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中国新一代载人飞船新在哪儿

中国新一代载人飞船新在哪儿
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中国新一代载人飞船新在哪儿
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试验船进行大载重气囊着陆缓冲技术试验 。
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打造中的试验船 。
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新一代载人飞船返回舱的金属结构与防热结构分开 。
5月8日 ， 我国新一代载人飞船试验船在圆满完成了预定任务后 ， 在酒泉东风回收着陆场成功着陆 。 这标志着该试验船的飞行试验任务圆满完成 ， 也意味着中国载人航天工程迈出了探索浩瀚宇宙新的一步 。 今天 ， 我们约请全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩和您聊聊新一代载人飞船的那些事儿 。
具有三大特征
我国新一代载人飞船具有世界在研超一流载人飞船的三大特征：
一是用途十分广 。 以往的载人飞船分两种 ， 一种是像“联盟”“神舟”载人飞船那样的卫星式飞船 ， 即像人造地球卫星似的载人在近地轨道绕地球飞行；另一种是像“阿波罗”载人飞船那样的登月式飞船 ， 即载人来往于地月之间 。 而新一代载人飞船则既可以在近地轨道飞行 ， 为空间站提供人员和物资的天地往返运输 ， 也能完成载人月球探测等载人深空探测任务 ， 甚至还可以运货 。
二是运载能力大 ， 载人多 。 它每次可以运送4至7人 ， 而目前使用的“联盟”和“神舟”载人飞船每次最多可运3人 。 虽然新一代飞船采用两舱构型 ， 但其直径比“神舟”“联盟”载人飞船都大 。 其目的是把内部加压空间都集中在一个舱段内 ， 以便明显增加航天员的舒适度 ， 多搭乘航天员 ， 降低成本 ， 提高可靠性 。
三是可以重复使用 。 因此 ， 它能大大降低载人飞船的飞行成本 ， 而至今发射过的所有载人飞船都是一次性使用的 。
新一代载人飞船的设计特点是具备高安全、高可靠、适应多任务和模块化 。 此次发射的试验船主要对新一代载人飞船进行高速再入返回防热、控制和群伞回收等七大关键技术进行飞行验证 ， 为未来载人航天奠定了更坚实的基础 。
创造多个首次
新一代载人飞船是面向我国载人航天未来发展需求而论证的新一代载人天地往返运输飞行器 ， 全长约9米 ， 最大直径4.5米 ， 最大发射重量23吨 。 在充分继承我国载人航天工程已有技术的基础上 ， 它在结构、推进、回收、能源、热控、电子、人机交互和可重复使用等方面采用了一系列先进技术 ， 使飞船具备高可靠、高安全、低成本和宜居的特点 。
为了能在一次任务中验证更多新技术、新材料 ， 中国空间技术研究院飞船工程师在新一代飞船试验船上应用了许多新设计、配置了许多新装备 ， 创造了中国载人航天器领域的多个首次 ， 这充分体现出我国载人航天领域发展“好、快、省”的发展理念 。
例如 ， 在此次任务中 ， 返回舱结构首次采用了密封舱和非密封舱设计；防热结构首次采用了新型轻质耐烧蚀的碳基防热材料 ， 以满足高速再入热防护的需求；首次采用了国际上推力最大的新型单组元无毒推进系统；首次采用了国内航天器最大的表面张力贮箱 。 此外 ， 新一代载人飞船试验船上还搭载了我国科研院所的多项有源载荷 ， 开展了太空3D打印等在轨空间应用和空间科学实验 ， 实现了一次任务多方受益 。
与“神舟”飞船的钟形返回舱不同 ， 新一代载人飞船的返回舱采用流畅的倒锥形钝头体气动外形 ， 这是因为飞船采用倒锥形外形空气升力更大 ， 能在接近第二宇宙速度的高速返回时依靠空气阻力减速 ， 使飞船可以更加平稳、精准地落地 。
改为大“两居室”
跟“神舟”飞船三舱式结构不同 ， 新一代载人飞船采用两舱式构型 ， 由返回舱与服务舱组成 。 其返回舱是整船的指令中心 ， 也是航天员生活居住的地方 ， 可乘坐6至7名航天员；服务舱是整船能源与动力中心 。
返回舱采用金属结构与防热结构分开的双层壳结构 ， 相当于“内衣”的金属结构里面是航天员的“驾驶室” ， 只安装了环控生保、人机交互等直接关系到航天员生命安全和飞船操控的设备 ， 这样就腾出了大量空间 ， 也最大程度地避免了大量设备和航天员共处一室的安全隐患 ， 因而具有容积大、密封性好、舱内视野遮挡少等特点 。 其他设备都放入了金属结构与防热结构中间的夹层中 。 因为这些设备不用呼吸 ， 放到这个非密封的空间中也算是得到妥善的安置 。
采用这种设计方式 ， 可以使设备不占空间 ， 让人的活动空间大大增加 。 新飞船的“驾驶室”可以分为工作区、娱乐区、餐饮区以及卫生区 ， 能为航天员提供更舒适的乘坐环境 。 据悉 ， 未来这里还将配置生活娱乐大屏 ， 让航天员的太空旅行变得更加丰富多彩；配置穿戴式显示仪表 ， 让航天员可以时刻了解飞船的健康状况 。
相当于“外衣”的防热结构采用了耐烧蚀的新型轻质防热材料 ， 在重量比“神舟”飞船降低超过30%的基础上 ， 防热效率则达到“神舟”飞船的3倍 。 它不仅守护了返回舱的安全 ， 而且首次采用的可拆卸更换设计 ， 能有效地提高可重复使用率 。
“内衣”可重复用
目前 ， 世界上所有已投入使用的载人飞船都是一次性使用的 ， 因为不能像航空飞机重复使用 ， 所以成本很高 。 为了降低进入太空的成本 ， 未来载人飞船的一个重要发展趋势就是重复使用 。
我国新一代载人飞船的返回舱是可重复使用的 。 它采用金属结构与防热结构分开的设计方式 ， 返回后只需要更换防热结构即可 ， 金属结构和舱内设备能重复使用 。 例如 ， 星敏感器、计算机等一些高价值的设备 ， 原先都是放在服务舱里的 ， 落入大气层时会被烧毁 。 现在 ， 经过优化设计 ， 把它们由服务舱调整至返回舱安装 ， 这样就可以随返回舱返回地面后进行回收利用 。 在返回舱外包覆我国自主研制的新型轻质防热结构 ， 执行完任务后只需更换轻质防热结构 ， 并经过规范严格的检测 ， 就可以再次执行载人航天飞行任务了 。
对接机构也很“金贵” ， 为此 ， 工程师用与防热结构一样的材料给飞船设计了一个“帽子” 。 飞船与其他飞行器对接的时候就把“帽子”掀开 ， 露出里面的对接机构 ， 等返回地球的时候再把“帽子”戴上 ， 以保护里面的设备再入大气层时不被烧坏 ， 从而可以继续使用 。 这样的设计 ， 可以比“神舟”返回舱回收更多的高级设备 。
换句话说 ， 我国新一代载人飞船返回舱每次返回后 ， 只需要更换“外衣”就行 ， 相当于“内衣”的金属结构舱可重复使用 。
具有多种用途
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5月8日 ， 东风着陆场工作人员进行返回舱舱体状态检查 。
由于采用了模块化设计 ， 所以新一代载人飞船既能用于近地轨道的载人天地往返 ， 为我国空间站提供人员和物资的运输 ， 也可适应近地轨道飞行、载人月球探测和载人深空探测等多种任务；既能用于载人 ， 也可完成货运飞船的任务 ， 也就是可把“太空巴士”快速变为“太空货车” ， 给空间站运送大量的补给物资 ， 或者把在空间站所做的一些实验或试验样品带回地球 。
为了让新一代载人飞船身兼多职 ， 飞船工程师采用了“合并同类项”的设计思路 。 具体说就是把因任务不同而性能指标各异的电源、推进、燃料和资源等分系统集成到服务舱内 ， 这样就能实现用统一的返回舱、配置不同的服务舱模块 ， 来满足近地空间站运营、后续载人航天工程等多任务需求的目标 。 采用这样的先进设计 ， 不仅能大大缩短研制周期 ， 还可以采取批量化研制模式来降低研制成本 。
简单地说 ， 为了实现多功能使用 ， 新一代载人飞船采用“搭积木”式的模块化设计 。 针对不同的需求 ， 通过相同的返回舱和不同的服务舱的配置就可以完成任务 。
【中国新一代载人飞船新在哪儿】营造家的感觉
新一代载人飞船是我国第二代载人飞船 。 它不仅继承了“神舟”载人飞船可靠、安全等优点 ， 而且在舒适性、经济性以及智能化程度等方面也有了大幅提升 。
为了让在返回舱生活和工作的航天员有在“家”的感觉 ， 飞船工程师采用了宜居的设计理念 ， 充分利用了新一代载人飞船舱内空间大的优势 ， 在舱内装饰、设备布局、人机交互界面和整船载人环境设计等方面都十分讲究 。
例如 ， 在返回舱内设置了工作区、娱乐区、餐饮区以及独立卫生区 ， 这种鲜明的功能分割 ， 可让航天员的“枯燥”太空旅行变得丰富多彩 。
新一代载人飞船采用了许多新技术 ， 使该飞船更加智能 。 例如 ， 由于采用了高性能计算机和敏感器的“组合拳” ， 使新一代载人飞船具备了自主应急入轨、自主轨道抬升、自主升力控制等功能 ， 可以快速、从容应对各类突发事件 。
另外 ， 新一代载人飞船还采用了单组元无毒发动机、高精度光学-导航一体化导航、分布式一体化电子系统、高转换效率太阳电池、多终端综合人机交互系统、水升华器散热、新型环路热管等一系列先进技术 ， 从而全面提升了飞船平台的综合性能 。
非常智能自主
新一代载人飞船的“大脑”——制导导航与控制系统很棒 ， 极大地提高了飞船的自主运行能力、在轨生存能力和应用潜力 ， 并降低了维护运营成本 ， 对我国后续深空探测和载人航天型号的发展具有十分重大的意义 。
飞船入轨后 ， 其“大脑”可以不依赖地面 ， 独立控制飞船飞行 。 它不仅能随时知道飞船现在处在什么位置 ， 而且还知道将要去哪里、走哪条路能更快地到达目的地 。
飞船还具备了全自主连续变道能力 。 自主变道与全自主连续变道有什么不同呢？自主变道实现的是自主去往一个目的地 ， 全自主连续变道实现的是在去往一个最终目的地的过程中 ， 可智能途经若干个中间目的地 。 采用这种技术后 ， 大大简化了飞船轨道控制的流程 ， 减轻了地面飞行控制人员的工作量 。
新一代飞船还能自己给自己“看病” 。 在飞行过程中它实时关注着自己的“健康” ， 一旦出现问题 ， 飞船就能通过系统智能的算法给自己“诊病” ， 包括找到病灶并临时或长久剔除病灶 。 它还具有重构功能 ， 即通过身体各部分功能的优化再组合来分担故障部位所承担的工作 ， 从而确保机体整体功能的正常 ， 这也大幅简化了地面飞控支持保障工作 。
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前期试验中的群伞和气囊 。
返回时更安全
试验船上天后 ， 陆续完成了七次自主变轨 ， 从距离地面几百公里的小椭圆轨道变成了距离地面几千公里的大椭圆轨道 ， 这是以前没有过的 。 抵达大椭圆轨道后 ， 试验船还进行了调姿、返回制动、返回舱服务舱分离等关键步骤 ， 对试验船再入返回技术进行全面验证 。 最后 ， 它以接近第二宇宙速度的9公里/秒速度返回 ， 以对气动外形、防热和群伞等技术进行验证 。
因为是超级“大船” ， 所以试验船的返回舱在返回时首次采用了群伞气动减速和气囊着陆缓冲技术 ， 它可将重约6吨的返回舱速度由近200米/秒平稳减速至零 。 与国外目前在研的“猎户座”“载人龙”和“星际航船”飞船的返回舱相比 ， 我国在回收重量和开伞动压等关键技术指标方面已达到国外同等水平 。
它在返回时不像“神舟”飞船那样 ， 靠1具引导伞、1具加速伞、1具牵顶伞和1具主伞来减速 ， 而是采用了由2具减速伞和3具主伞组成的“群伞减速”回收方案 ， 并在备份上进行了科学设计 。 这样即使是在一具减速伞或主伞失效时 ， 也能保证舱体减速着陆 ， 所以更安全 。 这3具主伞 ， 每一具都与“神舟”飞船的降落伞面积相当 ， 面积之和相当于五六个标准的篮球场 。
另外 ， 返回舱落地前 ， 不像“神舟”返回舱那样使用缓冲发动机减速 ， 而是使用6个充气气囊帮助舱体平稳“软着陆” ， 可以最大程度地保证返回舱的安全和完整回收 。 这6个大型缓冲气囊均安装在飞船底部 ， 有序排列在返回舱底部一周 ， 每个缓冲气囊充满气后相当于一个卡车轮胎大小 ， 是飞船自带的大气垫 ， 以确保船舱的底部着陆和未来航天员乘坐体验良好 。
据中国空间技术研究院北京空间机电研究所专家黄伟介绍 ， 针对新一代载人飞船的特点 ， 经多方案比较选择了气囊 。 气囊的优势主要在于：可重复使用 ， 适应更复杂地形 ， 落水还起到漂浮作用 ， 能缓冲水平速度 ， 着陆稳定性好 。 但相对“神舟”飞船所用的着陆反推形式 ， 气囊的缓冲行程固定 ， 而缓冲发动机可以设置不同启动高度 ， 且气囊的控制精度更难以保证 。 所以说它们各有优势 ， 但针对新一代载人飞船 ， 用气囊更合适 。
实验太空3D打印
在新一代载人飞船试验船返回舱中 ， 搭载了一台3D打印机,这是我国首次进行太空3D打印实验,也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验 。
这次打印的对象有两个 ， 一个是蜂窝结构（代表航天器轻量化结构） ， 另外一个是CASC（中国航天科技集团有限公司）标志 。
飞行期间 ， 我国自主研制的“复合材料空间3D打印系统” ， 自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印 ， 并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标 。
据悉 ， 连续纤维增强复合材料是当前国内外航天器结构的主要材料 ， 密度低、强度高 。 开展复合材料空间3D打印技术研究 ， 可以实现按需制造 ， 并支持我国空间站在轨扩建 ， 这对于未来空间站长期在轨运行、发展空间超大型结构在轨制造具有重要意义 。
另外 ， 飞船在轨还完成了一项用于未来让航天员享受“智能家居”太空生活的高速局域网试验 。 其上装有一个名叫“时间触发以太网星载原型系统” ， 它可将各个系统联通成一个高速局域网 ， 速率达到了千兆网的水平 。
通俗地说 ， 在一般的居家生活中 ， 电视、空调、音响等都有各自的遥控器 。 但在智能家居环境下 ， 通过局域网 ， 能把所有家用电器联通在一起 ， 用一个平板电脑就能控制 。
未来的大型复杂航天器里面的设备和节点不仅数量多 ， 相互间的通信关系也非常复杂 。 在载人航天器上加入了这套“时间触发以太网星载原型系统”之后 ， 就能把整个航天器做成一个类似大家庭局域网的状态 ， 形成类似智能家居的智能航天器信息体系 。 届时 ， 航天员用一个平板电脑 ， 就能对飞船或空间站上的所有设备实现一体化控制 。 这样不仅操作简便 ， 也极大减轻了系统设计的压力 。
部分图片来自新华社
来源北京日报
作者庞之浩
流程编辑刘伟利


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