成本都大大降低。两型飞船都将采用降落伞减速着陆,不过V2飞船未来可能会试验动力减速着陆。

纵观美俄两国的新一代载人飞船,进度最快的就是美国的猎户座飞船了,去年12月5日,猎户座飞船完成了首次太空飞行测试任务,这次任务在返回阶段模拟了未来猎户座飞船在完成深空任务后高速再入大气层的过程,验证了飞船的防热系统在高速再入情况下的可靠性,第二次飞行试验目前定在2018年,将是猎户座飞船首次由SLS火箭发射升空,如果一切顺利,首次载人飞行将在2021年实现。CST-100与V2也在按照各自公司制定的计划向前推进。而俄罗斯的PPTS飞船的未来还充满了未知数。鉴于俄罗斯当前的国内经济形势,最初制定的2015-2017年试验、2018年载人首飞的计划实现基本无望,具体要拖延多久,目前俄罗斯人自己都给不出答案。

美俄这几型新一代载人飞船虽然存在着各种各样的差异,但是却有很多的共同的特点。从总体布局看,均选择了大舱体直径两舱布局,简化了总体架构,提升了内部容积。从载重量上看,各型飞船最大载员人数较上一代载人飞船扩展了一倍,均达到了6-7人,基本达到了航天飞机的载员水平(航天飞机单次任务载员人数最多为8人,一般情况下都是6-7人),如减少载员人数,也可以携带大量货物,而且还具备了较强的下行货物运输能力(也就是从空间向地面运输载荷)。从经济性上看,都强调了可重复使用这一特点,以节省运行成本。

美俄载人飞船技术给中国上了一课 值得深思

PPTS飞船执行任务虚拟画面

我国新一代载人航天器

我国载人航天技术起步较晚,研制周期相对较长,以至于神舟飞船刚成熟定型,美俄两国的新一代载人飞船便已经完成了方案设计,甚至开始了原型飞船的制造与实验工作。按照我国载人航天规划,下一步将要建设空间站,开展大量空间应用试验,

这就需要具备更强人员往返运输能力和载荷下行能力的天地往返运输飞船, 进一步扩展空间站的应用领域和范围,增加空间站运营管理的灵活性和适应性。而我国载人深空探测的一些方案也已经开始研究,新飞船也必须要针对这些任务预留出升级空间。

根据报道,我国的新一代载人飞船已经于去年十月正式立项。从相关的论文看,我国新一代载人飞船的总体方案已经基本确定,新飞船采用大直径两舱布局,载员2-6人,返回舱可重复使用,能够以第二宇宙速度再入。前文中所总结的美俄两国新一代载人飞船的共同特点在方案中均有体现,不得不说在新一代载人飞船的设计上,俄、美、中三国的飞船方案呈现出极高的相似性,这也是需求牵引技术发展最终殊途同归所致。

虽然相似,但我国的新一代飞船也有属于自己的亮点,可以根据任务不同,搭配不同的服务舱以及运载火箭执行任务。方案中设计了两种服务舱,在与返回舱组合后分别组成14吨级和20吨级两种飞船,其中14吨级飞船利用长征七号运载火箭发射,支持近地轨道、小行星与火星任务,能够提供800m/s的速度增量;20吨级飞船利用长征七号运载火箭发射,支持登月任务,能够提供1400m/s的速度增量。

美俄载人飞船技术给中国上了一课 值得深思

PPTS飞船舱内做工精致简洁

由于载人小行星、火星任务中,需要庞大的组合体,飞船只是处在对接休眠状态,并不工作,因此只需要14吨级的飞船完成人员运输任务即可,而月球任务中,飞船要自主制动进入环月轨道,并从环月轨道自主返回地球,需要的速度增量就比较多,也只能用20吨级飞船。这也就是为什么方案中飞行距离更远、任务周期更长的火星、小行星任务选择较轻的飞船。

我国神舟系列载人飞船从开始研制已经晚了美俄等航天大国近30 年, 尽管我国加紧了研制步伐, 也取得了举世瞩目的成就,

但也只达到国外30前的水平。目前国外新一代载人飞船还处于研制阶段,尚未正式应用,我国从现在开始启动新一代载人飞船的研制,如能突破热防护技术、高速再入制导导航控制(GNC)技术、安全回收技术、先进逃逸技术、高集成度航电技术等新一代载人飞船关键技术,便可在飞船功能和性能上与国外新型载人飞船保持同一水平,大大缩小与美、俄等航天大国在载人航天领域的差距。

通知:点击社区,中国最大的手机军事社区

      打赏
      收藏文本
      1
      0
      2015/12/21 16:23:10

      网友回复

      左箭头-小图标

      不要动不动就给中国上什么课,在航天领域这个高精尖的技术层面,现在的中国人已完完全全的追平了俄美!

      2015/12/21 18:14:31

      我要发帖

      总页数11页 [共有2条记录] 分页:

      1
       对美俄载人飞船技术给中国上了一课 值得深思回复