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航天科技:三舱变两舱 3000℃高温烧不坏 变轨全部自主完成

文章来源:中国航天科技集团有限公司  发布时间:2020-05-19

从5月5日长征五号B运载火箭首飞成功,到5月8日新一代载人飞船试验船的返回舱安全返回,3天时间,这项大型宇航任务的成功引发了广泛关注。

5月8日晚,央视《焦点访谈》节目聚焦中国航天科技集团有限公司抓总研制的长征五号B运载火箭和新一代载人飞船试验船,报道此次“新箭”发“新船”的重要意义。

从神舟飞船到新一代载人飞船 为何三舱变两舱

新一代载人飞船的目标是成为同时满足我国近地空间站运营、载人月球探测等任务的新一代天地往返运输飞行器。新一代载人飞船试验船的舱段组成方案根据任务需要进行了调整。以前神舟飞船是三舱方案,由提供动力的推进舱、航天员往返太空时乘坐的返回舱和飞船进入轨道后航天员工作和生活的轨道舱组成。

而新一代载人飞船试验船是两舱方案,由返回舱和服务舱两部分组成。

为什么会有这样的改变?航天科技五院新一代载人飞船试验船项目负责人张柏楠:以前的货运飞船叫“单程货车”,只能往上送货,像以前(神舟飞船)三舱构型只有返回舱能回来,轨道舱回不来,推进舱回不来,白白损失了两个舱。而且返回舱小,好多仪器设备没法装进去。这次船上系统设备很多都是装在返回舱里,跟以前不太一样,以前是分散的,轨道舱有,推进舱也有。

空间更大

两舱的设计让返回舱密封舱空间比神舟飞船大了1倍,返回舱大了,意味着飞船可以有更多功能上的可能性,可以搭载更多的航天员,也能运输更多的货物。新一代载人飞船在执行近地轨道任务时可以一次运送6到7名航天员,超过神舟飞船承载能力的一倍。还可以根据任务需求,从“太空巴士”变为“太空货车”,给空间站运送大量的补给物资,并把宝贵的试验样品带回地面进一步研究。航天科技集团五院新一代载人飞船试验船技术负责人杨雷说:尺寸变大以后,相当于一个C级车了,可以做成五座,可以做成七座。五座的时候装的东西多,七座的时候载人多。

效益更高

让返回舱实现载人、运货等多种功能,目的就是在提高可靠性的前提下,节约成本,关键是飞船返回舱可重复使用。此前,飞船的返回舱都是一次使用,这样成本大,经济效益难以提升。航天科技五院新一代载人飞船试验船结构设计师黄文宣:以往成功飞行的神舟系列飞船,都只能使用一次。当飞船返回以后,仅能用它来进行展览和开展相关科学技术研究,限制了我国大规模开发、探索太空的效益。

接近3000摄氏度的高温返回舱能抗住吗

为了兼顾返回舱可重复使用及新飞船未来载人登月的需要,防热结构在具备可拆卸功能的同时,更需要提升其防热能力。飞船在返回时,会与大气层剧烈摩擦,产生超高的热量,速度越快,产生的热量越大。神舟飞船从近地轨道返回时以第一宇宙速度,也就是每秒7.9公里再入。

而新一代载人飞船如果从月球或更远的深空返回时,再入速度将达到第二宇宙速度,也就是每秒11到12公里,将面临比神舟飞船更高的热流,返回舱表面温度将接近3000摄氏度,其承受高温的时间也更长。

要抵挡住这样的高温,让返回舱安然无恙地回来,并且能再次使用,这就需要性能超强的防热材料。按照设计,防热结构就相当于是返回舱的“外衣”,它们在高温下分解、熔化、升华带走大量热量,阻止热量传递到飞船内部。

航天科技集团五院新一代载人飞船试验船防热结构主管工艺师张鹏飞:我们前期做的时候做了好多材料体系,密度很轻的,比如说只有水的密度三十分之一的材料,它的性能非常好,但是它的强度太弱了,不能抵御(压力),风一吹它就跑了。我们也做过强度很高的,密度也很高的,但是它隔热性能不行。

经过艰难攻关,科研团队终于找到了合适的材料。返回舱执行完任务后,只需更换轻质防热结构,经过规范严格的检测,就可以再次执行载人航天飞行任务。这标志着我国掌握了相关的可重复使用技术,让未来天地往返运输的成本降低。

黄文宣表示,可以把这个防热结构形象地比喻为一个外套,我们下一次再出门的时候,“里衣”是可以不用更换的,只换一件“外套”就可以出门了,它也是一个崭新的飞船。

2具减速伞+3个降落伞打开时缠在一起怎么办

这一次试验船的返回舱比神舟飞船返回舱重一倍以上,这就需要降落伞有更大的减速面积,确保它能够安全着陆,这也是飞船回收着陆系统的主要任务。

航天科技集团五院508所回收着陆技术专家贾贺:神舟飞船的降落伞是目前世界上最大的单伞,面积达到1200平米,如果我们在这个基础上再增加的话,首先制造的场地和设备周期包括验证技术的难度都非常大,并且它的可靠性也会降低。

经过评估,科研人员选择用3个降落伞组成群伞来解决这个难题,然而群伞的难度也更大了。最主要的技术难点是互相干扰的问题,尤其对飞船返回舱,因为它是高速开伞,安装的体积很局限。

在这次,返回舱进入大气层,到达指定高度后,2具减速伞和3个主伞依次打开,成功将返回舱的速度从“飞机飞行速度”降为“汽车市区行驶速度”。

为了实现重复使用,着陆方式也有新的突破,采用无损着陆,将以往使用的缓冲发动机换成了着陆气囊。

航天科技五院508所回收着陆领域总工程师黄伟:新一代飞船以后有可能是作为陆上着陆,也有可能是海上着陆,不同的地形用缓冲气囊,适应能力更强一些。比如落水的话,缓冲气囊本身还起到漂浮的作用。

大型群伞技术和大载重气囊缓冲系统填补了这一领域的国内空白。

新飞船研制完成仅用了短短3年

在本次试验中,试验船还进行了7次变轨,从距离地面几百公里的小椭圆轨道,一路提升到距离地面几千公里的大椭圆轨道。并且,此次试验船飞行中的所有变轨,都是由飞船自主完成的。

航天科技五院502所科技委主任解永春:它(飞船)自己完全都是知道的,知道现在是什么样的一个姿态,朝向是什么样的。

本次新飞船的试验船较之神舟系列飞船,技术水平和运输能力有了很大提升,但所用时间其实并不长,从2017年到2019年,在短短3年时间就完成了新飞船试验船的研制工作。

张柏楠:研制神舟飞船的时候,咱们国家的技术基础相对比较薄弱,我们总共10多项技术攻关,基本上得从零开始。那时候挺难的,什么事都得自己(从头)弄。现在是全自主,材料性能比以前好得多,而且基本上你提出想要什么样的材料,很快就能给你什么样的材料,感觉上攻关似乎不像上次那么难。这么多年咱们国家,创新的成果和强大的工业基础,使我们能实现这个目标。

这次试验船的使命是验证新一代载人飞船的多项关键技术,对它带回来的数据结果,接下来,科研人员还要进行大量整理分析。另外,载人飞船由多个系统组成,这次任务测试了部分系统和项目,未来还要继续进行更多的测试验证,在试验基础上不断优化完善,直到正式生产。

面对VIP乘客新座驾长五B火箭运载能力怎么样

作为我国目前发射过的最大、最重的航天器,要把它送上天,就需要运载能力更强的火箭。所以我们看到新一代载人飞船试验船搭乘的工具也是新的,这次任务也是长征五号B运载火箭的首飞。

长征五号B运载火箭以长征五号运载火箭为基础改进研制而成,主要承担着我国空间站舱段等重大航天发射任务,近地轨道运载能力大于22吨,是目前我国近地轨道运载能力最大的火箭。

航天科技一院长征五号B运载火箭副主任设计师刘秉:大型的通信卫星和火星探测器、月球探测器等深空探测的任务,需要用长征五号来完成,长征五号B运载火箭主要执行近地轨道发射任务,例如近地轨道运行的空间站舱段等发射。它们从任务上有一定的区别。

我国载人航天工程统共分三步新箭送新船是第三步任务的起步

此次飞行任务,对于实现我国载人航天工程“三步走”具有非常重要的意义。1992年9月21日,中共中央政治局常委会批准我国载人航天工程按“三步走”发展战略实施。

第一步,发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验;

第二步,突破航天员出舱活动技术、空间飞行器交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;

第三步,建造空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

长征五号B运载火箭首飞,拉开了我国载人航天工程“第三步”任务序幕,验证了火箭方案的正确性,考核了火箭的功能性能,为我国空间站在轨建造任务奠定了重要基础。

按规划,我国将相继发射空间站核心舱和实验舱,并发射多艘载人飞船和货运飞船,在2022年前后完成空间站在轨建造,建成国家太空实验室,展开更大规模的空间科学实验和技术试验。

【责任编辑:龙静怡】

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