舟山載人天地往返運輸系統(tǒng)研究

舟山載人天地往返運輸系統(tǒng)研究

1新能源讓新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展隨著“龍舟”號10項飛行任務(wù)的圓滿成功，中國第一艘“龍舟”號載人宇宙飛船已經(jīng)克服了許多載人航天技術(shù)，如天地往返、飛機登陸活動和聯(lián)合軌道。此外，“龍舟”號的航天船型以三艘船的結(jié)構(gòu)為基本型，逐步補充和完善了功能，形成了三艘天地往返乘船、飛機登陸活動乘船和雙捕獲劃船的譜系。我國載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略已實施到第三步,即“建造長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、俄羅斯等航天大國也在為未來載人航天發(fā)展方向爭論不休,盡管整體任務(wù)目標尚無定論,但美俄等國已認識到一點,那就是無論今后任務(wù)目標如何確定,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,并且取得了實質(zhì)進展,預計3~5年將實現(xiàn)工程應(yīng)用.2國外載人宇宙飛船的發(fā)展2.1聯(lián)盟飛行控制指標與方案蘇聯(lián)/俄羅斯聯(lián)盟號系列飛船(Soyuz)作為世界上最早且至今仍在有效運營的載人飛船,是載人飛船型譜化的成功典范.自1966年首次設(shè)計完成以來,經(jīng)過T,TM,TMA,TMA-M等數(shù)次升級和更改,其核心的三艙設(shè)計始終保持不變,并基于這種設(shè)計衍生出了進步號無人貨運飛船系列(Progress).從船尾起,聯(lián)盟號飛船的三艙依次是:非密封的推進艙,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)為導向,通過17次飛行試驗,驗證了第一代聯(lián)盟飛船交會對接及艙外轉(zhuǎn)移的能力,三艙構(gòu)型設(shè)計基本定型,累計在軌飛行超過71天,是聯(lián)盟系列載人飛船的先驅(qū).1971~1981年,聯(lián)盟號載人飛船發(fā)展出第二代型譜,承擔地面至禮炮號空間站(Salyut)的天地往返運輸任務(wù).該系列聯(lián)盟號載人飛船具備主動探測設(shè)備與目標的被動靶標配合,交會系統(tǒng)移至飛船前端;航天員可以打開艙門,通過內(nèi)部對接通道進入空間站;對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空間站的運輸任務(wù)和單獨的飛行任務(wù),累計飛行超過1176天.自1979年起,為滿足第二代禮炮空間站的運輸需要,聯(lián)盟飛船發(fā)展出了T系列型譜,擴展了太陽電池翼,可以支持3人乘組更長時間的飛行,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)的自動化程度,增加了航天員的控制面板.推進系統(tǒng)進行了重大改進,將小推力姿態(tài)控制推進器完全與主推進系統(tǒng)結(jié)合,推進劑由渦輪泵供給改為壓力供給.該系列飛船具備以自動和手動方式向空間站往返運送航天員的能力,具備無困難關(guān)機和在線恢復能力,能夠擔當營救和回收任務(wù),并可運送航天員往返于兩個空間站之間.聯(lián)盟T系列飛船共發(fā)射21艘,累計飛行時間超過1195天.從1986年開始,隨著和平號空間站(Mir)的發(fā)射,聯(lián)盟飛船進一步改進為TM系列.與T系列相比,其交會對接系統(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接過程,飛船的傘艙系統(tǒng)得到顯著改進,總質(zhì)量減小140kg,增大了返回艙可用空間,座椅更加舒適.推進系統(tǒng)進行了較大改進,貯箱內(nèi)采用了金屬隔膜取代有機物隔膜.聯(lián)盟TM系列飛船共執(zhí)行34次飛行任務(wù),累計飛行5500余天,為和平號空間站和國際空間站(ISS)初期運營提供了重要支持.2002年10月首飛的聯(lián)盟TMA系列飛船對座椅、緩沖裝置、著陸發(fā)動機、儀表進行了改進,擴大了著陸緩沖系統(tǒng)對不同質(zhì)量特性的適應(yīng)性,拓寬了對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,采用了更先進的電子設(shè)備,改進了溫控、GNC和在軌測量系統(tǒng),飛船平臺進一步減重70kg.除以上4次升級換代,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號和5號軌道艙設(shè)計為具有泄復壓功能的氣閘艙,在對接后,航天員能夠從聯(lián)盟5號出艙,通過出艙行走進入聯(lián)盟4號;聯(lián)盟13號和22號在飛船前端分別安裝了紫外相機和多光譜相機,取代對接機構(gòu),用來執(zhí)行觀測任務(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)計完成以來,三艙構(gòu)型的基本設(shè)計始終保持穩(wěn)定,歷經(jīng)聯(lián)盟T,TM,TMA,TMA-M四次升級換代,衍生出貨運飛船等多種適應(yīng)不同任務(wù)需求的型譜,可以滿足執(zhí)行載人和運貨、軍用和民用、近地軌道飛行和探月飛行、獨立飛行和作為往返運輸飛船為空間站提供補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)計可靠性和安全性.2.2對接環(huán)的運輸由聯(lián)盟號載人飛船改造而成的進步號貨運飛船是另一個重要的型譜分支.在聯(lián)盟飛船基礎(chǔ)上,進步號將軌道艙改裝為運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接環(huán),在對接后運輸至空間站貯箱;推進艙與聯(lián)盟號相比基本一致.第一代進步號飛船(進步1號~42號)采用化學電池作為獨立電源,不配置太陽電池翼.為滿足和平號空間貨運能力,第二代進步M號飛船隨聯(lián)盟T和TM系列同步改進,通過增加太陽電池翼使自主飛行時間增加到30天,改進了Kurs交會對接系統(tǒng),主發(fā)動機配置也與聯(lián)盟TM號相同.進步M號第9次飛行時,安裝了一個彈道式回收艙,具備返回150kg下行固體載荷能力.用于國際空間站的M1系列進步號飛船增加了4個貯箱,可以攜帶更多推進劑.自1978年起,進步號通過運送固體貨物、氣體和液體、協(xié)助拋棄不需要的設(shè)備和垃圾,維持了4個空間站的運行,并支持了多次艙外活動和單獨的實驗.2.3新的體制下的新入運輸器與聯(lián)盟號飛船同期,同樣是在載人登月計劃的牽引下,美國開發(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),首次實現(xiàn)了載人登月,至阿波羅17號共完成了6次完整的載人登月飛行.在阿波羅計劃結(jié)束后,由指令艙和服務(wù)艙組成的兩艙構(gòu)型阿波羅飛船還進行了3次與天空實驗室(Skylab)的對接以及1次與聯(lián)盟號飛船的對接.隨后,航天飛機取代阿波羅飛船成為了新的天地往返運輸器.2011年航天飛機退役后,美國啟動了多個商用載人天地往返運輸系統(tǒng)的項目.2.4未來發(fā)展目標從國外載人飛船型譜發(fā)展可以得到如下啟示.1)聯(lián)盟號飛船歷經(jīng)40多年,始終堅持軌道艙-返回艙-推進艙的設(shè)計架構(gòu),通過不斷的完善和拓展實現(xiàn)升級換代,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,至今仍在有效運營.2)美國載人飛船發(fā)展階段性特點明顯,阿波羅飛船在太空競賽后被航天飛機取代,航天飛機也將被新一代飛船取代,并未實現(xiàn)型譜化,繼承性不足.3)從我國國情出發(fā),我國載人飛船的發(fā)展應(yīng)該堅持型譜化的發(fā)展思路,以“神舟”系列載人飛船為藍本不斷完善和拓展,以適應(yīng)后續(xù)載人航天任務(wù)需要.3新能源技術(shù)下的新馬后炮點營造技術(shù)中國的載人航天于1992年立項,簡稱“921工程”.在立項之初,結(jié)合當時的技術(shù)水平,并借鑒國際上的成功經(jīng)驗,按照循序漸進的原則,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,建立天地往返運輸系統(tǒng).第二步.研制和發(fā)射空間實驗室,建立完整配套的空間站工程大系統(tǒng),實現(xiàn)一定規(guī)模的空間應(yīng)用.在本階段要突破出艙活動和交會對接兩大關(guān)鍵技術(shù).第三步.建造長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),逐項突破關(guān)鍵技術(shù),并充分利用飛船的資源開展在軌科學實驗以及后續(xù)技術(shù)的先期驗證,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)計為具有留軌功能的艙段,開展在軌生物、化學和對地觀測等科學實驗,同時對后續(xù)空間實驗室和空間站階段的長期在軌相關(guān)技術(shù)進行驗證.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)計為兼具出艙活動功能的氣閘艙,對空間站的出艙活動相關(guān)技術(shù)進行驗證,形成出艙活動飛船.3)在工程的第二步,飛船增加交會對接功能,取消出艙活動功能,具備3人5天的獨立飛行能力.形成改進型標準載人飛船,滿足空間站天地往返運輸?shù)倪\營需求.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、可靠性安全性更高、能夠執(zhí)行載人深空探測任務(wù)的新一代飛船.4任務(wù)任務(wù)系統(tǒng)根據(jù)中國載人航天任務(wù)總體規(guī)劃,“神舟”系列飛船以需求為牽引,引入了中國特色的型譜化設(shè)計理念.神舟飛船在軌道艙、返回艙和推進艙三艙基本構(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)、出艙活動任務(wù)和天地往返運輸任務(wù)共3個系列型譜,實現(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)實施概況見表1.4.1飛行任務(wù)的完成及驗證神舟一號至六號飛船主要面向載人空間飛行任務(wù),實現(xiàn)航天員準確進入軌道,穩(wěn)定舒適在軌運行和開展空間活動,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.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.推進艙安裝推進系統(tǒng)、電源、氣瓶等設(shè)備,為飛船提供電力,進行姿態(tài)軌道控制.為充分利用飛行試驗機會,在軌道艙增加高精度對地觀測相機,兼顧對地觀測功能和留軌試驗功能,在神舟六號飛行任務(wù)中實現(xiàn)了多人多天在軌飛行、高精度對地觀測和軌道艙長期留軌運行,驗證了低軌長壽命相關(guān)技術(shù)和航天器長期運營管理技術(shù).神舟一號至六號飛船任務(wù)的成功實施,確立了三艙構(gòu)型的8t級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)神舟七號飛船軌道艙增加氣閘艙功能,實現(xiàn)了3人滿載空間飛行,并突破了出艙活動技術(shù),驗證了天基通信技術(shù),釋放了科學實驗微小衛(wèi)星,實現(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)驗和技術(shù)成果可應(yīng)用于我國空間站研制(圖2).4.3行人體制下的會交互作用神舟八號至神舟十號飛船在載人飛船基本型基礎(chǔ)上,增加了交會對接功能,形成了改進型標準載人飛船(圖3).改進型標準載人飛船通過在軌道艙配置對接機構(gòu)、交會測量敏感器和貨物運輸功能,在返回艙增加手控交會控制功能,在推進艙增加平移發(fā)動機,使載人飛船具備了與目標飛行器交會對接和天地往返運輸?shù)哪芰?神舟八號、神舟九號和神舟十號完成了與天宮一號目標飛行器3次交會對接任務(wù),標志著改進型標準載人飛船與運載火箭等系統(tǒng)已形成了功能完備的載人天地往返運輸系統(tǒng),為我國近地軌道空間站的建造和運營奠定了堅實基礎(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,美俄等國雖然在載人登月、載人深空探測等任務(wù)目標上舉棋不定,但均認識到無論任務(wù)目標選擇何處,都需要盡快研制新一代載人飛船,因此美俄等國均在大力開展新一代多用途飛船的研制工作,并已取得相當進展,預計未來3~5年將具備應(yīng)用飛行能力(表2).從國外在研新型載人飛船的發(fā)展趨勢來看,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.另外政府主導的項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)背景計劃(天龍、CST-100、追夢者均為NASA支持的商業(yè)開發(fā)項目)全部是服務(wù)于低軌運輸任務(wù),目的是降低技術(shù)和市場風險.未來載人天地往返運輸技術(shù)競爭的關(guān)鍵因素和指標是安全風險和成本,競爭的關(guān)鍵技術(shù)是部分重復使用技術(shù).5.2新一代行人重復使用技術(shù)方案我國現(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,不能適應(yīng)載人登月、載人登小行星等深空探測任務(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任務(wù)成為可能,對新一代載人飛船的需求也非常迫切.另外,未來幾年我國空間站建成后將開展大量空間應(yīng)用試驗,也需要建立具備更強人員往返運輸能力和載荷下行能力的天地往返運輸飛船,進一步擴展空間站的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍,增加空間站運營管理的靈活性和適應(yīng)性.參考國外的發(fā)展趨勢,結(jié)合我國航天技術(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輸性能.乘員人數(shù)應(yīng)當在3~7人,可支持2~3年的?？匡w行,具