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我国新一代载人飞船及其研制进展(载人飞船系统总设计师张柏楠综述)

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中国空间技术研究院张柏楠、杨庆等在《科学通报》发表了题为“我国新一代载人飞船及其研制进展”的综述文章,介绍了我国新一代载人飞船的研制需求、初步方案、技术特点、研制进展、后续研制工作及需要解决的科学技术问题。

自1961年苏联东方号宇宙飞船第一次将人类送入太空以来,经过半个多世纪的发展,人类已经基本掌握了近地空间的长期生存技术。载人航天后续发展将主要有两大方向:一是拓展在轨服务、科学研究等应用,体现载人航天的应用价值;二是瞄准更远的目的地,拓展人类太空生存空间。

载人天地往返运输能力是体现一个国家自由进出空间的水平,是衡量一个国家载人航天能力的标志。目前,世界上已经过多次载人飞行、技术状态已成熟的天地往返载人航天器只有俄罗斯的联盟飞船和中国的神舟飞船。自2011年美国航天飞机退役以后,国际载人天地往返运输领域进入了更新换代的高潮时期,美俄等国都在加紧研制新一代载人飞船,美国在近年成功开展了载人龙飞船两次载人飞行试验。我国根据载人航天后续发展需求,立足我国国情,也开展了新一代载人飞船研制,并开展了相关飞行试验及先期技术验证。

我国新一代载人飞船的研制需求

我国的神舟飞船在高可靠、高安全的设计思想指导下,成功经过12次飞行,先后将12名(17人次)航天员顺利送入太空并安全返回,已发展成为标准的载人天地往返运输飞行器,并服务于我国载人空间站建造任务。在当前背景下,我国还需研制新一代载人飞船,主要有以下几个方面需求:


  1. 开展载人登月等载人深空探测任务的需要;

  2. 提升我国空间站运营效能的需要;

  3. 降低天地往返运输成本的需要;

  4. 天地往返运输技术持续发展的需要。


初步方案


我国新一代载人飞船初步构型设想

新一代载人飞船将配置结构机构、姿轨控、回收着陆、能源、信息管理、载人环境控制等功能,初步方案如下:


  • 返回舱构型为全新的钝头体,相比神舟飞船返回舱,新一代载人飞船返回舱具有更大的升阻比。

  • 返回舱推进系统使用单组元无毒推进剂,相比神舟飞船返回舱使用的有毒单组元无水肼推进剂,消除了危险源,提高了航天员安全性,并有利于实现推进系统重复使用。

  • 利用群伞进行减速回收,以适应新一代载人飞船返回舱重量规模相比神舟飞船返回舱大幅提升的回收任务需求。

  • 安装高承载太阳电池翼以实现阳照区发电,使用比神舟飞船更高的高发电效率电池片技术;配备高比能量的电池,实现阴影区储能和供电。

  • 考虑采用时间触发以太网(TTE)进行数据传输,配置通用高性能计算机完成高速计算任务,采集执行设备按照模块化设计,实现整船数据管理和功能高可靠、高效率融合。

  • 应用相变传热、热管、高性能涂层等最新热控技术,实现热量综合利用,优化热控系统方案。

  • 应用固定式智能交互、便携式人机交互等先进技术,为航天员提供智能、友好的人机交互环境

  • 基于虚拟仿真技术(VR)开展舱内空间视觉环境设计以及个人卫生、就餐、工作和存储等设计,按照智能家居理念开展照明、娱乐、通讯和通风等智能控制设计,提供界面友好、舒适便捷的人居环境


主要技术特点

新一代载人飞船具有以下技术特点:

(1) 通过模块化设计,以适应多任务需求。

(2) 按照重复使用设计,降低研制及运营成本。

(3) 融入宜居环境设计理念,提高乘员舒适度。

(4) 集成了众多先进技术,可全面提升飞船整体性能

研制进展

根据新一代载人飞船初步方案,研究者充分利用我国新型火箭首飞机会,策划并组织开展了两次搭载飞行试验,对新一代载人飞船高速载入返回相关关键技术进行验证,为新一代载人飞船研制奠定了基础:


  • 缩比返回舱飞行试验。为获取返回舱新外形的气动特性参数,验证新一代载人飞船返回舱气动构型设计与验证关键技术,利用长征七号运载火箭首飞机会,研制了缩比返回舱,开展了搭载飞行试验。

  • 新一代载人飞船试验船飞行试验。在确定返回舱新气动外形后,为验证新一代载人飞船高速再入返回防热、控制和群伞回收相关关键技术,利用长征五号运载火箭首飞机会,研制了新一代载人飞船试验船,开展了搭载飞行试验。



新一代载人飞船试验船在轨飞行轨道示意图

后续工作

新一代载人飞船后续工作主要为:


  1. 开展方案深化论证与详细设计,支撑形成功能完备的总体方案;

  2. 围绕提升飞行器设计管理水平,开展一体化设计、基于模型的系统工程方法(MBSE)应用等研究;

  3. 根据型号工程研制要求,解决相关科学技术问题。


前期虽然通过技术攻关及飞行试验,突破了制约工程研制的高速载入返回相关关键技术,但随着方案研究的逐步深入,相关科学技术问题仍需进一步开展研究,主要包括以下方面:


  1. 结构轻量化设计与分析研究;

  2. 可重复使用技术体系研究;

  3. 防热材料烧蚀机理研究;

  4. 返回舱气动力热特性研究;

  5. 高速载入返回技术研究;

  6. 着陆及着水过程力学载荷特性分析研究。


新一代载人飞船是瞄准我国载人航天后续发展而论证的新一代天地往返运输系统。通过缩比返回舱和新一代载人飞船试验船两次飞行试验,突破了新一代载人飞船的相关关键技术,为新一代载人飞船研制奠定了坚实基础。后续将根据任务需求,尽快完善和研制新一代载人飞船,推动我国的载人航天技术水平全面提升。

END

原文信息

张柏楠, 杨庆, 杨雷, 马晓兵, 黄震. 我国新一代载人飞船及其研制进展. 科学通报66(32), 4065-4073 (2021), https://doi.org/10.1360/TB-2021-0228(“阅读原文”直达)

转载、投稿请联系

csb@scichina.org

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