http://news.qq.com/zt2011/zhongguofc/index.htm?pgv_ref=aio今年在載人航天領域有兩件大事,。7月21日,美國亞特蘭蒂斯號航天飛機執(zhí)行最后一次任務后返航著陸,,航天飛機作為一種載人航天器正式退役,。另外就是中國將發(fā)射天宮一號和神州八號,進行首次空間交會對接試驗,。不少民眾關心,,籍著美國航天飛機退役的機會,中國神舟飛船走向世界,、執(zhí)行國際空間站運輸任務,。 神舟飛船目前研發(fā)狀態(tài)如何?中國神舟載人飛船,、貨運飛船可否走向世界,? 神舟系列載人飛船簡介神舟系列飛船采用三艙布局,目前的使用記錄表明它是一種合理的結構,,也能夠滿足未來載人空間站的需求,。 神舟系列載人飛船的基本設計中國自921載人工程正式啟動以來,一步一個腳印踏踏實實地推進載人航天技術的發(fā)展,。1999年完成神舟飛船首次發(fā)射,,2003年神州五號任務進行了首次載人飛行,2005年神州六號任務實現(xiàn)雙人載人飛行,,2008年神舟七號任務實現(xiàn)多人載人飛行和出艙行走,。到了今年三四季度,,天宮一號目標飛行器和神舟八號飛船將陸續(xù)發(fā)射,進行首次交會對接試驗,。在神舟八號與天宮一號完成空間交會對接試驗后,,神舟系列載人飛船才算基本定型。 神舟載人飛船設計上為三艙式結構,,從前到后分別為軌道艙,、返回艙和推進艙,其最大直徑分別為2.2米,、2.4米和2.8米,。神舟飛船的軌道艙呈圓柱形,空間比返回艙更大,,從神舟六號飛船起,,航天員除了升空和返回時,其他時間都在軌道艙內(nèi)生活和工作,。在返回艙分離再入后,,軌道艙仍可獨立進行半年的軌道飛行,這段時間可以進行對地遙感,、空間環(huán)境探測和一系列自動化的太空實驗,。返回艙呈鐘形結構,是飛船的控制中心,,也是航天員再入返回的座艙,。由于體積緊湊,現(xiàn)有技術下可以做到比航天飛機高得多的整體結構強度,,使航天員再入時有更高的安全系數(shù),。推進艙又稱動力艙或是服務艙,呈圓柱形用于安裝推進系統(tǒng)發(fā)動機和推進劑,,飛船的電源,、通信以及生命保證系統(tǒng)和環(huán)境控制,所有神舟飛船推進艙外都有太陽翼,,用于提供電力供應,。 與天宮一號進行對接的神舟八號想象圖,按照計劃,,今年的神舟八號任務結束后,,神舟系列才算完成基本定型。 神舟八號任務后將完成基本定型2008年發(fā)射的神舟七號飛船全長9.19米,,質(zhì)量約為8噸,。比起之前的神舟系列飛船,神舟七號的最大改變是將軌道艙改為氣閘艙,用于支持航天員出艙活動,。神舟系列載人飛船的主要功能是向空間站輸送人員,、及少量物資,所以預料之后的神舟飛船會保留氣閘艙設計,,用作航天員出艙,、航天員轉(zhuǎn)移到空間站的中間艙段,并兼?zhèn)浯娣派倭肯蚩臻g站輸送物資的艙段,。 今年第四季度發(fā)射的神舟八號飛船還會增加與空間站對接的“異體同構周邊”對接裝置(APAS),,及對接時所需的跟蹤測量設備。“異體同構周邊”中“異體同構”的意思是,,對接的兩個航天器所安裝的對接機構有著相同的構造,,“周邊”是指對接機構安裝在來往通道的周邊。比起俄羅斯聯(lián)盟號載人飛船所采用的“針錐”式對接裝置,,“異體同構周邊”對接裝置的優(yōu)點是航天器既可作主動方,,也能作被動方,這一點對空間救援特別重要,。盡管增加了對接機構,,但神舟八號不再攜帶神舟七號上的伴隨小衛(wèi)星,所以其長度估計與神舟七號差不多,、甚至略短,。 需要強調(diào)指出的是,神舟八號任務之后,,神舟系列載人飛船才算正式完成研制試驗過程、基本定型,,從1992年至2011年總共花費約20年時間,。神舟九號應該是正式的量產(chǎn)型載人飛船,具備標準的運輸3人飛行7天,,并進行空間交會對接的能力,。 中國未來的貨運飛船天宮一號空間站模型,未來的中國貨運飛船將直接使用天宮一號的總體布局,,可節(jié)省設計和建造成本,。 作為第三個自主掌握載人航天技術的國家,中國還將發(fā)展空間實驗室和貨運飛船,,為未來空間站的建設奠定技術的基礎,。今年三季度發(fā)射的天宮一號目標飛行器最大直徑3.35米,長度9米以上,,質(zhì)量約8.5噸,。目前官方有關貨運飛船的介紹較為簡單,技術細節(jié)并不清楚。但根據(jù)原載人航天工程總設計師,、工程院院士王永志在《實施中國載人空間站工程推動載人航天事業(yè)科學發(fā)展》一文中的論述,,貨運飛船和空間站艙段將充分利用空間實驗室的研制成果,再綜合其他資料分析,,中國的貨運飛船應該是以天宮系列空間實驗室為基礎改進而來,。 根據(jù)介紹,中國貨運飛船總質(zhì)量約13噸,,貨運能力在5.5~6噸之間,,具備為空間實驗室和空間站補給推進劑、補充液態(tài)水和空氣,,并提供廢棄物存放空間,。中國貨運飛船也應具備類似歐空局自動轉(zhuǎn)移飛行器、俄空局進步貨運飛船那樣為空間站調(diào)整軌道的能力,。 俄羅斯聯(lián)盟載人飛船和進步貨運飛船蘇聯(lián)/俄羅斯聯(lián)盟載人飛船,,出自偉大的設計師科羅廖夫之手,是當今最為成功的載人飛船家族,。 進步貨運飛船設計基于聯(lián)盟系列,,雖然歷經(jīng)改進,其運力在目前已經(jīng)顯得力不從心,。 說起中國載人航天工程的載人/貨運飛船,,俄羅斯是繞不過去的話題。通過1996年簽訂的《中華人民共和國政府和俄羅斯聯(lián)邦政府關于在載人航天領域進行合作的協(xié)議》以及一系列更早的合作協(xié)議,,中國載人航天921工程得到了大量了解借鑒俄羅斯載人航天技術的機會,,對神舟飛船的設計可能起到了很大的影響。俄羅斯載人航天系統(tǒng)目前使用的飛船主要是聯(lián)盟系列載人飛船和進步系列貨運飛船,,均使用傳統(tǒng)的針-錐(Probe-Drogue)對接裝置,。 聯(lián)盟號載人飛船聯(lián)盟飛船經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展,已經(jīng)發(fā)展到聯(lián)盟TMA和TMA-M型號,,聯(lián)盟TMA-M飛船在電子設備上進行了升級,,更換了老舊的計算機,整體質(zhì)量降低了70千克,,第一艘飛船TMA-01M于2010年10月8日發(fā)射,。聯(lián)盟TMA-M飛船長度約7米,最大直徑2.7米,,起飛質(zhì)量7220千克,,3人時攜帶170千克載荷,最大著陸質(zhì)量2900千克,。飛船設計飛行壽命14天,,空間站駐留壽命200天。 進步號貨運飛船進步飛船自1978年首次以來也經(jīng)歷一次次升級,目前的飛船型號為進步M-01M飛船,,這是2008年后啟用的型號,,長度約7.2米,最大直徑2.7米,,起飛質(zhì)量約7.2噸,,最大上行貨物運載量約2.6噸。進步系列貨運飛船除了運輸補給品,、推進劑和水給空間站,,還有提升空間站軌道高度的能力。在歐空局的自動轉(zhuǎn)移飛行器服役前,,國際空間站的軌道調(diào)整基本依賴于進步號貨運飛船完成,。 中俄載人/貨運飛船對比中國神舟系列載人飛船雖然在設計時對俄羅斯聯(lián)盟飛船有所參照,但神舟飛船的尺寸和重量均有所增加,。神舟飛船全長9.13米,、最大直徑2.8米、質(zhì)量約8噸,;而聯(lián)盟飛船長度約7.2米,,最大直徑2.7米,起飛質(zhì)量約7.2噸,。尺寸,、質(zhì)量增加使得神舟飛船擁有更寬敞的載人和設備布置空間,另外神舟是新設計的飛船,,各類設備的體積和重量都會比聯(lián)盟有所縮小,。 中國貨運飛船則要比俄羅斯進步號貨運飛船先進得多。中國貨運飛船改進自天宮系列空間實驗室,,全長9米以上,、最大直徑3.35米、質(zhì)量13噸,、最大上行貨物運載量達到6噸。而俄羅斯進步號貨運飛船是以聯(lián)盟號載人飛船為基礎,,長度約7.2米,,最大直徑2.7米,起飛質(zhì)量約7.2噸,,最大上行貨物運載量約2.6噸,,運載能力要弱得多。 目前中美俄主要的客貨運飛船和航天飛機的尺寸與性能比較,。航天飛機在任何一項性能上都遙遙領先與它的競爭對手們,。不過由于發(fā)射成本高昂和兩次機毀人亡的事故后,航天飛機早早退出了歷史舞臺。 歐洲ATV和日本HTV貨運飛船歐空局的ATV貨運飛船除了能攜帶7.6噸的物資,,還自帶4.6噸推進劑,,用于幫助國際空間站變軌。 日本HTV貨運飛船,,對接口采用美國的CBM標準,,直徑遠大于俄式設計,可向空間站內(nèi)輸送大件貨物,。 雖然進步系列貨運飛船在俄羅斯載人航天史和國際空間站的發(fā)展史上起到了至關重要的作用,,但進步貨運飛船本身基于聯(lián)盟飛船改進而來的原始設計還是太老舊了,性能也不盡人意,。 歐洲ATV貨運飛船歐空局獨立啟動了自動轉(zhuǎn)移飛行器(ATV)貨運飛船的研制,,ATV的對接裝置大量使用了俄羅斯針-錐對接裝置的硬件,但在傳感器和交會對接算法上有大量自己的特色,。更重要的是ATV使用阿麗亞娜5火箭發(fā)射,,最大起飛質(zhì)量高達20.75噸,最大上行貨運能力高達7667千克,。ATV可運載的貨物包括普通加壓貨物,,水和空氣以及常溫推進劑,在7667千克的最大貨運能力中包括5500千克的加壓貨物,,840千克的水,、100千克的空氣和860千克的偏二甲肼-四氧化二氮推進劑。ATV貨運飛船還有提升空間站軌道的能力,,本身自帶高達4600千克的混肼-混合氧氮(MMH-MON)推進劑用于推進國際空間站,。 雖然ATV飛船建造加上發(fā)射費用的高達數(shù)億歐元的價格極其昂貴,但對比它的貨運能力之后費效比并不比俄羅斯進步飛船低,,如果考慮到4.6噸的推進劑用于空間站變軌,,綜合費效比恐怕更為出色。何況ATV是歐空局自己的項目,,積累了自身的工程技術和使用經(jīng)驗,,并具備發(fā)展為載人飛船的潛力。 日本HTV貨運飛船類似于歐空局,,日本宇宙研究開發(fā)機構(JAXA)也研制了自己的貨運飛船H-II火箭轉(zhuǎn)移飛行器(HTV),,日本原定使用液體助推器的H-IIA系列火箭發(fā)射HTV,不過最后在可靠性和預算限制的壓力下改用4枚固體助推器的H-IIB火箭。HTV貨運飛船對接使用美國研制的通用對接裝置(CBM)標準,在交會對接的傳感器,、通訊和算法上使用自己的設計。CBM對接裝置的內(nèi)部直徑要遠大于俄羅斯的針-錐對接裝置,,因此可以運輸更大的加壓貨物,,如國際標準有效載荷機柜(ISPR)。 由于H-IIB火箭高達16.5噸的國際空間站圓軌道發(fā)射能力,,HTV的最大發(fā)射質(zhì)量也是16.5噸,。HTV貨運飛船的運載能力也相當出色,截止HTV-2飛船已經(jīng)具備了高達6噸的上行貨運能力,,尤其是HTV使用模塊化設計分為加壓貨艙和非加壓貨艙,,具備大件非加壓貨物的運送能力,是航天飛機退役后非加壓貨物運輸?shù)奈ㄒ贿x擇,,并和進步飛船,、ATV一起支撐起國際空間站貨運的重任。根據(jù)JAXA的規(guī)劃,,HTV任務到2015年后將升級HTV飛船為HTV-R,,具備攜帶貨物返回地面的能力,不過目前尚未選定確切的方案,。 美國發(fā)展多款新型載人/貨運飛船美國私營航天公司SpaceX的龍式載人飛船,,計劃替代航天飛機向國際空間站運送人員,一次可搭乘7人,。 龍式飛船的貨運型號,,可向國際空間站運送6噸物資,并可攜帶3噸物資返回地球,。 美國亞特蘭蒂斯號航天飛機已經(jīng)在7月21日返回地面,,完成了最后一次航天飛機任務,美國迎來載人航天空窗期,。俄羅斯媒體對此宣傳航天飛機時代結束,,聯(lián)盟時代開始,自然令美國人群情激昂,。美國航天網(wǎng)nasawatch的評論提到:“用不了多久,,美國飛船就可以做一切聯(lián)盟飛船可以做的工作,而且又好又便宜,。(All too soon, American spacecraft will do everything Soyuz does - and more - and will do so much better - and cheaper),。” 龍式與天鵝座貨運飛船美國人當然不是憑空生出的信心,在航天飛機退役前美國航空航天局就啟動了商業(yè)貨運和商業(yè)載人航天的項目,,2008年已經(jīng)與SpaceX和Orbital公司簽訂了商業(yè)貨運合同,,目前商業(yè)載人航天項目的進展也相當順利。SpaceX公司將為國際空間站貨運補給提供龍式(Dragon)貨運飛船,,龍式飛船使用SpaceX研制的獵鷹9(Falcon 9)火箭發(fā)射,全長6.1米最大直徑3.7米,,自重約4噸,,但最大上行貨運能力高達6噸,,下行貨運能力高達3噸,這實在是一個非常高的指標,。 軌道科學公司的貨運飛船為天鵝座(Cygnus),,天鵝座飛船自身質(zhì)量為3.5噸,標準運載能力2噸,、加強版達到2.7噸,,使用軌道科學公司正在研制的金牛座2火箭發(fā)射。這兩種貨運飛船都將使用CBM標準對接裝置,,從而具備更大尺寸的加壓貨物運載能力,。 SpaceX公司的兩型飛船示意圖,二者基本使用同樣的基礎構架,,采用該公司自制的Falcon 9火箭發(fā)射,,具有很大的成本優(yōu)勢。 載人飛船有4家企業(yè)投入競爭目前商業(yè)載人航天項目的競爭還沒有決出最后的勝負,,不過現(xiàn)在看來SpaceX的載人龍式飛船,、波音公司的CST100飛船、內(nèi)華達山脈公司的升力體飛船追夢者(Dream Chaser)都非等閑之輩,,技術上尤其是龍式和CST100并沒有多大問題,,追夢者則要攻克全升力體飛船的再入飛行控制問題。這些載人飛船都具備了6人左右的載人能力,,完全可以滿足國際空間站乘員組往返的需求,。 除此之外,美國航空航天局仍在研制自己的多用途載人飛船(MPCV),,MPCV飛船實際上是原來星座計劃中獵戶座飛船的繼續(xù)發(fā)展,,在尺寸、質(zhì)量和性能上基本保持一致,,將用于美國航空航天局的載人深空探測如登陸小行星,、載人登月和載人火星環(huán)繞飛行,同時作為國際空間站的緊急逃生飛船使用,。MPCV飛船自重約20噸,,具備運載6人往返國際空間站或是運載4人前往月球的能力,未來將用重型德爾塔4火箭測試發(fā)射,。 中國難以參與國際空間站項目聯(lián)盟火箭的原型,,蘇聯(lián)/R-7家族至今已進行了約1740次發(fā)射,其中聯(lián)盟系列火箭在執(zhí)行載人發(fā)射中從未失過手,,這種成熟度還不是中國長征2F的7射7成所能比較的,。 中國載人/貨運飛船缺乏過人之處對比世界現(xiàn)有和即將出現(xiàn)的各種載人和貨運飛船,神舟載人飛船和貨運飛船的性能都并不出眾,。 在載人飛船方面,,雖然神舟飛船要比老舊的聯(lián)盟飛船先進,,但載荷性能基本一致,而且進行定型的神舟八號飛船尚未發(fā)射,,可靠性還沒有進行充分驗證,,完全無法和聯(lián)盟飛船上百次飛行任務相比。在聯(lián)盟飛船可以正常執(zhí)行任務的情況下,,神舟飛船將很難獲得機會,。而比較先進性,神舟飛船就遠遠不如美國正在研制的4種載人飛船——龍式,、CST100,、MPCV和追夢者了。這4款飛船都具備6人左右的載人能力,,一次飛行任務可輸送一個完整的國際空間站乘員組,,而神舟飛船則要2次。 貨運飛船方面,,中國貨運飛船的上行貨運能力與歐洲ATV,、日本HTV、美國龍式貨運飛船大致相當,,高于俄羅斯的進步飛船和美國的天鵝座飛船,。但中國貨運飛船要2015年甚至更晚才能首次發(fā)射,研制進度大大落后于Dragon和天鵝座,,更不要說已經(jīng)投入使用的ATV,、HTV。 中國難以參與國際空間站項目所以,,換位思考一下,,雖然美國航天飛機退役了,但美,、歐,、俄、日現(xiàn)有和正在研制的載人/貨運飛船,,完全可以滿足國際空間站運作的要求,。中國載人/貨運飛船并沒有過人之處,想以承擔天地運輸任務的方式參與到國際空間站項目中去,,是很難實現(xiàn)的,。 另外,中國載人航天在可靠性上還需要得到進一步證明,,長征2F火箭雖然7次發(fā)射7次成功,,但它的原型長征2E火箭7發(fā)2敗的發(fā)射成功率并不高,絕不能掉以輕心,,這方面中國運載火箭與創(chuàng)下133次連續(xù)成功發(fā)射記錄的俄羅斯聯(lián)盟號火箭實在有太大差距,。 而相比載人航天飛行器技術,,中國在空間科學研究方面,無論是理論研究或是實驗設備,,都遠遠落后于國際先進水平,以研制新實驗艙段參與國際空間站項目是更難實行的方式,。 結語中國神舟系列載人飛船在發(fā)展之初曾借鑒俄羅斯成熟的載人航天技術,,但青出于藍勝于藍,神舟載人飛船的技術水平比起聯(lián)盟飛船有所提高,,而貨運飛船各項指標均明顯優(yōu)于俄羅斯進步號貨運飛船,。 但神舟飛船至少要等神舟八號發(fā)射、與天宮一號進行首次空間交會對接試驗后,,才能完成基本定型,。中國飛船起步晚、發(fā)射次數(shù)過少,,所以即便美國航天飛機退役,,也不太可能參與到國際空間站任務中去。與此同時,,美國,、歐洲、日本也在發(fā)展多款先進載人,、貨運飛船,,中國神舟、以及未來的貨運飛船在技術上難以與之競爭,。(文/張雪松 黃治茂) 天宮尋夢系列策劃專題 |
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