中 国 科 学 : 技 术 科 学 2014 年 第 44 卷 第 3 期 : 229 ~ 234 评 述 www.scichina.com tech.scichina.com SCIENCE CHINA PRESS 载 人 飞 船 与 专 项 技 术 专 题 载 人 飞 船 型 谱 发 展 研 究 何 宇, 贾 世 锦, 石 泳 *, 邵 立 民, 高 旭 中 国 空 间 技 术 研 究 院 载 人 航 天 总 体 部, 北 京 100094 * E-mail: shiyong@tsinghua.org.cn 收 稿 日 期 : 2013-11-07; 接 受 日 期 : 2013-12-11 国 家 载 人 航 天 重 大 专 项 工 程 资 助 项 目 摘 要 我 国 神 舟 飞 船 已 成 功 执 行 了 十 次 飞 行 任 务, 从 神 舟 十 号 开 始 转 入 应 用 性 飞 行, 标 志 着 我 国 已 建 成 了 功 能 完 备 的 近 地 轨 道 载 人 天 地 往 返 运 输 系 统. 神 舟 载 人 飞 船 以 三 舱 构 型 为 基 本 型, 通 过 逐 步 补 充 和 完 善 功 能, 已 形 成 了 天 地 往 返 飞 船 出 舱 活 动 飞 船 和 交 会 对 接 飞 船 3 种 型 谱, 具 备 执 行 近 地 轨 道 空 间 站 天 地 往 返 运 输 任 务, 也 可 根 据 需 要 开 展 出 舱 活 动 等 近 地 轨 道 载 人 飞 行 的 其 他 任 务. 未 来 载 人 航 天 发 展 必 须 向 超 越 近 地 轨 道, 向 更 远 的 深 空 目 标 探 索, 因 此 有 必 要 尽 快 研 制 更 安 全 更 可 靠 能 适 应 近 地 和 深 空 多 任 务 的 新 一 代 载 人 飞 船. 关 键 词 载 人 飞 船 型 谱 新 一 代 飞 船 神 舟 飞 船 1 引 言 随 着 神 舟 飞 船 10 次 飞 行 任 务 的 圆 满 成 功, 我 国 第 一 代 神 舟 载 人 飞 船 已 突 破 了 天 地 往 返 出 舱 活 动 交 会 对 接 等 一 系 列 载 人 航 天 技 术. 在 突 破 技 术 的 同 时, 神 舟 载 人 飞 船 以 三 舱 构 型 为 基 本 型, 逐 渐 补 充 和 完 善 功 能, 形 成 了 天 地 往 返 飞 船 出 舱 活 动 飞 船 和 交 会 对 接 飞 船 3 种 型 谱. 我 国 载 人 航 天 三 步 走 的 发 展 战 略 已 实 施 到 第 三 步, 即 建 造 长 期 有 人 的 大 型 空 间 站. 随 着 空 间 站 的 逐 步 建 设, 空 间 站 之 后 我 国 未 来 载 人 航 天 如 何 发 展 的 新 问 题 也 随 之 浮 出 水 面. 目 前 美 国 俄 罗 斯 等 航 天 大 国 也 在 为 未 来 载 人 航 天 发 展 方 向 争 论 不 休, 尽 管 整 体 任 务 目 标 尚 无 定 论, 但 美 俄 等 国 已 认 识 到 一 点, 那 就 是 无 论 今 后 任 务 目 标 如 何 确 定, 新 型 的 载 人 飞 船 都 是 必 需 的, 因 此 他 们 已 加 快 了 新 型 载 人 飞 船 的 研 制, 并 且 取 得 了 实 质 进 展, 预 计 3~5 年 将 实 现 工 程 应 用. 2 国 外 载 人 飞 船 发 展 型 谱 2.1 联 盟 飞 船 系 列 型 谱 苏 联 / 俄 罗 斯 联 盟 号 系 列 飞 船 (Soyuz) 作 为 世 界 上 最 早 且 至 今 仍 在 有 效 运 营 的 载 人 飞 船, 是 载 人 飞 船 型 谱 化 的 成 功 典 范. 自 1966 年 首 次 设 计 完 成 以 来, 经 过 T, TM, TMA, TMA-M 等 数 次 升 级 和 更 改, 其 核 心 的 三 舱 设 计 始 终 保 持 不 变, 并 基 于 这 种 设 计 衍 生 出 了 进 步 号 无 人 货 运 飞 船 系 列 (Progress). 从 船 尾 起, 联 盟 号 飞 船 的 三 舱 依 次 是 : 非 密 封 的 推 进 舱, 为 飞 船 的 服 务 舱 ; 密 封 的 返 回 舱, 承 载 航 天 员 并 作 为 飞 船 的 指 挥 中 心 ; 轨 道 舱, 包 括 居 住 设 施 存 物 间 舱 外 活 动 的 通 道 两 船 间 的 转 移 舱 段. 1966~1970 年, 以 载 人 登 月 任 务 为 导 向, 通 过 17 次 飞 行 试 验, 验 证 了 第 一 代 联 盟 飞 船 交 会 对 接 及 舱 引 用 格 式 : 何 宇, 贾 世 锦, 石 泳, 等. 载 人 飞 船 型 谱 发 展 研 究. 中 国 科 学 : 技 术 科 学, 2014, 44: 229 234 He Y, Jia S J, Shi Y, et al. Research on the portfolio development of spacecrafts in China (in Chinese). Sci Sin Tech, 2014, 44: 229 234, doi: 10.1360/092013-1203
何 宇 等 : 载 人 飞 船 型 谱 发 展 研 究 外 转 移 的 能 力, 三 舱 构 型 设 计 基 本 定 型, 累 计 在 轨 飞 行 超 过 71 天, 是 联 盟 系 列 载 人 飞 船 的 先 驱. 1971~1981 年, 联 盟 号 载 人 飞 船 发 展 出 第 二 代 型 谱, 承 担 地 面 至 礼 炮 号 空 间 站 (Salyut) 的 天 地 往 返 运 输 任 务. 该 系 列 联 盟 号 载 人 飞 船 具 备 主 动 探 测 设 备 与 目 标 的 被 动 靶 标 配 合, 交 会 系 统 移 至 飞 船 前 端 ; 航 天 员 可 以 打 开 舱 门, 通 过 内 部 对 接 通 道 进 入 空 间 站 ; 对 接 期 间 的 消 耗 品 和 生 命 保 障 用 品 由 空 间 站 提 供, 使 得 生 命 保 障 系 统 得 以 简 化. 共 有 33 艘 第 二 代 联 盟 飞 船 执 行 了 载 人 和 无 人 的 礼 炮 号 空 间 站 的 运 输 任 务 和 单 独 的 飞 行 任 务, 累 计 飞 行 超 过 1176 天. 自 1979 年 起, 为 满 足 第 二 代 礼 炮 空 间 站 的 运 输 需 要, 联 盟 飞 船 发 展 出 了 T 系 列 型 谱, 扩 展 了 太 阳 电 池 翼, 可 以 支 持 3 人 乘 组 更 长 时 间 的 飞 行, 新 增 返 回 舱 窗 口 外 层 玻 璃, 能 够 在 再 入 后 抛 掉, 提 供 更 加 清 晰 的 视 野. 提 升 了 飞 行 控 制 系 统 的 自 动 化 程 度, 增 加 了 航 天 员 的 控 制 面 板. 推 进 系 统 进 行 了 重 大 改 进, 将 小 推 力 姿 态 控 制 推 进 器 完 全 与 主 推 进 系 统 结 合, 推 进 剂 由 涡 轮 泵 供 给 改 为 压 力 供 给. 该 系 列 飞 船 具 备 以 自 动 和 手 动 方 式 向 空 间 站 往 返 运 送 航 天 员 的 能 力, 具 备 无 困 难 关 机 和 在 线 恢 复 能 力, 能 够 担 当 营 救 和 回 收 任 务, 并 可 运 送 航 天 员 往 返 于 两 个 空 间 站 之 间. 联 盟 T 系 列 飞 船 共 发 射 21 艘, 累 计 飞 行 时 间 超 过 1195 天. 从 1986 年 开 始, 随 着 和 平 号 空 间 站 (Mir) 的 发 射, 联 盟 飞 船 进 一 步 改 进 为 TM 系 列. 与 T 系 列 相 比, 其 交 会 对 接 系 统 采 用 新 型 Kurs 系 统 取 代 了 传 统 的 Igla 系 统, 采 用 了 新 的 惯 性 控 制 系 统, 配 备 了 高 精 度 的 角 速 度 和 加 速 度 传 感 器 ; 轨 道 舱 增 加 了 舷 窗 便 于 直 观 的 观 察 对 接 过 程, 飞 船 的 伞 舱 系 统 得 到 显 著 改 进, 总 质 量 减 小 140 kg, 增 大 了 返 回 舱 可 用 空 间, 座 椅 更 加 舒 适. 推 进 系 统 进 行 了 较 大 改 进, 贮 箱 内 采 用 了 金 属 隔 膜 取 代 有 机 物 隔 膜. 联 盟 TM 系 列 飞 船 共 执 行 34 次 飞 行 任 务, 累 计 飞 行 5500 余 天, 为 和 平 号 空 间 站 和 国 际 空 间 站 (ISS) 初 期 运 营 提 供 了 重 要 支 持. 2002 年 10 月 首 飞 的 联 盟 TMA 系 列 飞 船 对 座 椅 缓 冲 装 置 着 陆 发 动 机 仪 表 进 行 了 改 进, 扩 大 了 着 陆 缓 冲 系 统 对 不 同 质 量 特 性 的 适 应 性, 拓 宽 了 对 航 天 员 身 高 体 重 的 适 应 范 围. 2010 年 10 月 首 飞 的 联 盟 TMA-M 系 列 是 联 盟 飞 船 的 最 新 版 本, 采 用 了 更 先 进 的 电 子 设 备, 改 进 了 温 控 GNC 和 在 轨 测 量 系 统, 飞 船 平 台 进 一 步 减 重 70 kg. 除 以 上 4 次 升 级 换 代, 联 盟 飞 船 还 根 据 特 定 的 任 务 需 求 衍 生 出 一 些 具 有 特 殊 功 能 的 型 谱, 比 如 联 盟 4 号 和 5 号 轨 道 舱 设 计 为 具 有 泄 复 压 功 能 的 气 闸 舱, 在 对 接 后, 航 天 员 能 够 从 联 盟 5 号 出 舱, 通 过 出 舱 行 走 进 入 联 盟 4 号 ; 联 盟 13 号 和 22 号 在 飞 船 前 端 分 别 安 装 了 紫 外 相 机 和 多 光 谱 相 机, 取 代 对 接 机 构, 用 来 执 行 观 测 任 务. 此 外, 早 期 的 联 盟 飞 船 经 改 装 还 多 次 执 行 了 军 用 任 务. 综 上 所 述, 联 盟 系 列 飞 船 自 1966 年 首 次 设 计 完 成 以 来, 三 舱 构 型 的 基 本 设 计 始 终 保 持 稳 定, 历 经 联 盟 T, TM, TMA, TMA-M 四 次 升 级 换 代, 衍 生 出 货 运 飞 船 等 多 种 适 应 不 同 任 务 需 求 的 型 谱, 可 以 满 足 执 行 载 人 和 运 货 军 用 和 民 用 近 地 轨 道 飞 行 和 探 月 飞 行 独 立 飞 行 和 作 为 往 返 运 输 飞 船 为 空 间 站 提 供 补 给 等 多 用 途 使 用 需 求. 自 1971 年 至 今 40 多 年 连 续 安 全 飞 行 超 过 100 次, 充 分 证 明 了 其 设 计 可 靠 性 和 安 全 性. 2.2 进 步 号 货 运 飞 船 型 谱 由 联 盟 号 载 人 飞 船 改 造 而 成 的 进 步 号 货 运 飞 船 是 另 一 个 重 要 的 型 谱 分 支. 在 联 盟 飞 船 基 础 上, 进 步 号 将 轨 道 舱 改 装 为 运 送 固 体 货 物 以 及 丢 弃 废 弃 物 品 的 货 物 舱 ; 返 回 舱 改 装 为 非 密 封 的 燃 料 补 给 舱, 舱 内 容 器 中 装 载 燃 料 和 氧 化 剂, 通 过 货 物 舱 外 管 路 连 接 到 飞 船 前 端 对 接 环, 在 对 接 后 运 输 至 空 间 站 贮 箱 ; 推 进 舱 与 联 盟 号 相 比 基 本 一 致. 第 一 代 进 步 号 飞 船 ( 进 步 1 号 ~ 42 号 ) 采 用 化 学 电 池 作 为 独 立 电 源, 不 配 置 太 阳 电 池 翼. 为 满 足 和 平 号 空 间 货 运 能 力, 第 二 代 进 步 M 号 飞 船 随 联 盟 T 和 TM 系 列 同 步 改 进, 通 过 增 加 太 阳 电 池 翼 使 自 主 飞 行 时 间 增 加 到 30 天, 改 进 了 Kurs 交 会 对 接 系 统, 主 发 动 机 配 置 也 与 联 盟 TM 号 相 同. 进 步 M 号 第 9 次 飞 行 时, 安 装 了 一 个 弹 道 式 回 收 舱, 具 备 返 回 150 kg 下 行 固 体 载 荷 能 力. 用 于 国 际 空 间 站 的 M1 系 列 进 步 号 飞 船 增 加 了 4 个 贮 箱, 可 以 携 带 更 多 推 进 剂. 自 1978 年 起, 进 步 号 通 过 运 送 固 体 货 物 气 体 和 液 体 协 助 抛 弃 不 需 要 的 设 备 和 垃 圾, 维 持 了 4 个 空 间 站 的 运 行, 并 支 持 了 多 次 舱 外 活 动 和 单 独 的 实 验. 2.3 阿 波 罗 系 列 载 人 飞 船 型 谱 与 联 盟 号 飞 船 同 期, 同 样 是 在 载 人 登 月 计 划 的 230
中 国 科 学 : 技 术 科 学 2014 年 第 44 卷 第 3 期 牵 引 下, 美 国 开 发 了 指 令 舱 - 服 务 舱 - 登 月 舱 三 舱 构 型 的 阿 波 罗 系 列 载 人 飞 船 (Apollo), 首 次 实 现 了 载 人 登 月, 至 阿 波 罗 17 号 共 完 成 了 6 次 完 整 的 载 人 登 月 飞 行 [1]. 在 阿 波 罗 计 划 结 束 后, 由 指 令 舱 和 服 务 舱 组 成 的 两 舱 构 型 阿 波 罗 飞 船 还 进 行 了 3 次 与 天 空 实 验 室 (Skylab) 的 对 接 以 及 1 次 与 联 盟 号 飞 船 的 对 接. 随 后, 航 天 飞 机 取 代 阿 波 罗 飞 船 成 为 了 新 的 天 地 往 返 运 输 器. 2011 年 航 天 飞 机 退 役 后, 美 国 启 动 了 多 个 商 用 载 人 天 地 往 返 运 输 系 统 的 项 目. 2.4 国 外 载 人 飞 船 型 谱 发 展 的 启 示 从 国 外 载 人 飞 船 型 谱 发 展 可 以 得 到 如 下 启 示. 1) 联 盟 号 飞 船 历 经 40 多 年, 始 终 坚 持 轨 道 舱 - 返 回 舱 - 推 进 舱 的 设 计 架 构, 通 过 不 断 的 完 善 和 拓 展 实 现 升 级 换 代, 衍 生 出 多 种 适 应 不 同 任 务 需 求 的 型 谱 系 列, 具 有 良 好 的 延 续 性, 可 靠 性 不 断 积 累, 至 今 仍 在 有 效 运 营. 2) 美 国 载 人 飞 船 发 展 阶 段 性 特 点 明 显, 阿 波 罗 飞 船 在 太 空 竞 赛 后 被 航 天 飞 机 取 代, 航 天 飞 机 也 将 被 新 一 代 飞 船 取 代, 并 未 实 现 型 谱 化, 继 承 性 不 足. 3) 从 我 国 国 情 出 发, 我 国 载 人 飞 船 的 发 展 应 该 坚 持 型 谱 化 的 发 展 思 路, 以 神 舟 系 列 载 人 飞 船 为 蓝 本 不 断 完 善 和 拓 展, 以 适 应 后 续 载 人 航 天 任 务 需 要. 3 我 国 载 人 飞 船 型 谱 发 展 的 总 体 思 路 中 国 的 载 人 航 天 于 1992 年 立 项, 简 称 921 工 程. 在 立 项 之 初, 结 合 当 时 的 技 术 水 平, 并 借 鉴 国 际 上 的 成 功 经 验, 按 照 循 序 渐 进 的 原 则, 确 定 了 三 步 走 的 发 展 战 略. 第 一 步. 通 过 发 射 几 艘 无 人 试 验 飞 船 和 有 人 飞 船, 将 航 天 员 送 入 近 地 轨 道 并 安 全 返 回, 建 立 天 地 往 返 运 输 系 统. 第 二 步. 研 制 和 发 射 空 间 实 验 室, 建 立 完 整 配 套 的 空 间 站 工 程 大 系 统, 实 现 一 定 规 模 的 空 间 应 用. 在 本 阶 段 要 突 破 出 舱 活 动 和 交 会 对 接 两 大 关 键 技 术. 第 三 步. 建 造 长 期 有 人 的 大 型 空 间 站. 载 人 飞 船 按 照 发 展 战 略, 根 据 不 同 阶 段 的 任 务, 逐 项 突 破 关 键 技 术, 并 充 分 利 用 飞 船 的 资 源 开 展 在 轨 科 学 实 验 以 及 后 续 技 术 的 先 期 验 证, 形 成 神 舟 飞 船 的 系 列 型 谱. 1) 在 工 程 的 第 一 步, 在 主 要 突 破 天 地 往 返 技 术 的 前 提 下, 将 轨 道 舱 设 计 为 具 有 留 轨 功 能 的 舱 段, 开 展 在 轨 生 物 化 学 和 对 地 观 测 等 科 学 实 验, 同 时 对 后 续 空 间 实 验 室 和 空 间 站 阶 段 的 长 期 在 轨 相 关 技 术 进 行 验 证. 形 成 基 本 型 神 舟 飞 船. 2) 在 工 程 的 第 二 步, 将 轨 道 舱 取 消 留 轨 功 能, 将 轨 道 舱 设 计 为 兼 具 出 舱 活 动 功 能 的 气 闸 舱, 对 空 间 站 的 出 舱 活 动 相 关 技 术 进 行 验 证, 形 成 出 舱 活 动 飞 船. 3) 在 工 程 的 第 二 步, 飞 船 增 加 交 会 对 接 功 能, 取 消 出 舱 活 动 功 能, 具 备 3 人 5 天 的 独 立 飞 行 能 力. 形 成 改 进 型 标 准 载 人 飞 船, 满 足 空 间 站 天 地 往 返 运 输 的 运 营 需 求. 后 续, 在 神 舟 飞 船 的 基 础 上, 发 展 出 承 载 人 数 更 多 飞 行 支 持 能 力 更 长 可 靠 性 安 全 性 更 高 能 够 执 行 载 人 深 空 探 测 任 务 的 新 一 代 飞 船. 4 我 国 载 人 飞 船 型 谱 建 立 历 程 回 顾 根 据 中 国 载 人 航 天 任 务 总 体 规 划, 神 舟 系 列 飞 船 以 需 求 为 牵 引, 引 入 了 中 国 特 色 的 型 谱 化 设 计 理 念. 神 舟 飞 船 在 轨 道 舱 返 回 舱 和 推 进 舱 三 舱 基 本 构 型 基 础 上, 通 过 更 换 整 舱 或 子 系 统, 满 足 不 同 的 航 天 飞 行 任 务 需 求, 建 立 了 执 行 载 人 飞 行 任 务 出 舱 活 动 任 务 和 天 地 往 返 运 输 任 务 共 3 个 系 列 型 谱, 实 现 了 一 船 多 型 和 一 船 多 用. 目 前, 神 舟 系 列 飞 船 已 完 成 10 次 太 空 飞 行 任 务, 各 次 任 务 均 取 得 了 圆 满 成 功, 任 务 实 施 概 况 见 表 1. 4.1 神 舟 载 人 飞 船 基 本 型 神 舟 一 号 至 六 号 飞 船 主 要 面 向 载 人 空 间 飞 行 任 务, 实 现 航 天 员 准 确 进 入 轨 道, 稳 定 舒 适 在 轨 运 行 和 开 展 空 间 活 动, 安 全 健 康 返 回 地 面. 该 系 列 载 人 飞 船 以 建 立 三 舱 构 型 的 基 本 型 载 人 飞 船 为 出 发 点. 轨 道 舱 作 为 生 活 舱, 配 备 了 航 天 员 在 轨 工 作 和 生 活 所 需 要 的 食 品 饮 水 卫 生 用 品 等. 返 回 舱 是 飞 船 发 射 和 返 回 过 程 中 航 天 员 所 乘 座 的 舱 段, 也 是 飞 船 的 控 制 中 心. 推 进 舱 安 装 推 进 系 统 电 源 气 瓶 等 设 备, 为 飞 船 提 供 电 力, 进 行 姿 态 轨 道 控 制. 为 充 分 利 用 飞 行 试 验 机 会, 在 轨 道 舱 增 加 高 精 度 对 地 观 测 相 机, 兼 顾 对 地 观 测 功 能 和 留 轨 试 验 功 能, 231
何 宇 等 : 载 人 飞 船 型 谱 发 展 研 究 表 1 我 国 神 舟 飞 船 系 列 型 谱 发 展 情 况 型 谱 任 务 代 号 发 射 日 期 乘 员 人 数 任 务 完 成 情 况 载 人 飞 船 基 本 型 出 舱 活 动 型 载 人 飞 船 改 进 型 标 准 载 人 飞 船 神 舟 一 号 1999 年 11 月 20 日 无 在 轨 飞 行 21 小 时, 主 要 验 证 姿 态 与 轨 道 控 制 返 回 再 入 和 回 收 着 陆 技 术 神 舟 二 号 2011 年 1 月 10 日 无 在 轨 飞 行 7 天, 重 点 考 核 飞 船 环 境 控 制 和 生 命 保 障 系 统, 完 成 了 轨 道 舱 留 轨 试 验 神 舟 三 号 2002 年 3 月 25 日 无 在 轨 运 行 6 天 18 小 时, 全 面 验 证 载 人 环 境 控 制 等 关 键 功 能, 完 成 了 对 地 观 测 和 科 学 实 验 神 舟 四 号 2012 年 12 月 30 日 无 在 轨 飞 行 6 天 18 小 时, 已 完 全 具 备 载 人 飞 行 功 能, 是 载 人 飞 行 之 前 的 全 面 预 演 神 舟 五 号 2003 年 10 月 15 日 1 在 轨 飞 行 21 小 时, 航 天 员 杨 利 伟 首 次 进 入 太 空 并 安 全 返 回, 我 国 成 为 世 界 第 3 个 掌 握 载 人 航 天 技 术 的 国 家 神 舟 六 号 2005 年 10 月 12 日 2 在 轨 飞 行 7 天, 验 证 了 多 人 多 天 的 总 体 目 标 ; 轨 道 舱 留 轨 飞 行 707 天, 取 得 了 在 轨 试 验 数 据 和 对 地 观 测 数 据 神 舟 七 号 2008 年 9 月 25 日 3 在 轨 运 行 6 天 18 小 时, 航 天 员 翟 志 刚 顺 利 完 成 出 舱 活 动, 标 志 着 我 国 已 突 破 了 出 舱 活 动 相 关 技 术 神 舟 八 号 2011 年 11 月 1 日 0 在 轨 运 行 17 天, 首 次 完 成 了 与 天 宫 一 号 目 标 飞 行 器 自 动 交 会 对 接 神 舟 九 号 2012 年 6 月 16 日 3 在 轨 运 行 12 天, 完 成 自 动 和 航 天 员 手 控 交 会 对 接, 完 成 了 3 人 10 天 组 合 体 驻 留, 标 志 着 我 国 已 突 破 并 掌 握 交 会 对 接 技 术 神 舟 十 号 2013 年 6 月 11 日 3 在 轨 运 行 15 天, 完 成 首 次 天 地 往 返 运 输 应 用 性 飞 行 任 务, 首 次 开 展 了 太 空 授 课 活 动 在 神 舟 六 号 飞 行 任 务 中 实 现 了 多 人 多 天 在 轨 飞 行 高 精 度 对 地 观 测 和 轨 道 舱 长 期 留 轨 运 行, 验 证 了 低 轨 长 寿 命 相 关 技 术 和 航 天 器 长 期 运 营 管 理 技 术. 神 舟 一 号 至 六 号 飞 船 任 务 的 成 功 实 施, 确 立 了 三 舱 构 型 的 8 t 级 神 舟 载 人 飞 船 基 本 型, 为 后 续 载 人 飞 船 型 谱 化 拓 展 设 计 建 立 了 良 好 的 基 础 ( 图 1). 4.2 出 舱 活 动 载 人 飞 船 神 舟 七 号 飞 船 轨 道 舱 增 加 气 闸 舱 功 能, 实 现 了 3 人 满 载 空 间 飞 行, 并 突 破 了 出 舱 活 动 技 术, 验 证 了 天 基 通 信 技 术, 释 放 了 科 学 实 验 微 小 卫 星, 实 现 了 神 舟 系 列 载 人 飞 船 一 船 多 型 和 一 船 多 用 的 技 术 跨 越, 开 发 了 以 泄 复 压 系 统 舱 外 服 支 持 系 统 为 代 表 的 一 大 批 新 技 术, 积 累 的 工 程 经 验 和 技 术 成 果 可 应 用 于 我 国 空 间 站 研 制 ( 图 2). 4.3 交 会 对 接 载 人 飞 船 神 舟 八 号 至 神 舟 十 号 飞 船 在 载 人 飞 船 基 本 型 基 础 上, 增 加 了 交 会 对 接 功 能, 形 成 了 改 进 型 标 准 载 人 飞 船 ( 图 3). 改 进 型 标 准 载 人 飞 船 通 过 在 轨 道 舱 配 置 对 接 机 构 交 会 测 量 敏 感 器 和 货 物 运 输 功 能, 在 返 回 舱 增 加 手 控 交 会 控 制 功 能, 在 推 进 舱 增 加 平 移 发 动 机, 使 载 人 飞 船 具 备 了 与 目 标 飞 行 器 交 会 对 接 和 天 地 往 返 运 输 的 能 力. 图 1 ( 网 络 版 彩 图 ) 天 地 往 返 载 人 飞 船 外 形 图 2 ( 网 络 版 彩 图 ) 出 舱 活 动 载 人 飞 船 外 形 图 3 ( 网 络 版 彩 图 ) 交 会 对 接 载 人 飞 船 外 形 232
中 国 科 学 : 技 术 科 学 2014 年 第 44 卷 第 3 期 神 舟 八 号 神 舟 九 号 和 神 舟 十 号 完 成 了 与 天 宫 一 号 目 标 飞 行 器 3 次 交 会 对 接 任 务, 标 志 着 改 进 型 标 准 载 人 飞 船 与 运 载 火 箭 等 系 统 已 形 成 了 功 能 完 备 的 载 人 天 地 往 返 运 输 系 统, 为 我 国 近 地 轨 道 空 间 站 的 建 造 和 运 营 奠 定 了 坚 实 基 础. 5 未 来 载 人 飞 船 发 展 方 向 5.1 国 外 新 型 载 人 飞 船 发 展 及 启 示 近 年 来, 美 俄 等 国 虽 然 在 载 人 登 月 载 人 深 空 探 测 等 任 务 目 标 上 举 棋 不 定, 但 均 认 识 到 无 论 任 务 目 标 选 择 何 处, 都 需 要 尽 快 研 制 新 一 代 载 人 飞 船, 因 此 美 俄 等 国 均 在 大 力 开 展 新 一 代 多 用 途 飞 船 的 研 制 工 作, 并 已 取 得 相 当 进 展, 预 计 未 来 3~5 年 将 具 备 应 用 飞 行 能 力 ( 表 2). 从 国 外 在 研 新 型 载 人 飞 船 的 发 展 趋 势 来 看, 一 方 面 大 大 提 高 了 载 人 飞 船 的 性 能, 乘 员 人 数 集 中 在 6 人 左 右, 飞 行 时 间 1 周 至 2 年 不 等 ; 另 一 方 面 大 多 数 采 用 传 统 的 和 模 式, 返 回 舱 选 用 钝 头 体 外 形, 目 的 是 技 术 成 熟 更 安 全 可 靠. 另 外 政 府 主 导 的 项 目 以 兼 顾 深 空 探 索 的 多 用 途 为 主, 目 的 是 引 领 技 术, 而 商 业 背 景 计 划 [5] ( 天 龙 CST-100 追 梦 者 均 为 NASA 支 持 的 商 业 开 发 项 目 ) 全 部 是 服 务 于 低 轨 运 输 任 务, 目 的 是 降 低 技 术 和 市 场 风 险 [6]. 未 来 载 人 天 地 往 返 运 输 技 术 竞 争 的 关 键 因 素 和 指 标 是 安 全 风 险 和 成 本, 竞 争 的 关 键 技 术 是 部 分 重 复 使 用 技 术. 5.2 我 国 未 来 载 人 飞 船 发 展 方 向 我 国 现 有 的 3 种 载 人 飞 船 型 谱 均 以 执 行 近 地 轨 道 任 务 为 目 标, 不 能 适 应 载 人 登 月 载 人 登 小 行 星 等 深 空 探 测 任 务, 特 别 是 不 具 备 第 二 宇 宙 速 度 返 回 能 力. 随 着 载 人 航 天 技 术 的 快 速 发 展, 也 使 得 载 人 登 月 与 建 立 月 球 基 地 火 星 小 行 星 等 载 人 深 空 探 测 任 务 成 为 可 能, 对 新 一 代 载 人 飞 船 的 需 求 也 非 常 迫 切. 另 外, 未 来 几 年 我 国 空 间 站 建 成 后 将 开 展 大 量 空 间 应 用 试 验, 也 需 要 建 立 具 备 更 强 人 员 往 返 运 输 能 力 和 载 荷 下 行 能 力 的 天 地 往 返 运 输 飞 船, 进 一 步 扩 展 空 间 站 的 应 用 领 域 和 范 围, 增 加 空 间 站 运 营 管 理 的 灵 活 性 和 适 应 性. 参 考 国 外 的 发 展 趋 势, 结 合 我 国 航 天 技 术 基 础, 新 一 代 载 人 飞 船 型 谱 研 制 应 着 重 考 虑 以 下 方 向. 1) 适 应 多 任 务. 既 可 执 行 载 人 登 月 载 人 登 小 行 星 等 深 空 探 索 任 务, 引 领 技 术 发 展, 又 要 兼 顾 近 地 轨 道 空 间 站 运 输 任 务, 特 别 是 提 高 空 间 站 任 务 的 下 行 能 力. 2) 需 大 幅 提 高 载 人 飞 船 的 运 输 性 能. 乘 员 人 数 应 当 在 3~7 人, 可 支 持 2~3 年 的 停 靠 飞 行, 具 备 500 kg 的 货 物 下 行 能 力. 3) 载 人 航 天 始 终 要 将 乘 员 安 全 放 在 首 位 [5]. 国 外 天 龙 CST-100 追 梦 者 采 用 了 自 备 动 力 逃 逸 技 术, 避 免 了 重 型 逃 逸 塔 分 离 时 风 险 高 逃 逸 方 向 可 控 性 不 强 等 缺 点 [7], 提 高 了 乘 员 安 全, 可 充 分 借 鉴. 表 2 国 外 在 研 新 型 载 人 飞 船 主 要 性 能 参 数 项 目 美 国 MPCV [2] [3] 天 龙 CST-100 追 梦 者 俄 罗 斯 PPTS [4] 质 量 (t) 21.2 4.9 ( 干 重 ) 13.5 11.3 12.7 返 回 舱 外 形 钝 头 体 钝 头 体 钝 头 体 升 力 体 钝 头 体 飞 船 长 度 (m) 6.1 5.03 9 返 回 舱 大 底 直 径 (m) 5.02 3.7 4.56 7 ( 翼 展 ) 4.4 乘 员 人 数 2~4 7 7 7 4-6 生 活 空 间 (m 3 ) 8.95 7~10 16 10 载 荷 能 力 (kg) 6000 1164 1500 800 适 用 任 务 近 地 深 空 近 地 近 地 近 地 近 地 深 空 任 务 周 期 21 天 1 周 ~2 年 210 天 停 靠 210 天 停 靠 30 天 发 射 方 式 回 收 方 式 水 平 滑 翔 着 陆 逃 逸 方 式 逃 逸 塔 自 带 动 力 逃 逸 自 带 动 力 逃 逸 自 带 动 力 逃 逸 逃 逸 塔 回 收 区 海 上 海 上 陆 上 陆 上 陆 上 是 否 可 重 复 利 用 是 (10 次 ) 是 是 (10 次 ) 是 是 (10 次 ) 运 输 成 本 2 亿 美 元 ( 发 射 成 本 ) 1500 ( 万 美 元 / 人 )( 估 算 值 ) 1300 ( 万 美 元 / 人 ) 20~30 ( 万 美 元 / 人 ) 233
何 宇 等 : 载 人 飞 船 型 谱 发 展 研 究 4) 进 一 步 降 低 运 输 成 本. 重 复 使 用 是 降 低 成 本 的 有 效 途 径 之 一, 国 外 目 前 在 研 新 型 飞 船 均 从 不 同 程 度 上 采 用 重 复 使 用 技 术. 6 结 论 及 建 议 我 国 通 过 921 工 程 二 十 多 年 的 实 施, 已 经 形 成 了 神 舟 载 人 飞 船 基 本 型 出 舱 活 动 载 人 飞 船 改 进 型 标 准 载 人 飞 船 3 种 型 谱, 为 我 国 近 地 轨 道 空 间 站 建 设 和 运 营 奠 定 了 坚 实 基 础, 也 为 我 国 进 一 步 探 索 和 利 用 空 间 积 累 了 丰 富 的 经 验. 未 来 我 国 载 人 航 天 发 展 不 能 只 停 留 近 地 轨 道 上, 必 须 探 索 和 开 发 更 远 的 目 标, 无 论 未 来 探 索 目 标 确 定 在 何 处, 都 迫 切 需 要 承 载 人 数 更 多 飞 行 支 持 能 力 更 强 可 靠 性 安 全 性 更 高 能 适 应 多 任 务 的 新 一 代 载 人 飞 船. 我 国 神 舟 系 列 载 人 飞 船 型 谱 从 开 始 研 制 已 经 晚 了 美 俄 等 航 天 大 国 近 30 年, 尽 管 我 国 加 紧 了 研 制 步 伐, 也 取 得 了 举 世 瞩 目 的 成 就, 但 也 只 达 到 国 外 30 年 前 的 水 平. 目 前 国 外 新 型 载 人 飞 船 还 处 于 研 制 阶 段, 尚 未 正 式 应 用, 我 国 从 现 在 开 始 启 动 新 一 代 载 人 飞 船 的 研 制, 在 飞 船 功 能 和 性 能 上 与 国 外 新 型 载 人 飞 船 保 持 同 一 水 平, 可 迎 头 赶 上 美 俄 等 国, 大 大 缩 小 差 距. 结 合 我 国 国 情, 新 一 代 载 人 飞 船 的 研 制 应 立 足 于 适 应 多 任 务, 采 用 可 重 复 使 用 等 技 术 降 低 成 本, 还 应 考 虑 采 用 自 备 动 力 逃 逸 等 新 技 术 进 一 步 提 高 乘 员 安 全 性 和 运 行 可 靠 性. 参 考 文 献 1 Woods W D. 李 平, 董 光 亮, 孙 威, 译. 阿 波 罗 是 如 何 飞 到 月 球 的. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社, 2012 2 Emre K. Crew exploration vehicle (CEV) skip entry trajectory. ADA483248, 2008 3 Zachary K. Dream chaser commercial crewed spacecraft overview. In: 17th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. San Francisco, 2011 4 武 尧 尔. 俄 罗 斯 全 力 打 造 新 型 载 人 飞 船. 太 空 探 索, 2011, 2: 30 33 5 Mango E J. Human spaceflight safety for the next generation of orbital space systems. KSC-2011-272, October 17, 2011 6 Richard W R. Commercial crew program overview. KSC-2011-279R, January 31, 2012 7 Owens D B, Aibicjpm V V. Overview of orion crew module and launch abort vehicle dynamic stability. AIAA Paper 2011-3504, 2011 Research on the portfolio development of spacecrafts in China HE Yu, JIA ShiJin, SHI Yong, SHAO LiMin & GAO Xu Institude of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China Represented by the first application mission of Shenzhou-10, Shenzhou spacecraft has become a fully functional transportation system between LEO and the earth after ten continues successful missions. Based on the three modules design, three types of functional portfolio have been established including transportation, EVA and RVD. Required by the manned mission beyond LEO in future, it is necessary to develop a new spacecraft with more safety and reliability,which is adapted to new missions in deep space. spacecraft, portfolio, next generation of spacecraft, Shenzhou spacecraft doi: 10.1360/092013-1203 234