楠木軒

中國航天,靠什麼領跑世界?

由 華愛利 發佈於 科技

北京時間2020年5月8日13時49分,我國新一代載人飛船試驗船返回艙於東風着陸場區安全着陸。

從長征五號B運載火箭的首飛,到新飛船的回收,這次拉開我國載人航天新階段序幕的試驗任務終於取得圓滿成功。

新載人飛船在軌模擬圖

一切為了航天員的安全

作為神舟號以後中國載人航天工程的下一代載人飛船,新飛船要實現對載人登月與近地軌道任務的兼顧。其中,載人登月任務要求飛船返回艙以近乎第二宇宙速度安全再入大氣層,其熱控制與姿軌控要求相較神舟飛船更為嚴苛。反而言之,只要新飛船能夠達到載人登月的返回要求,自然也可以用於速度更低的近地軌道空間站任務,實現返回艙設計的標準化。

因此,本次新飛船試驗船配備了可用於探月的大型服務艙模塊,整船質量達到21.6噸。在由長征五號B運載火箭發射進入近地軌道後,新飛船執行了7次自主變軌,將軌道遠地點抬升至8000千米,既驗證了服務艙的軌控能力,又使返回艙的再入速度超過9千米/秒,創造了接近第二宇宙速度的返回熱流條件。

新載人飛船軌道提升

事實證明,新飛船的熱控方案卓有成效,能夠全程保護航天員的安全。

而為了確保航天員的萬無一失,新飛船上成功運用的新技術又何止熱控一項。

傳統的飛船液體發動機主要採用肼基燃料,如美國的載人龍飛船的SuperDraco發動機就是四氧化二氮/一甲基肼的雙組元推進劑。但不管是肼、一甲基肼還是偏二甲肼,都是劇毒物質,一旦意外泄露進入返回艙內,將直接威脅航天員生命安全,這也是一直載人龍飛船的一個不穩定因素。至於四氧化二氮,其劇烈的腐蝕性和毒性更是不遑多讓,不僅直接威脅航天員,也對推進劑加註過程有很高的要求。

載人龍飛船推進系統在2019年測試時發生爆炸

在新飛船返回艙上,世界推力最大的單組元無毒發動機首次亮相。這種發動機採用硝酸羥胺燃料,與肼相比毒性大大降低,而且不需要四氧化二氮作為氧化劑,有效保障了航天員與地面加註人員的安全。目前,我國多個航天研究所已掌握無毒推進劑關鍵技術,相關推進器已逐步在衞星等航天器上得到應用,無毒發動機已成為未來航天推進技術的重要發展方向。

而對於安全着陸,與採用單傘 反推火箭的神舟號飛船不同,新一代載人飛船選擇了羣傘 緩衝氣囊的設計方案。

新載人飛船進行返回艙着陸試驗

這是因為新飛船返回艙比神舟號的返回艙重了一倍,而神舟飛船採用的是世界上面積最大的單體降落傘,繼續增大單傘面積會超越材料本身的物理特性,得不償失。

因此,新飛船選擇了雙減速傘、三主傘的氣動減速方案,每一具主傘的面積都與神舟飛船的主傘相當,能夠在短時間內將返回艙的速度降低到每小時幾十千米。並且,羣傘的冗餘特性保證飛船能夠在一具減速傘、一具主傘失效的情況下,依然安全着陸。

當然,傘的數量也不是越多越好,更多的主傘數量對傘系統的總體設計提出更高要求——各傘必須各司其職,不能纏在一起“打架”,否則可能降低傘的效率,反而威脅返回艙安全。

在即將着陸前,新飛船底部的六個氣囊自動充氣展開,讓飛船像“躺在沙發上”一樣軟着陸,確保航天員受到的衝擊最小。

新載人飛船大載重氣囊緩衝技術試驗

着陸後,氣囊主動泄氣,防止返回艙因重心不穩傾倒——所以我們看到的現場畫面中,新飛船是矗立在着陸場上的。

着陸後的新載人飛船

除了保證航天員的絕對安全外,新飛船採用羣傘+緩衝氣囊的着陸設計,還有一個很重要的考慮——確保飛船主體結構安全,以便實現重複使用。

重複使用與降低成本

載人航天想要發展必須降低成本,而重複使用則是降低成本的一個可行途徑。

新載人飛船在設計中,就貫徹了重複使用的理念。

對於神舟號等老一代飛船,其防熱燒蝕層與返回艙是一體化的,使用也是一次性的,一次再入直接報廢。

神舟十一號飛船返回艙實物

而新飛船採用了兩層式結構,內層為可複用的金屬結構,外層為可拆卸的燒蝕防熱結構。每次飛船返回地球,只需要進行一次全面檢查,確保複用部分無傷,再更換一套防熱結構,就能繼續使用。

新載人飛船縮比模型結構

當然,複用也是要追求總體效益最優,在新飛船的最終方案裏,一定會選擇最划算的方案——畢竟,在複用這個問題上舍本逐末的反面例子,是現成的。

阿波羅登月成功後,美國轉向發展可重複使用的航天飛機,以求降低近地軌道任務的成本。然而航天飛機為了實現“重複使用”,大量採用了新技術、新方案,以至於運營和維護費用居高不下,反而導致了總成本上升。

更為嚴重的是,航天飛機脆弱的救生模式與隔熱技術,直接導致了“挑戰者”號和“哥倫比亞”號的悲劇,14名航天員獻出了寶貴的生命。

航天飛機——美國的驕傲與痛楚

最終,美國決定退役全部航天飛機,當時航天飛機的飛行次數,甚至不及預期的三分之一。

“前車覆,後車戒。”善於以總體眼光看問題的中國航天人對此看得很透徹,絕不會重蹈美國的覆轍。

不過,事物都是一分為二的。

航天飛機在滿足“節約成本”這一初始需求方面徹底失敗,但依然無法掩蓋其在技術層面的巨大突破。

從發動機到隔熱瓦,從戰神火箭到X-37B空天戰鬥機,時至今日,航天飛機的技術遺產,對美國來説依然是一筆難以估量的財富。

X-37B空天戰鬥機

對於長期處於追趕者姿態的中國航天而言,抓住新載人飛船這一難得機遇,充分探索人有我無的新技術、新工藝,整體提高我國載人航天的技術水平,也是正在進行的工作。

畢竟,沒有技術,和有技術選擇不用,不是一回事。

走向世界領先

新載人飛船是兩艙式設計,高8.8米,最大直徑4.5米,其返回艙容積已超過神舟飛船軌道艙與返回艙容積之和,能夠搭載6至7人。與美俄等國在研的新飛船相比,我國的新一代載人飛船已經達到了很高的標準,可以説“齊頭並進”。

根據試驗船項目負責人張柏楠同志介紹,新飛船採用了新的防熱材料,性能非常好,耐燒蝕、隔熱性和結構整體性都很出眾,這種材料的成功運用是世界領先的。

從遠遠追趕,到並駕齊驅,再到世界領先,中國航天走過了漫長的歲月,把紅旗插上一座座科學的高峯。

下一座高峯是大型空間站,如果國際空間站於2024年如期關停的話,那麼中國大型空間站將自動承擔起全人類探索太空的使命。

以後,還會有載人登月。

而新飛船,正是為此而生,模塊化的設計可以讓她輕鬆勝任近地軌道和地月軌道輸運,承擔起將五星紅旗插上月球的光榮使命。

為什麼要去月球?

宇宙就是個海洋,月亮就是釣魚島,火星就是黃巖島,我們現在能去,但我們不去的話,後人要怪我們。別人去了,別人佔下來了,你再想去都去不了——人民科學家葉培建院士如是説。

“當年為什麼不把兩彈一星搞出來?”很幸運,這種感慨今天的我們不會有。

因此,我們的後輩也不該有“當年為什麼不搞新飛船,把中國人送上月球?”這樣的喟嘆。

歷史就是這樣充滿着巧合,新載人飛船試驗船平安歸來之日,正是21年前我駐南聯盟大使館遭美軍野蠻轟炸的日子。

21年,同樣的紅旗,不同的背景。

弱者只能委曲求全,強者卻能恣意妄為。

我們要當個弱者,還是努力成為強者?

當然是強者。

但絕不會像既有的霸權主義者一樣隨意驅遣他人,而是來到國際社會就辦三件事——

公平,公平,還是公平。

手裏沒有技術,和有技術不用,不是一回事。

手裏沒有利劍,和有劍不用,更不是一回事。

我們要有技術,要有利劍。

為此,我們必須領跑世界。

這是我輩的使命,更是責任。