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载人飞船新晋“胖五”成员有多牛？

澎湃新闻采访人员 张静
载人飞船新晋“胖五”成员有多牛？
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【载人飞船新晋“胖五”成员有多牛？】2020年5月5日 ， 为我国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭在海南文昌首飞成功 ， 正式拉开我国载人航天工程“第三步”任务的序幕 。
巡天揽月 ， 剑指苍穹 。 5月5日18时00分 ， 长征五号B搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱 ， 从海南文昌航天发射场点火升空 。 约488秒后载荷组合体与火箭成功分离进入预定轨道 ， 我国空间站阶段首次飞行任务告捷 。
长征五号B火箭运送的载荷质量约22吨 ， 这是中国乃至亚洲火箭首次发射超过20吨的航天器 ， 进一步奠定了长征五号系列火箭在世界现役火箭运载能力第一梯队中的地位 。
其首飞任务的圆满成功拉开了空间站在轨建造阶段飞行任务序幕 。 中国空间站将于2022年前后完成建造 ， 还将设有共轨飞行的光学舱 ， 10年内可完成对大范围天体的巡天探测 。
而本次载荷中的新一代载人飞船试验船是新一代载人飞船的“试验版” 。 新一代载人飞船相当于“太空巴士” ， 未来在执行近地轨道任务时可一次运送6-7名航天员 ， 还可以根据任务需求变成“太空货车” ， 返回舱未来可重复使用 。
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“瘦”了近20吨的“大头兄弟” ， 主攻空间站舱段发射
长征五号B火箭由中国航天科技集团所属中国运载火箭技术研究院（一院）抓总研制 ， 主要用于我国空间站舱段等重大航天发射任务 。 火箭全长约53.7米 ， 相当于18层楼高 ， 起飞质量约849吨 ， 近地轨道运载能力达25吨级 。
长征五号系列运载火箭主要包括长征五号和长征五号B两型火箭 。 两兄弟火箭一样“胖” ， 芯一级直径均为5米 ， 捆绑4个直径3.35米的助推器 。
不过 ， 最直观的区别是构型和高度不同 。 长征五号B的整流罩比长征五号更大 ， 这个“大脑袋”长20.5米 ， 直径5.2米 ， 根据空间站任务要求新研制而成 ， 是我国最大的整流罩 ， 足以把10多米长、4米多粗的空间站核心舱装进去 。
相对于长征五号 ， 长征五号B火箭矮了3米左右 ， 减少了二子级和级间段 ， 是我国首型“一级半”火箭 ， 其中“半级”来自于助推器 。
多一级的长征五号擅长“跑长途” ， 能将“乘客”送往36000公里高的地球同步轨道、38万公里外的月球以及最近距离也要数千万公里的火星 。
少一级的长征五号B则是一个“短跑健将” ， 虽然比长征五号“瘦”了近20吨 ， 但它专注于将“乘客”送到地球附近200-400公里左右的轨道 ， 那里是我国空间站建设的主战场 。
目前 ， 我国火箭多采用多级形式 ， 如两级火箭长征二号、两级半火箭长征二号F、三级火箭长征三号甲、三级半火箭长征三号乙、四级火箭长征十一号 。
而长征五号B火箭是我国现役运载火箭中唯一一款直接入轨的火箭 。 相比多级火箭的“接力” ， 它从点火到入轨一气呵成 ， 不仅丰富了我国新一代运载火箭型谱 ， 无级间分离的特性也提升了系统可靠性 。
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同一个“心脏”不同工况 ， “冰箭”发动机压力大起大落
只用“一级半” ， 长征五号B火箭就能把近22吨重的航天器送上天 ， 使我国成为极少数掌握“一级半”火箭大推力直接精确入轨技术的国家之一 ， 这得益于采用氢氧推进剂的芯一级和采用液氧煤油推进剂的助推器合理搭配 。 而芯一级的两台大推力氢氧发动机 ， 又直接影响着航天器的最终入轨 。
在相同的发射重量下 ， 火箭发动机的比冲越高 ， 火箭的运载能力就越强 。 氢氧发动机的比冲可谓傲视群雄 ， 但其研制难度也极高 。 作为同样采用液氢液氧等低温推进剂的“冰箭” ， 长征五号B火箭所承担任务的特殊性 ， 对芯一级的大推力氢氧发动机提出了更高要求 。
“零窗口”是指发射时间范围为零的发射窗口 ， 它要求火箭必须分秒不差地点火升空 。 载人航天工程中的交会对接任务在时间上不能有丝毫误差 ， 否则可能失之交臂 。
长征五号B火箭芯级使用的氢氧发动机必须确保预冷等发射前工作环环相扣、步步流畅 ， 不耽误发射窗口 ， 以免导致耗费更大的代价调整轨道 。
同时 ， 长征五号B火箭比长征五号火箭更轻 ， 但起飞推力与长五火箭相同 。 用同样的劲向上提更轻的东西 ， 加速度自然更快 。 而在助推器分离后 ， 火箭加速度又瞬间达到最低 。
中国航天科技集团六院长五火箭副总设计师王维彬说 ， 发动机的入口面对过山车一样大起大落的压力 ， 给发动机的稳定、可靠工作带来巨大挑战 。
为了应对这些挑战 ， 氢氧发动机研制队伍通过大量的研究改进与试验验证 ， 将这些难点逐一攻克 ， 进一步提高发动机工作的可靠性与稳定性 。 此外 ， 地面设备等系统采用的远程操作方法 ， 也保证了发动机预冷等环节安全顺利推进 。
一船多用的天地往返“太空巴士” ， 未来返回舱可重复使用
此次发射成功的长征五号B火箭搭载了新一代载人飞船试验船、柔性充气式货物返回舱试验舱以及10余项实验载荷 。 中国载人航天工程办公室主任助理季启明介绍 ， 按照飞行程序 ， 试验舱和试验船完成在轨试验后 ， 计划分别于5月6日和5月8日返回东风着陆场 。
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总装现场
柔性充气式货物返回舱试验舱由中国航天科工集团有限公司第二研究院抓总研制 ， 是我国新型空间运输飞行器的试验器 ， 本次任务将对充气展开式返回飞行器轨道再入关键技术进行验证 。
新一代载人飞船试验船是新一代载人飞船的“试验版” ， 由中国航天科技集团旗下中国空间技术研究院（五院）抓总研制 。 飞船高近9米 ， 身体最“胖”处直径约4.5米 ， 体重超20吨 。 此次飞行试验任务将对试验船高速再入返回防热、控制和群伞回收相关关键技术进行飞行验证 。
“我们主要是用这艘试验船来验证今后的一些关键的技术 。 比如再入防热技术 ， 和神舟飞船相比 ， （这次）我们将把试验船送到一个更高的轨道上 ， 让它以更高的速度再入（大气层） ， 以检验防热技术 。 ”中国载人航天工程总设计师周建平表示 。
此外 ， “神舟飞船有一顶1200平方米的减速伞 ， 本次试验船将有三顶这样大小的伞 ， 怎么可靠安全地打开这三顶伞 ， 也是这次要验证的群伞回收技术 。 ”
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测试现场
【载人飞船新晋“胖五”成员有多牛？】自1992年启动载人航天工程以来 ， 我国形成了以神舟飞船、空间实验室、货运飞船为支撑的多类航天器 ， 为正式启动空间站建设打下基础 。
新一代载人飞船是全面升级的天地往返交通工具 ， 可一船多用 ， 既可以应用在近地轨道 ， 支撑我国空间站建设 ， 还能胜任载人登月等更遥远深空的探测重任 ， 更具备着“运人+运货”的强大本领 。
如果把神舟飞船比作航天员专属的“太空专车” ， 那么新一代载人飞船就是“太空巴士” ， 未来在执行近地轨道任务时 ， 可一次运送6-7名航天员 ， 是神舟飞船承载能力的两倍 。
它还可以根据任务需求 ， 从“太空巴士”变成“太空货车” ， 为空间站运送大量补给物资 ， 或把航天工程师在空间站所做的试验样品带回地球 。
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振动测试
为了让新一代载人飞船身兼多能 ， 中国空间技术研究院提出基于模块化设计的新一代载人飞船总体设计方案 ， 将飞行功能需求“合并同类项” ， 构建“返回舱+服务舱”的两舱新构型 。
新构型把因任务不同而性能指标各异的电源、推进、燃料资源等分系统集成到服务舱内 ， 实现统一的返回舱配置不同的服务舱模块 ， 满足多任务需求目标 ， 大大缩短研制周期 ， 还能以批量化模式降低研制成本 。
而返回舱是整船的指令中心 ， 也是航天员生活居住的地方 。 相比神舟飞船的钟型设计返回舱 ， 新一代载人飞船的返回舱是倒锥型钝头体气动外形设计 ， 倒锥型空气升力更大 ， 能在以第二宇宙速度高速返回时依靠空气阻力减速 ， 更加平稳、精准落地 。
新一代载人飞船的返回舱被设计成可重复使用 。 星敏感器、计算机等高价值设备经过优化设计由服务舱调整至返回舱安装 ， 以便随返回舱返回后回收利用 。 返回舱外包覆我国自主研制的新型轻质防热结构 ， 执行任务后只需更换轻质防热结构 ， 经过规范严格检测就可再次执行载人航天飞行任务 。
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2022年前后完成空间站建造 ， 设有共轨飞行光学舱
1992年9月21日 ， 中共中央政治局常委会批准我国载人航天工程按“三步走”发展战略实施 。
第一步 ， 发射载人飞船 ， 建成初步配套的试验性载人飞船工程 ， 开展空间应用实验；第二步 ， 突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术 ， 发射空间实验室 ， 解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；第三步 ， 建造空间站 ， 解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题 。
经过20多年独立自主发展和接续奋斗 ， 我国已先后组织实施16次重大飞行任务 ， 实现11名航天员共14人次太空飞行和安全返回 ， 圆满完成第一步、第二步全部既定任务 。
长征五号B运载火箭首飞任务的圆满成功 ， 迎来了载人航天工程“第三步”发展战略任务实施的“开门红” ， 拉开空间站在轨建造阶段飞行任务序幕 ， 为后续空间站核心舱、实验舱发射奠定坚实基础 。
季启明介绍 ， 我国空间站将于2022年前后完成建造 ， 一共规划12次飞行任务 。 此次任务后 ， 将先后发射天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱 ， 进行空间站基本构型的在轨组装建造；期间 ， 规划发射4艘神舟载人飞船和4艘天舟货运飞船 ， 进行航天员乘组轮换和货物补给 。
中国空间站的建造距离1998年国际空间站发射第一个模块晚了20多年 。 但周建平认为 ， 中国空间站利用当代技术成果研发建设 ， 虽建造时间晚于国际空间站 ， 却充分考虑了技术进步对航天发展的作用 。
中国在能源技术、再生生保技术、空间探测技术以及科学研究设备等各方面都利用了20多年科技发展和技术进步的成果 。 因此 ， 中国空间站将站在更高的技术和科学起点上 。
例如未来中国空间站将设有共轨飞行的光学舱 ， “这个光学舱实际上是一个巡天望远镜 ， 它的分辨率和大家熟知的哈勃望远镜的分辨率是相当的 ， 但它的视场角要比哈勃望远镜大300多倍 ， 10年内可以完成对大范围天体的巡天探测 。 ”周建平表示 。
现阶段 ， 我国空间站核心舱已完成正样产品总装 ， 问天实验舱和梦天实验舱正在开展初样研制；空间科学应用载荷已陆续转入正样研制 ， 执行空间站建造阶段四次飞行任务的航天员乘组已经选定 ， 正在开展任务训练 。 此外 ， 我国第三批预备航天员选拔工作也将于今年7月前后完成 。
而长征五号B火箭将担当起发射空间站核心舱和实验舱的重任 。 长征五号B火箭首飞任务完成技术方案验证后 ， 长征五号B遥二至遥四任务将先后完成空间站3个舱段的发射任务 。
与此同时 ， 今年长征五号系列运载火箭“家族”使命重大 ， 将执行3次发射任务 。 继长征五号B火箭首飞后 ， 长征五号遥四火箭将于下半年发射我国首个火星探测器 。 年底前 ， 长征五号火箭还将迎来第五次发射 ， 将嫦娥五号月球探测器送上月球 ， 实现对月球表面的采样返回 。
本期编辑 邢潭


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