舟山載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)研究

1新能源讓新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展隨著“龍舟”號(hào)10項(xiàng)飛行任務(wù)的圓滿成功，中國(guó)第一艘“龍舟”號(hào)載人宇宙飛船已經(jīng)克服了許多載人航天技術(shù)，如天地往返、飛機(jī)登陸活動(dòng)和聯(lián)合軌道。此外，“龍舟”號(hào)的航天船型以三艘船的結(jié)構(gòu)為基本型，逐步補(bǔ)充和完善了功能，形成了三艘天地往返乘船、飛機(jī)登陸活動(dòng)乘船和雙捕獲劃船的譜系。我國(guó)載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略已實(shí)施到第三步,即“建造長(zhǎng)期有人的大型空間站”.隨著空間站的逐步建設(shè),空間站之后我國(guó)未來載人航天如何發(fā)展的新問題也隨之浮出水面.目前美國(guó)、俄羅斯等航天大國(guó)也在為未來載人航天發(fā)展方向爭(zhēng)論不休,盡管整體任務(wù)目標(biāo)尚無定論,但美俄等國(guó)已認(rèn)識(shí)到一點(diǎn),那就是無論今后任務(wù)目標(biāo)如何確定,新型的載人飛船都是必需的,因此他們已加快了新型載人飛船的研制,并且取得了實(shí)質(zhì)進(jìn)展,預(yù)計(jì)3~5年將實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用.2國(guó)外載人宇宙飛船的發(fā)展2.1聯(lián)盟飛行控制指標(biāo)與方案蘇聯(lián)/俄羅斯聯(lián)盟號(hào)系列飛船(Soyuz)作為世界上最早且至今仍在有效運(yùn)營(yíng)的載人飛船,是載人飛船型譜化的成功典范.自1966年首次設(shè)計(jì)完成以來,經(jīng)過T,TM,TMA,TMA-M等數(shù)次升級(jí)和更改,其核心的三艙設(shè)計(jì)始終保持不變,并基于這種設(shè)計(jì)衍生出了進(jìn)步號(hào)無人貨運(yùn)飛船系列(Progress).從船尾起,聯(lián)盟號(hào)飛船的三艙依次是:非密封的推進(jìn)艙,為飛船的服務(wù)艙;密封的返回艙,承載航天員并作為飛船的指揮中心;軌道艙,包括居住設(shè)施、存物間、艙外活動(dòng)的通道、兩船間的轉(zhuǎn)移艙段.1966~1970年,以載人登月任務(wù)為導(dǎo)向,通過17次飛行試驗(yàn),驗(yàn)證了第一代聯(lián)盟飛船交會(huì)對(duì)接及艙外轉(zhuǎn)移的能力,三艙構(gòu)型設(shè)計(jì)基本定型,累計(jì)在軌飛行超過71天,是聯(lián)盟系列載人飛船的先驅(qū).1971~1981年,聯(lián)盟號(hào)載人飛船發(fā)展出第二代型譜,承擔(dān)地面至禮炮號(hào)空間站(Salyut)的天地往返運(yùn)輸任務(wù).該系列聯(lián)盟號(hào)載人飛船具備主動(dòng)探測(cè)設(shè)備與目標(biāo)的被動(dòng)靶標(biāo)配合,交會(huì)系統(tǒng)移至飛船前端;航天員可以打開艙門,通過內(nèi)部對(duì)接通道進(jìn)入空間站;對(duì)接期間的消耗品和生命保障用品由空間站提供,使得生命保障系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化.共有33艘第二代聯(lián)盟飛船執(zhí)行了載人和無人的禮炮號(hào)空間站的運(yùn)輸任務(wù)和單獨(dú)的飛行任務(wù),累計(jì)飛行超過1176天.自1979年起,為滿足第二代禮炮空間站的運(yùn)輸需要,聯(lián)盟飛船發(fā)展出了T系列型譜,擴(kuò)展了太陽(yáng)電池翼,可以支持3人乘組更長(zhǎng)時(shí)間的飛行,新增返回艙窗口外層玻璃,能夠在再入后拋掉,提供更加清晰的視野.提升了飛行控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,增加了航天員的控制面板.推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了重大改進(jìn),將小推力姿態(tài)控制推進(jìn)器完全與主推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合,推進(jìn)劑由渦輪泵供給改為壓力供給.該系列飛船具備以自動(dòng)和手動(dòng)方式向空間站往返運(yùn)送航天員的能力,具備無困難關(guān)機(jī)和在線恢復(fù)能力,能夠擔(dān)當(dāng)營(yíng)救和回收任務(wù),并可運(yùn)送航天員往返于兩個(gè)空間站之間.聯(lián)盟T系列飛船共發(fā)射21艘,累計(jì)飛行時(shí)間超過1195天.從1986年開始,隨著和平號(hào)空間站(Mir)的發(fā)射,聯(lián)盟飛船進(jìn)一步改進(jìn)為TM系列.與T系列相比,其交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)采用新型Kurs系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的Igla系統(tǒng),采用了新的慣性控制系統(tǒng),配備了高精度的角速度和加速度傳感器;軌道艙增加了舷窗便于直觀的觀察對(duì)接過程,飛船的傘艙系統(tǒng)得到顯著改進(jìn),總質(zhì)量減小140kg,增大了返回艙可用空間,座椅更加舒適.推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了較大改進(jìn),貯箱內(nèi)采用了金屬隔膜取代有機(jī)物隔膜.聯(lián)盟TM系列飛船共執(zhí)行34次飛行任務(wù),累計(jì)飛行5500余天,為和平號(hào)空間站和國(guó)際空間站(ISS)初期運(yùn)營(yíng)提供了重要支持.2002年10月首飛的聯(lián)盟TMA系列飛船對(duì)座椅、緩沖裝置、著陸發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表進(jìn)行了改進(jìn),擴(kuò)大了著陸緩沖系統(tǒng)對(duì)不同質(zhì)量特性的適應(yīng)性,拓寬了對(duì)航天員身高體重的適應(yīng)范圍.2010年10月首飛的聯(lián)盟TMA-M系列是聯(lián)盟飛船的最新版本,采用了更先進(jìn)的電子設(shè)備,改進(jìn)了溫控、GNC和在軌測(cè)量系統(tǒng),飛船平臺(tái)進(jìn)一步減重70kg.除以上4次升級(jí)換代,聯(lián)盟飛船還根據(jù)特定的任務(wù)需求衍生出一些具有特殊功能的型譜,比如聯(lián)盟4號(hào)和5號(hào)軌道艙設(shè)計(jì)為具有泄復(fù)壓功能的氣閘艙,在對(duì)接后,航天員能夠從聯(lián)盟5號(hào)出艙,通過出艙行走進(jìn)入聯(lián)盟4號(hào);聯(lián)盟13號(hào)和22號(hào)在飛船前端分別安裝了紫外相機(jī)和多光譜相機(jī),取代對(duì)接機(jī)構(gòu),用來執(zhí)行觀測(cè)任務(wù).此外,早期的聯(lián)盟飛船經(jīng)改裝還多次執(zhí)行了軍用任務(wù).綜上所述,聯(lián)盟系列飛船自1966年首次設(shè)計(jì)完成以來,三艙構(gòu)型的基本設(shè)計(jì)始終保持穩(wěn)定,歷經(jīng)聯(lián)盟T,TM,TMA,TMA-M四次升級(jí)換代,衍生出貨運(yùn)飛船等多種適應(yīng)不同任務(wù)需求的型譜,可以滿足執(zhí)行載人和運(yùn)貨、軍用和民用、近地軌道飛行和探月飛行、獨(dú)立飛行和作為往返運(yùn)輸飛船為空間站提供補(bǔ)給等多用途使用需求.自1971年至今40多年連續(xù)安全飛行超過100次,充分證明了其設(shè)計(jì)可靠性和安全性.2.2對(duì)接環(huán)的運(yùn)輸由聯(lián)盟號(hào)載人飛船改造而成的進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船是另一個(gè)重要的型譜分支.在聯(lián)盟飛船基礎(chǔ)上,進(jìn)步號(hào)將軌道艙改裝為運(yùn)送固體貨物以及丟棄廢棄物品的貨物艙;返回艙改裝為非密封的燃料補(bǔ)給艙,艙內(nèi)容器中裝載燃料和氧化劑,通過貨物艙外管路連接到飛船前端對(duì)接環(huán),在對(duì)接后運(yùn)輸至空間站貯箱;推進(jìn)艙與聯(lián)盟號(hào)相比基本一致.第一代進(jìn)步號(hào)飛船(進(jìn)步1號(hào)~42號(hào))采用化學(xué)電池作為獨(dú)立電源,不配置太陽(yáng)電池翼.為滿足和平號(hào)空間貨運(yùn)能力,第二代進(jìn)步M號(hào)飛船隨聯(lián)盟T和TM系列同步改進(jìn),通過增加太陽(yáng)電池翼使自主飛行時(shí)間增加到30天,改進(jìn)了Kurs交會(huì)對(duì)接系統(tǒng),主發(fā)動(dòng)機(jī)配置也與聯(lián)盟TM號(hào)相同.進(jìn)步M號(hào)第9次飛行時(shí),安裝了一個(gè)彈道式回收艙,具備返回150kg下行固體載荷能力.用于國(guó)際空間站的M1系列進(jìn)步號(hào)飛船增加了4個(gè)貯箱,可以攜帶更多推進(jìn)劑.自1978年起,進(jìn)步號(hào)通過運(yùn)送固體貨物、氣體和液體、協(xié)助拋棄不需要的設(shè)備和垃圾,維持了4個(gè)空間站的運(yùn)行,并支持了多次艙外活動(dòng)和單獨(dú)的實(shí)驗(yàn).2.3新的體制下的新入運(yùn)輸器與聯(lián)盟號(hào)飛船同期,同樣是在載人登月計(jì)劃的牽引下,美國(guó)開發(fā)了指令艙-服務(wù)艙-登月艙三艙構(gòu)型的阿波羅系列載人飛船(Apollo),首次實(shí)現(xiàn)了載人登月,至阿波羅17號(hào)共完成了6次完整的載人登月飛行.在阿波羅計(jì)劃結(jié)束后,由指令艙和服務(wù)艙組成的兩艙構(gòu)型阿波羅飛船還進(jìn)行了3次與天空實(shí)驗(yàn)室(Skylab)的對(duì)接以及1次與聯(lián)盟號(hào)飛船的對(duì)接.隨后,航天飛機(jī)取代阿波羅飛船成為了新的天地往返運(yùn)輸器.2011年航天飛機(jī)退役后,美國(guó)啟動(dòng)了多個(gè)商用載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的項(xiàng)目.2.4未來發(fā)展目標(biāo)從國(guó)外載人飛船型譜發(fā)展可以得到如下啟示.1)聯(lián)盟號(hào)飛船歷經(jīng)40多年,始終堅(jiān)持軌道艙-返回艙-推進(jìn)艙的設(shè)計(jì)架構(gòu),通過不斷的完善和拓展實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代,衍生出多種適應(yīng)不同任務(wù)需求的型譜系列,具有良好的延續(xù)性,可靠性不斷積累,至今仍在有效運(yùn)營(yíng).2)美國(guó)載人飛船發(fā)展階段性特點(diǎn)明顯,阿波羅飛船在太空競(jìng)賽后被航天飛機(jī)取代,航天飛機(jī)也將被新一代飛船取代,并未實(shí)現(xiàn)型譜化,繼承性不足.3)從我國(guó)國(guó)情出發(fā),我國(guó)載人飛船的發(fā)展應(yīng)該堅(jiān)持型譜化的發(fā)展思路,以“神舟”系列載人飛船為藍(lán)本不斷完善和拓展,以適應(yīng)后續(xù)載人航天任務(wù)需要.3新能源技術(shù)下的新馬后炮點(diǎn)營(yíng)造技術(shù)中國(guó)的載人航天于1992年立項(xiàng),簡(jiǎn)稱“921工程”.在立項(xiàng)之初,結(jié)合當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,并借鑒國(guó)際上的成功經(jīng)驗(yàn),按照循序漸進(jìn)的原則,確定了三步走的發(fā)展戰(zhàn)略.第一步.通過發(fā)射幾艘無人試驗(yàn)飛船和有人飛船,將航天員送入近地軌道并安全返回,建立天地往返運(yùn)輸系統(tǒng).第二步.研制和發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室,建立完整配套的空間站工程大系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的空間應(yīng)用.在本階段要突破出艙活動(dòng)和交會(huì)對(duì)接兩大關(guān)鍵技術(shù).第三步.建造長(zhǎng)期有人的大型空間站.載人飛船按照發(fā)展戰(zhàn)略,根據(jù)不同階段的任務(wù),逐項(xiàng)突破關(guān)鍵技術(shù),并充分利用飛船的資源開展在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及后續(xù)技術(shù)的先期驗(yàn)證,形成神舟飛船的系列型譜.1)在工程的第一步,在主要突破天地往返技術(shù)的前提下,將軌道艙設(shè)計(jì)為具有留軌功能的艙段,開展在軌生物、化學(xué)和對(duì)地觀測(cè)等科學(xué)實(shí)驗(yàn),同時(shí)對(duì)后續(xù)空間實(shí)驗(yàn)室和空間站階段的長(zhǎng)期在軌相關(guān)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證.形成基本型神舟飛船.2)在工程的第二步,將軌道艙取消留軌功能,將軌道艙設(shè)計(jì)為兼具出艙活動(dòng)功能的氣閘艙,對(duì)空間站的出艙活動(dòng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,形成出艙活動(dòng)飛船.3)在工程的第二步,飛船增加交會(huì)對(duì)接功能,取消出艙活動(dòng)功能,具備3人5天的獨(dú)立飛行能力.形成改進(jìn)型標(biāo)準(zhǔn)載人飛船,滿足空間站天地往返運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)營(yíng)需求.后續(xù),在神舟飛船的基礎(chǔ)上,發(fā)展出承載人數(shù)更多、飛行支持能力更長(zhǎng)、可靠性安全性更高、能夠執(zhí)行載人深空探測(cè)任務(wù)的新一代飛船.4任務(wù)任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)中國(guó)載人航天任務(wù)總體規(guī)劃,“神舟”系列飛船以需求為牽引,引入了中國(guó)特色的型譜化設(shè)計(jì)理念.神舟飛船在軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙三艙基本構(gòu)型基礎(chǔ)上,通過更換整艙或子系統(tǒng),滿足不同的航天飛行任務(wù)需求,建立了執(zhí)行載人飛行任務(wù)、出艙活動(dòng)任務(wù)和天地往返運(yùn)輸任務(wù)共3個(gè)系列型譜,實(shí)現(xiàn)了“一船多型”和“一船多用”.目前,“神舟”系列飛船已完成10次太空飛行任務(wù),各次任務(wù)均取得了圓滿成功,任務(wù)實(shí)施概況見表1.4.1飛行任務(wù)的完成及驗(yàn)證神舟一號(hào)至六號(hào)飛船主要面向載人空間飛行任務(wù),實(shí)現(xiàn)航天員準(zhǔn)確進(jìn)入軌道,穩(wěn)定舒適在軌運(yùn)行和開展空間活動(dòng),安全健康返回地面.該系列載人飛船以建立三艙構(gòu)型的基本型載人飛船為出發(fā)點(diǎn).軌道艙作為生活艙,配備了航天員在軌工作和生活所需要的食品、飲水、衛(wèi)生用品等.返回艙是飛船發(fā)射和返回過程中航天員所乘座的艙段,也是飛船的控制中心.推進(jìn)艙安裝推進(jìn)系統(tǒng)、電源、氣瓶等設(shè)備,為飛船提供電力,進(jìn)行姿態(tài)軌道控制.為充分利用飛行試驗(yàn)機(jī)會(huì),在軌道艙增加高精度對(duì)地觀測(cè)相機(jī),兼顧對(duì)地觀測(cè)功能和留軌試驗(yàn)功能,在神舟六號(hào)飛行任務(wù)中實(shí)現(xiàn)了多人多天在軌飛行、高精度對(duì)地觀測(cè)和軌道艙長(zhǎng)期留軌運(yùn)行,驗(yàn)證了低軌長(zhǎng)壽命相關(guān)技術(shù)和航天器長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)管理技術(shù).神舟一號(hào)至六號(hào)飛船任務(wù)的成功實(shí)施,確立了三艙構(gòu)型的8t級(jí)神舟載人飛船基本型,為后續(xù)載人飛船型譜化拓展設(shè)計(jì)建立了良好的基礎(chǔ)(圖1).4.2新技術(shù)的開發(fā)神舟七號(hào)飛船軌道艙增加氣閘艙功能,實(shí)現(xiàn)了3人滿載空間飛行,并突破了出艙活動(dòng)技術(shù),驗(yàn)證了天基通信技術(shù),釋放了科學(xué)實(shí)驗(yàn)微小衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)了“神舟”系列載人飛船“一船多型”和“一船多用”的技術(shù)跨越,開發(fā)了以泄復(fù)壓系統(tǒng)、艙外服支持系統(tǒng)為代表的一大批新技術(shù),積累的工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果可應(yīng)用于我國(guó)空間站研制(圖2).4.3行人體制下的會(huì)交互作用神舟八號(hào)至神舟十號(hào)飛船在載人飛船基本型基礎(chǔ)上,增加了交會(huì)對(duì)接功能,形成了改進(jìn)型標(biāo)準(zhǔn)載人飛船(圖3).改進(jìn)型標(biāo)準(zhǔn)載人飛船通過在軌道艙配置對(duì)接機(jī)構(gòu)、交會(huì)測(cè)量敏感器和貨物運(yùn)輸功能,在返回艙增加手控交會(huì)控制功能,在推進(jìn)艙增加平移發(fā)動(dòng)機(jī),使載人飛船具備了與目標(biāo)飛行器交會(huì)對(duì)接和天地往返運(yùn)輸?shù)哪芰?神舟八號(hào)、神舟九號(hào)和神舟十號(hào)完成了與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器3次交會(huì)對(duì)接任務(wù),標(biāo)志著改進(jìn)型標(biāo)準(zhǔn)載人飛船與運(yùn)載火箭等系統(tǒng)已形成了功能完備的載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng),為我國(guó)近地軌道空間站的建造和運(yùn)營(yíng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).5未來載人宇宙飛船的發(fā)展方向5.1未來5年新型行人重飛行能力近年來,美俄等國(guó)雖然在載人登月、載人深空探測(cè)等任務(wù)目標(biāo)上舉棋不定,但均認(rèn)識(shí)到無論任務(wù)目標(biāo)選擇何處,都需要盡快研制新一代載人飛船,因此美俄等國(guó)均在大力開展新一代多用途飛船的研制工作,并已取得相當(dāng)進(jìn)展,預(yù)計(jì)未來3~5年將具備應(yīng)用飛行能力(表2).從國(guó)外在研新型載人飛船的發(fā)展趨勢(shì)來看,一方面大大提高了載人飛船的性能,乘員人數(shù)集中在6人左右,飛行時(shí)間1周至2年不等;另一方面大多數(shù)采用傳統(tǒng)的火箭發(fā)射和降落傘回收模式,返回艙選用鈍頭體外形,目的是技術(shù)成熟、更安全可靠.另外政府主導(dǎo)的項(xiàng)目以兼顧深空探索的多用途為主,目的是引領(lǐng)技術(shù),而商業(yè)背景計(jì)劃(天龍、CST-100、追夢(mèng)者均為NASA支持的商業(yè)開發(fā)項(xiàng)目)全部是服務(wù)于低軌運(yùn)輸任務(wù),目的是降低技術(shù)和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn).未來載人天地往返運(yùn)輸技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵因素和指標(biāo)是安全風(fēng)險(xiǎn)和成本,競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)是部分重復(fù)使用技術(shù).5.2新一代行人重復(fù)使用技術(shù)方案我國(guó)現(xiàn)有的3種載人飛船型譜均以執(zhí)行近地軌道任務(wù)為目標(biāo),不能適應(yīng)載人登月、載人登小行星等深空探測(cè)任務(wù),特別是不具備第二宇宙速度返回能力.隨著載人航天技術(shù)的快速發(fā)展,也使得載人登月與建立月球基地、火星、小行星等載人深空探測(cè)任務(wù)成為可能,對(duì)新一代載人飛船的需求也非常迫切.另外,未來幾年我國(guó)空間站建成后將開展大量空間應(yīng)用試驗(yàn),也需要建立具備更強(qiáng)人員往返運(yùn)輸能力和載荷下行能力的天地往返運(yùn)輸飛船,進(jìn)一步擴(kuò)展空間站的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍,增加空間站運(yùn)營(yíng)管理的靈活性和適應(yīng)性.參考國(guó)外的發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合我國(guó)航天技術(shù)基礎(chǔ),新一代載人飛船型譜研制應(yīng)著重考慮以下方向.1)適應(yīng)多任務(wù).既可執(zhí)行載人登月、載人登小行星等深空探索任務(wù),引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展,又要兼顧近地軌道空間站運(yùn)輸任務(wù),特別是提高空間站任務(wù)的下行能力.2)需大幅提高載人飛船的運(yùn)輸性能.乘員人數(shù)應(yīng)當(dāng)在3~7人,可支持2~3年的停靠飛行,具