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中国航天,靠什么领跑世界?
 来源:   2020-05-15 17:18

【文/观察者网专栏作者 石豪】

北京时间2020年5月8日13时49分,我国新一代载人飞船试验船返回舱于东风着陆场区安全着陆。

从长征五号B运载火箭的首飞,到新飞船的回收,这次拉开我国载人航天新阶段序幕的试验任务终于取得圆满成功。

新载人飞船在轨模拟图

一切为了航天员的安全

作为神舟号以后中国载人航天工程的下一代载人飞船,新飞船要实现对载人登月与近地轨道任务的兼顾。其中,载人登月任务要求飞船返回舱以近乎第二宇宙速度(11.2千米/秒)安全再入大气层,其热控制与姿轨控要求相较神舟飞船更为严苛。反而言之,只要新飞船能够达到载人登月的返回要求,自然也可以用于速度更低的近地轨道空间站任务,实现返回舱设计的标准化。

因此,本次新飞船试验船配备了可用于探月的大型服务舱模块,整船质量达到21.6吨。在由长征五号B运载火箭发射进入近地轨道后,新飞船执行了7次自主变轨,将轨道远地点抬升至8000千米,既验证了服务舱的轨控能力,又使返回舱的再入速度超过9千米/秒,创造了接近第二宇宙速度的返回热流条件。

新载人飞船轨道提升

事实证明,新飞船的热控方案卓有成效,能够全程保护航天员的安全。

而为了确保航天员的万无一失,新飞船上成功运用的新技术又何止热控一项。

传统的飞船液体发动机主要采用肼基燃料,如美国的载人龙飞船的SuperDraco发动机就是四氧化二氮/一甲基肼的双组元推进剂。但不管是肼、一甲基肼还是偏二甲肼,都是剧毒物质,一旦意外泄露进入返回舱内,将直接威胁航天员生命安全,这也是一直载人龙飞船的一个不稳定因素。至于四氧化二氮,其剧烈的腐蚀性和毒性更是不遑多让,不仅直接威胁航天员,也对推进剂加注过程有很高的要求。

载人龙飞船推进系统在2019年测试时发生爆炸

在新飞船返回舱上,世界推力最大的单组元无毒发动机首次亮相。这种发动机采用硝酸羟胺(HAN)燃料,与肼相比毒性大大降低,而且不需要四氧化二氮作为氧化剂,有效保障了航天员与地面加注人员的安全。目前,我国多个航天研究所已掌握无毒推进剂关键技术,相关推进器已逐步在卫星等航天器上得到应用,无毒发动机已成为未来航天推进技术的重要发展方向。

而对于安全着陆,与采用单伞+反推火箭的神舟号飞船不同,新一代载人飞船选择了群伞+缓冲气囊的设计方案。

新载人飞船进行返回舱着陆试验

这是因为新飞船返回舱比神舟号的返回舱重了一倍,而神舟飞船采用的是世界上面积最大的单体降落伞,继续增大单伞面积会超越材料本身的物理特性,得不偿失。

因此,新飞船选择了双减速伞、三主伞的气动减速方案,每一具主伞的面积都与神舟飞船的主伞相当,能够在短时间内将返回舱的速度降低到每小时几十千米。并且,群伞的冗余特性保证飞船能够在一具减速伞、一具主伞失效的情况下,依然安全着陆。

当然,伞的数量也不是越多越好,更多的主伞数量对伞系统的总体设计提出更高要求——各伞必须各司其职,不能缠在一起“打架”,否则可能降低伞的效率,反而威胁返回舱安全。

在即将着陆前,新飞船底部的六个气囊自动充气展开,让飞船像“躺在沙发上”一样软着陆,确保航天员受到的冲击最小。

新载人飞船大载重气囊缓冲技术试验

着陆后,气囊主动泄气,防止返回舱因重心不稳倾倒——所以我们看到的现场画面中,新飞船是矗立在着陆场上的。

着陆后的新载人飞船

除了保证航天员的绝对安全外,新飞船采用群伞+缓冲气囊的着陆设计,还有一个很重要的考虑——确保飞船主体结构安全,以便实现重复使用。

重复使用与降低成本

载人航天想要发展必须降低成本,而重复使用则是降低成本的一个可行途径。

新载人飞船在设计中,就贯彻了重复使用的理念。

对于神舟号等老一代飞船,其防热烧蚀层与返回舱是一体化的,使用也是一次性的,一次再入直接报废。

神舟十一号飞船返回舱实物

而新飞船采用了两层式结构,内层为可复用的金属结构,外层为可拆卸的烧蚀防热结构。每次飞船返回地球,只需要进行一次全面检查,确保复用部分无伤,再更换一套防热结构,就能继续使用。

新载人飞船缩比模型结构

当然,复用也是要追求总体效益最优,在新飞船的最终方案里,一定会选择最划算的方案——毕竟,在复用这个问题上舍本逐末的反面例子,是现成的。

阿波罗登月成功后,美国转向发展可重复使用的航天飞机,以求降低近地轨道任务的成本。然而航天飞机为了实现“重复使用”,大量采用了新技术、新方案,以至于运营和维护费用居高不下,反而导致了总成本上升。

更为严重的是,航天飞机脆弱的救生模式与隔热技术,直接导致了“挑战者”号和“哥伦比亚”号的悲剧,14名航天员献出了宝贵的生命。

航天飞机——美国的骄傲与痛楚

最终,美国决定退役全部航天飞机,当时航天飞机的飞行次数,甚至不及预期的三分之一。

“前车覆,后车戒。”善于以总体眼光看问题的中国航天人对此看得很透彻,绝不会重蹈美国的覆辙。

不过,事物都是一分为二的。

航天飞机在满足“节约成本”这一初始需求方面彻底失败,但依然无法掩盖其在技术层面的巨大突破。

从发动机到隔热瓦,从战神火箭到X-37B空天战斗机,时至今日,航天飞机的技术遗产,对美国来说依然是一笔难以估量的财富。

X-37B空天战斗机

对于长期处于追赶者姿态的中国航天而言,抓住新载人飞船这一难得机遇,充分探索人有我无的新技术、新工艺,整体提高我国载人航天的技术水平,也是正在进行的工作。

毕竟,没有技术,和有技术选择不用,不是一回事。

走向世界领先

新载人飞船是两舱式设计,高8.8米,最大直径4.5米,其返回舱容积已超过神舟飞船轨道舱与返回舱容积之和,能够搭载6至7人。与美俄等国在研的新飞船相比,我国的新一代载人飞船已经达到了很高的标准,可以说“齐头并进”。

根据试验船项目负责人张柏楠同志介绍,新飞船采用了新的防热材料,性能非常好,耐烧蚀、隔热性和结构整体性都很出众,这种材料的成功运用是世界领先的。

从远远追赶,到并驾齐驱,再到世界领先,中国航天走过了漫长的岁月,把红旗插上一座座科学的高峰。

下一座高峰是大型空间站,如果国际空间站(ISS)于2024年如期关停的话,那么中国大型空间站将自动承担起全人类探索太空的使命。

以后,还会有载人登月。

而新飞船,正是为此而生,模块化的设计可以让她轻松胜任近地轨道和地月轨道输运,承担起将五星红旗插上月球的光荣使命。

为什么要去月球?

宇宙就是个海洋,月亮就是钓鱼岛,火星就是黄岩岛,我们现在能去,但我们不去的话,后人要怪我们。别人去了,别人占下来了,你再想去都去不了——人民科学家叶培建院士如是说。

“当年为什么不把两弹一星搞出来?”很幸运,这种感慨今天的我们不会有。

因此,我们的后辈也不该有“当年为什么不搞新飞船,把中国人送上月球?”这样的喟叹。

历史就是这样充满着巧合,新载人飞船试验船平安归来之日,正是21年前我驻南联盟大使馆遭美军野蛮轰炸的日子。

21年,同样的红旗,不同的背景。

弱者只能委曲求全,强者却能恣意妄为。

我们要当个弱者,还是努力成为强者?

当然是强者。

但绝不会像既有的霸权主义者一样随意驱遣他人,而是来到国际社会就办三件事——

公平,公平,还是公平。

手里没有技术,和有技术不用,不是一回事。

手里没有利剑,和有剑不用,更不是一回事。

我们要有技术,要有利剑。

为此,我们必须领跑世界。

这是我辈的使命,更是责任。

编辑: 木木
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