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当今各大航天强国都在积极开展新一代载人飞船的研发工作。其中,美国的载人龙飞船2代、星际线飞船 、猎户座飞船,俄罗斯的联邦号飞船,以及中国的新一代载人飞船最引人注目。后起之秀印度为实现载人航天,也启动了“加甘扬”载人飞船的研制计划。

美国的星际线飞船(左) 、载人龙飞船2代(中)、猎户座飞船(右)
中、美、俄、印四国六款新一代载人飞船在空间尺寸、重量、多用途可重复使用等能力上,相较于以往的载人飞船有了大幅度提高。
新一代载人飞船中研制进度最快、最早服役执行载人任务的是美国SpaceX公司的载人龙飞船2代。
SpaceX载人龙飞船2代
2019年03月02日,载人龙飞船2代进行了首次无人飞行试验,2020年05月30日进行首次载人飞行将两名宇航员送入国际空间站。截止2023年5月21日,载人龙飞船2代3年内已完成10次载人飞行,将38人次送入太空。
作为对比,我国的神舟系列飞船1999年11月20日进行首次无人飞行试验,2003年10月15日进行首次载人飞行,将我国首位航天员杨利伟送入太空。截止2023年5月30日,神舟系列飞船20年内进行了11次载人飞行,将29人次送入太空。
载人龙飞船2代是一型设计理念及其超前的载人飞船,整个载人飞船系统取消了逃逸塔、整流罩、服务动力舱,将以上分系统所提供的功能全部集成到返回舱中,太阳能电池板则创新的整合到载人飞船与运载火箭连接的级间段中,整个载人飞船仅级间段和太阳能电池板无法回收。其余部件均可回收再利用。整个载人飞船被简化成单舱结构,最大限度的提高了回收率,是非常值得学习和借鉴的。
目前美国的星际线飞船 、猎户座飞船已完成全系统试飞,基本具备载人飞行的能力。研制进度最慢的是俄罗斯的“联邦号”飞船和印度“加甘扬”号载人飞船,至今还未进行过飞行试验。中国的新一代载人飞船总体研发进度略慢于星际线飞船 、猎户座飞船,但明显快于俄罗斯的“联邦号”飞船和印度“加甘扬”号载人飞船。
美国“猎户座号”载人飞船
俄罗斯“联邦号”载人飞船
印度“加甘扬”载人飞船
波音“星际线”载人飞船
波音“星际线”载人飞船返回舱
我国新一代载人飞船的研制工作开始于2010年前后,经过数年的论证预研,于2016年6月25日,由长征七号遥一运载火箭将新一代载人飞船返回舱⅔缩比模型送入近地轨道。搭载的远征-1A上面级(模拟新一代载人飞船服务舱)和返回舱组合体在轨绕地飞行13圈后,开始实施第三次轨道控制,进入返回轨道。当组合体飞行至距地面高度约170公里处,返回舱与远征-1A上面级分离。以弹道方式顺利返回位于内蒙古巴丹吉林沙漠腹地的东风着陆场。缩比返回舱高2.3米,最大直径2.6米,总质量2.6吨,肩负着获取飞行气动数据、验证可重复使用、新型金属材料性能等使命。整个验证任务取得圆满成功。
中国新一代载人飞船返回舱⅔缩比模型
中国新一代载人飞船返回舱⅔缩比模型返回现场
2020年5月5日,全尺寸的新一代载人飞船搭载长征五号B遥一运载火箭成功发射。全尺寸的新一代载人飞船返回舱空重6吨,最大载重1吨,返回舱最大回收重量7吨,服务舱空重6吨,携带空气、水0.6吨,燃料8吨,飞船总起飞重量21.6吨。此构型的载人飞船按载人环月飞行设计,所携带的8吨燃料足以产生1480m/s的速度增量,完全可以满足载人飞船环月飞行后返回地球的能量需求。
中国新一代载人飞船环月构型2020版
此次飞行由长征五号B遥一运载火箭将载人飞船送入200km*400km近地轨道,载人飞船消耗自身7吨左右燃料产生超过1250m/s的速度增量,将轨道提升到200km*7900km的大椭圆轨道。以此来获得更大的近地点再入速度(>9000m/s),来模拟环月飞行后以接近第二宇宙速度再入技术。随后按照既定计划完成了太阳帆板展开及捕获太阳、中继天线展开并建立中继通信链路和四次自主轨控等一系列工作。
中国新一代载人飞船环月构型2020版
2020年5月6日,返回舱与服务舱分离,服务舱利用柔性充气式技术再入返回,试验失败。2020年5月8日13时49分,新一代载人飞船试验船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆,试验取得成功。
新一代载人飞船试验船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆,试验取得成功
在全尺寸的新一代载人飞船基础上可衍生的近地轨道载人构型飞船,返回舱空重6吨,最大载重2吨(最大载员7人,环月构型载员3人),返回舱最大回收重量8吨,服务舱空重4吨,携带空气、水0.4吨,燃料1.6吨,飞船总起飞重量14吨。此构型原本计划由近地轨道运载能力14.5吨的长征七号发射,现已放弃,未来将改为由长征十号光杆版发射,按现有披露的数据预测,长征十号光杆版在一级陆地返场回收的模式下近地轨道运力即可满足此构型载人飞船的发射。
按传统的发射方式,在执行近地轨道载人飞船发射任务时,运载火箭会将载人飞船发射到200km*400km的转移轨道,而后由载人飞船自行变轨至400km*400km空间站轨道,由200km*400km变轨至400km*400km轨道,大约需要60m/s的速度增量,对于14吨的载人飞船来说,换算成重量大约需要消耗300kg左右燃料,载人飞船再入返回时需要执行相反的变轨操作,同样需要消耗300kg左右燃料。再加上载人飞船与空间站对接过程中的燃料消耗,整个任务期间载人飞船有1吨的燃料就足够了。14吨构型载人飞船携带1.6吨燃料在满足自身需求的情况下,还可以为空间站进行一定量的燃料补加。
2023年2月,在航天成就展上披露的载人登月工程三件套长征十号CBC火箭、载人登月舱,载人环月飞船中,新一代载人飞船的构型发生了变化,新构型加大了返回舱的直径和重量,呈现出返回舱粗,服务舱细的“大头”造型。整体造型和美国“猎户座号”载人飞船、俄罗斯“联邦号”高度相似。2020版21.6吨的载人环月飞船构型仅试飞一次就被“大头”构型所取代。
航天成就展上虽然仅仅展示了新一代载人飞船的模型,没有过多地文字介绍,但载人飞船模型制作十分精良。
中国新一代载人飞船环月构型2023版
我国新一代载人飞船2020版21.6吨的全尺寸构型在全球新一代载人飞船中尺寸和重量仅略小于美国的猎户座飞船,完全可以满足我国载人登月任务中,载人飞船环月飞行的任务需要。那为什么新一代载人飞船的最新构型要进一步加大返回舱的尺寸呢?
从研制时间上来看,2010年左右虽然我国还没有决定要进行载人登月,但新一代载人飞船立项研制时,就已经考虑到发展具备环月飞行返回能力的载人飞船构型。因为载人登月方案没有确定,是采用美国“土星五号”+“阿波罗登月飞船”一次发射的方案?还是采用多次发射近地轨道交会对接或者月球轨道交会对接的方案?不确定!所以新一代载人飞船登月构型选用3人乘组最小需求的20吨级方案。
随着“嫦娥工程”无人探测阶段绕、落、回三步战略的顺利实施,载人登月的方案也提上了日程。我国最终选择的登月方案是2次发射、月球轨道交会对接的方案。配套的运载火箭即为长征十号CBC构型运载火箭。
长征十号CBC运载火箭
按官方公布的数据,长征十号CBC运载火箭的地月转移轨道运载能力不会低于27吨,所以新一代载人飞船加大尺寸和重量最大的原因就是为了充分发挥长征十号CBC运载火箭的运力。由此预估新一代载人飞船2023版的总质量应该在27吨左右。
新一代载人飞船2023版相较于2020版,除了外形尺寸、重量上的改变外,还有许多其他亮点,比如新一代载人飞船2023版的返回舱部分有可能会取消整流罩,整流罩仅包裹到载人飞船的服务舱部分。
从航天成就展上的模型上还可以发现,新一代载人飞船服务舱尾部安装有4台喷嘴巨大的主发动机,而差不多同等质量的载人登月舱仅配备了一台尺寸类似的主发动机,发动机的型号应该就是航天六院“八年九机”计划中的8吨级常温燃料高压补燃分级燃烧发动机YF-58。载人登月舱装备一台8吨级发动机完全可以满足载人登月舱近月制动和月面着陆主减速段的需求。
新一代载人飞船4台YF-58常温燃料高压补燃分级燃烧发动机最大可以提供32吨的推力,如此大的推力显然超出了新一代载人飞船在轨变轨的实际需求。结合新一代载人飞船27吨的质量来分析。新一代载人飞船有可能会取消逃逸塔,以服务舱配合4台YF-58发动机来实现逃逸功能,即运载火箭在100km以下高度出现故障时,新一代载人飞船会立即启动服务舱的4台YF-58发动机与运载火箭脱离,然后启动故障返航模式。
中国新一代载人飞船环月构型2020版服务舱主动力为4台小推力发动机
中国新一代载人飞船环月构型2023版服务舱主动力发动机明显要比2020版发动机大许多
新一代载人飞船2023版按27吨的总质量预估,其返回舱空重将达到9吨,有限载荷1吨,服务舱空重6.4吨,携带水、空气0.6吨,燃料10吨,载人飞船在整个飞行过程中将可以提供不小于1480 m/s的速度增量。而这个数据已经大于美国“猎户座号”载人飞船,将有望成为全球新一代载人飞船中最大的型号。
附:全球现役及在研载人飞船参数对比
全球现役及在研载人飞船参数对比
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