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神舟飞船已进入生命末期:历经三代技术改进,但无法承担未来任务

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以前应约稿要求写的稿子,现在搬回自己的公号来。

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2021 年 6 月 17 日 9 时 22 分,中国神舟十二号载人飞船搭载着三名航天员聂海胜、刘伯明和汤洪波顺利发射升空。

这次发射任务是中国新一代天宫空间站建设的关键环节之一。在神舟十二号与天和号核心舱完成交会对接、航天员顺利进驻之后,天和号核心舱将在他们的介入管理和控制下,依次与随后发射的问天号实验舱、梦天号实验舱进行对接,从而组成完整的天宫号空间站。


但此次载人飞船任务,也意味着神舟系列飞船开始步入其历史生涯的后期。虽然它还将被使用很长一段‍‍时间,中国载人航天主力的地位,却即将移交给新一代的两舱式载人飞船。

在这个时刻,我们不妨聊聊神舟系列飞船不为人知的过去,和未来星光璀璨的继承者。

一:现实主义技术路线的胜利

我们现在所提起的中国载人航天工程,一般特指 1992 年 9 月 21 日正式确立、代号 921 工程的载人航天项目。

921 工程制定了三步走战略,即载人飞船实现航天员的天地往返、探索并建设以过渡实验性质为主的空间实验室、建设完整功能的空间站。神舟系列飞船的主要基调,就是在第一步战略中被定下来的。

上世纪 80 年代中期,中国下决心重启载人航天计划,随后在 1987~1991 年期间进行了广泛的调查和论证工作。921 工程的三步走战略,实际上就是相关工作的总结性产物。

然而鲜为人知的是,在论证前期,后来成为神舟系列的飞船式载具路线并没有得到今天这样压倒性的认同,反而一度是航天飞机路线更受欢迎。


中国载人航天工程中的「长城一号」航天飞机方案

这源于多方面因素。

首先,是美国航天飞机展现出了远强于苏联联盟系列飞船的运载能力,特别是在携带货物返回地球的时候。即使是经历了挑战者号爆炸的灾难性事故,在整个 80 年代,航天飞机路线仍是包括苏联在内的全世界最推崇的先进方向。


美国挑战者号航天飞机与苏联暴风雪航天飞机丨来源:Alex Hollings

中国不受影响是不可能的。当时国内航天飞机支持者的一个重要理由,就是飞船很快要被航天飞机淘汰。相当多的飞船支持者同样认可这个结论,只是认为航天飞机的技术风险和经济负担对当时的中国太高了。



中国在 80 年代的一些航天飞机方案方案

其次,1988~1993 年期间,原来的航天工业部和航空工业部被合并成为了航空航天工业部。航天飞机路线要求在大气层内实现可控飞行和常规跑道着陆,高度依赖飞机设计技术的转移。原航空工业系统的单位不仅深度参与了载人航天的论证工作,而且都非常推崇航天飞机路线。

然而随着国际关系的剧烈变化,80 年代的中西蜜月走向终结。1991 年苏联解体,俄罗斯陷入了严重的经济衰退,这意味着中国能以很低的代价,从俄罗斯引入大量较为先进而且成熟可靠的技术。

在这种外部环境变化下,国内载人航天路线的论证方向在中后期出现了巨大的变化。最终,出于稳妥、经济、可靠的考虑,中国载人航天选择了飞船路线,并引进了俄罗斯联盟号飞船的技术作为设计参考基础。


俄罗斯联盟号飞船丨来源:wikipedia


神舟系列飞船结构示意图,神舟十二号的结构与之类似

从 1999 年,第一艘实验飞船神舟一号发射成功。虽然它还只是一艘无人飞船,但依然代表着中国正式踏上了载人航天的征途,踏出了第一个实实在在的脚印。

二:十二艘神舟飞船,进步体现在哪里?

历经了 20 余年的发展,神舟系列飞船通过不断的反馈改进已经发展的相当完善,并且形成了三个不同类型的分支型号系列。

这三个分支,大致上可以对应实现航天员的天地往返、探索并建设以过渡实验性质为主的空间实验室、建设完整功能的空间站的三步走战略中的每一步。

首先是基本型。

神舟系列一至六号,都属于基本型载人飞船。从设计目的上看,它们的用途局限于将航天员送入近地轨道,并能稳定在轨道上运行一段时间,最终安全返回地面,仅能支持航天员在飞船内进行少量空间活动。


神舟系列基本型丨来源:《载人飞船型谱发展研究》

这6艘飞船中,一至三号带有浓重的技术验证性质,没有进行载人飞行。

一号飞船 1999 年 11 月20 日发射,用于基本的飞行技术验证,在轨飞行了 21 小时。

二号飞船 2001 年 1 月 10 日发射,主要是对环境控制和生命保障系统进行重点功能考核——比如飞船内的气压维持和氧气供应,并测试了飞船能否在长时间的轨道飞行中可靠工作。在轨飞行 7 天。


三号飞船中的假人(左),着陆后的三号飞船(右)丨来源:《载人航天器技术》

三号飞船 2002 年 3 月 25 日发射,部分任务是二号飞船任务的重复和扩展,还搭载设备实现了对地观测和一些科学实验。在轨飞行 6 天 18 小时。

四号飞船 2002 年 12 月 30 日发射,它已具备完整的载人飞行功能,但出于安全稳妥的考虑,没有真正搭载航天员飞行,而是作为载人发射的一次全面预演。在轨飞行 6 天 18 小时。


神舟三、四号拍摄了大量的遥感图片,这是其中一张丨来源:《神舟三号、神舟四号遥感应用图集》

五号飞船 2003 年 10 月 15 日发射,搭载杨利伟进入太空并安全返回,但暴露了发射过程中高过载状态下存在较强烈共振、导致航天员非常难受等问题,为后续设计改进提供了方向。在轨飞行 21 小时。

六号飞船 2005 年 10 月 12 日发射,这是神舟系列基本型的最后一艘,改善了很多五号飞船暴露出的问题。

其次是出舱活动型。

七号飞船 2008 年 9 月 25 日发射。它把轨道舱的留轨功能取消了,换成了气闸舱设计,突破了航天员的出舱活动技术。包括气闸舱在内,该飞船有相当多的新设计和新技术,都是在为空间站研制进行前期探索,带有浓重的技术验证色彩。


神舟系列出舱活动型丨来源:《载人飞船型谱发展研究》

最后是交会对接型。

八号飞船 2011 年 11 月 1 日发射。它在基本型飞船的基础上,添加了交会对接功能,可以与空间实验室、空间站进行对接。直到此时,神舟飞船系列才算真正形成了功能完备的天地往返运输能力,这个分支也因此成为了改进型的标准载人飞船。

从八号飞船开始,神舟系列的功能和设计均已趋于完备。包括此次发射的十二号飞船在内,后续的神舟虽然还不断有细节上的设计优化改善和设备更新,但总体上已经没有什么实质性的差别。


神舟系列交会对接型丨来源:《载人飞船型谱发展研究》

借由交会对接型神舟飞船,中国载人航天得以完成三步走战略的最后一步建设完整功能的空间站。空间站建成之时,将标志着 921 工程载人航天项目圆满成功,而神舟飞船也将就此完成自己的终极使命。

三:神舟飞船的继承者

由于飞船与航天飞机的路线之争,世界各国的载人飞船发展其实普遍存在断档和停滞的现象。神舟系列飞船使中国幸运地完成了补课任务,在窗口期内最大程度的弥补了与美俄等国的技术差距。

但神舟的基础设计毕竟源于联盟号系列,在今天已经无法满足新的太空运输需求。因此,完全抛弃神舟的基础设计,开发全新的载人飞船势在必行。

神舟飞船的继承者,就是在 2020 年 5 月 5 日搭载长征五号系列火箭进行了原型机首次无人飞行试验的新一代载人飞船。它能满足以下几个神舟无法做到的关键要求:


新一代载人飞船试验船于 2020 年 5 月 5 日 18 时从中国文昌航天发射场发射升空,在轨飞行 2 天 19 小时丨来源:中新网

1:超越近地轨道,搭载航天员迈向月球。

神舟飞船的设计是针对近地轨道任务设计的,无论是单独飞行还是与空间站对接,高度通常在 200~400 公里,飞行速度小于第一宇宙速度(7.9 公里/秒)。这意味着神舟飞船在重返大气层的时候,进入大气层的速度也是低于第一宇宙速度的。


正在进行零高度逃逸救生飞行试验的神舟飞船,外侧是即将合拢的整流罩丨来源:《载人航天器技术》

当飞船进行了更远的飞行,比如载人登月、甚至是载人登陆火星或者其它小行星的任务时,它必须突破第二宇宙速度(11.2 公里/秒)。飞船必须具备以第二宇宙速度再入返回的能力,才能平安着陆,否则会直接在大气层中失控、烧毁。

现有的神舟飞船,无论是外形、结构、还是减速制动设计,都不可能满足以第二宇宙速度再入重返的要求,也不具备在原有基础上改进出这一能力的价值。


钝头式设计成为新一代载人飞船的标配,主要就是为了满足第二宇宙速度再入丨来源:SpaceX

2:强化运输能力。

神舟飞船受限于结构布局、火箭运载能力、结构轻量化能力等方面的局限性,运输能力有限——特别是飞船内部的可用空间很小,搭载 3 名航天员后已经非常拥挤。

在新时期的载人航天任务中,即使是近地轨道任务,这样的运输能力也是无法满足要求的。比如天宫号空间站在人员轮换等特殊情况下,会有 6 名航天员同时在轨,一旦需要紧急撤离,神舟就只能带走一半的航天员。


中国空间站的基本构型 丨来源:《我国空间站工程总体构想》

无论是要一次能撤下更多的人员,还是携带航天员进行更久、更远的深空飞行,又或者携带更多的货物返回地面,都需要飞船拥有强得多的运输能力。而在长征五号重型火箭服役以后,中国已经可以研制新的大直径重型飞船。

根据《新一代多用途载人飞船概念研究》等公开资料的披露,新型载人飞船相比于神舟,返回舱的规模至少增大一倍以上,自主飞行时间不少于 21 天,和空间站对接后的可用停靠时间不少于两年。

3:用模块化设计降低使用成本。

在未来的载人航天中,降低成本是极为重要的需求,没有省钱的飞船和火箭,大规模的载人应用就不可能实现。按照目前的公开资料,国内新一代载人飞船降低成本的主要措施有两个:一船多用、重复使用。

新载人飞船取消了神舟飞船的轨道舱,从三舱设计变为两舱,只保留返回舱和推进舱(公开报道也称之为服务舱),有基本型和增强型两种不同的构型,分别重 14、20 吨左右。两者的返回舱是完全相同的,区别只在于推进舱的配置。


在新一代载人飞船试验船上就能看出返回舱与推进舱两舱构型丨来源:中新网

14 吨的基本型,用于近地轨道飞行,在不需要重返地表的情况下,也足够用于搭载太空车、探测器等设备进行深空探测,用于小行星和火星任务。20 吨的增强型,目前最明确的任务需求就是支持载人登月。


中国新一代载人飞船丨来源:《新一代多用途载人飞船概念研究》

在可重复使用的设计上,新载人飞船目前采用的思路主要是通过各种强化和缓冲结构降低着陆瞬间的冲击损伤,同时支持在海上或者陆地进行回收。

在新一代载人飞船上,中国将完成航天技术对美俄等国的关键性追赶。

美俄中等国的设计最终呈现出强烈的趋同倾向,因为大家的任务形式本质上都非常接近,在现有的技术能力下,钝头外形、两舱式结构布局等设计就是绕不开的最优解。

在可见的未来,新一代载人飞船将继承神舟飞船的太空旅程,作为中国载人航天事业的主力,在人类探索太空的历史上留下自己的印迹。

参考文献:

[1] 何宇, 贾世锦, 石泳, 邵立民, & 高旭. (2014). 载人飞船型谱发展研究.

中国科学:技术科学.

[2] 杨雷, 张柏楠, 郭斌, 左光, 石泳, & 黄震. (2015). 新一代多用途载人飞船概念研究.

航空学报.

[3] 戚发轫. (2003). 载人航天器技术.

国防工业出版社.

[4] 蒋兴伟. (2013). 神舟三号、神舟四号遥感应用图集.

海洋出版社.

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