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刚刚!中国最强火箭“胖五”成功发射,新一代载人飞船试验船首秀,开启中国航天“超级 ...

北极蚊子 2020-5-6 00:18

中国最强火箭+新一代载人飞船试验船升空,完成了中国今年以来首个重磅的航天发射任务,在后续探月工程、火星计划紧随其后的情况下,今天的发射也开启了中国航天在2020年的“超级模式”。

图丨“胖五”发射画面(来源:直播画面)

北京时间 18:00 ,一枚长征五号 B 运载火箭搭载着新一代载人飞船试验船在海南文昌发射中心准时发射升空。

点火十余分钟后,中国航天科技集团宣布载人飞船试验船已进入预定轨道,发射任务宣告成功,此次试验船将在测试中主要验证气动热防护、再入控制和群伞减速回收等关键技术。

据新华网介绍,作为继神舟飞船任务成功之后我国自主开展研制的功能和性能全面升级的载人飞船,新一代载人飞船将瞄准空间站服务、载人深空探测等多个领域任务。

今天登场的长征五号 B 运载火箭是目前长征五号系列运载火箭家族中的两大成员之一,主要用于空间站舱段等近地轨道大型航天器发射任务,是在长征五号运载火箭基础上改进研制的新型火箭,今天发射也是长征五号 B 的首次飞行任务。

从运载能力来看,长征五号是我国运载能力最强的火箭,可实现近地轨道 25 吨级、地球同步转移轨道 14 吨级的运力,在目前世界现役火箭中排名第三,仅次于猎鹰重型火箭(Falcon Heavy)和德尔塔重型火箭(Delta IV )。由于长征五号个头大,身材“胖”,比长征家族的其他成员要壮硕得多,于是被网友亲切地称作“胖五”。

图 | 长征五号 B

长征五号 B 运载火箭全长约 53.7 米,芯一级直径 5 米,捆绑 4 个直径 3.35 米助推器,整流罩长 20.5 米、直径 5.2 米,采用无毒无污染的液氧、液氢和煤油作为推进剂,起飞质量约 849 吨,近地轨道运载能力大于 22 吨,是目前我国近地轨道运载能力最大的运载火箭。

相对长征五号,长征五号 B 运载火箭最大的区别就是取消了二级火箭,只保留了一级火箭和四台助推器,这让长征五号 B 被称为“一级半”构型,是中国首款一级直接入轨火箭。

同为中国运载能力最强火箭,长征五号主要承担地球同步转移轨道任务,运载能力 14 吨。而长征五号 B 则主要承担建设空间站 舱段发射任务等近地轨道任务。

图丨中国目前已披露的未来飞行计划(数据来源:企鹅科学,DeepTech 整理)

此次发射成功,长征五号无愧于“大国重器”的美誉,中国未来的新一代载人飞船、载人空间站、月球探测器、火星探测器都要靠它来发射升空。甚至,中国航天未来 20-30 年的重任,它都能一肩承担,载荷可以满足在此期间的中国航天发展目标。

新一代载人飞船

藏在火箭顶部整流罩内,新一代载人飞船试验船的上天开启了中国载人航天的全新阶段。新一代载人飞船的到来不仅是对美国、俄罗斯新一代载人飞船的追赶,在中国载人空间站建设的推进也需要新一代的飞船承担往返任务。

图 | 新一代飞船测试

说到飞船,最直接的反应便是神舟飞船。从神舟一号到神舟十一号,中国逐步实现了无人到有人,从单人到多人的载人航天任务。在载人任务上也实现了航天员出舱行走、交会对接等任务。

而在货运飞船方面,天舟系列飞船也于 2017 年 4 月上天,不仅试验了自动交会对接,还突破了推进剂在轨补加技术,这对未来建设载人空间站至关重要。

尽管如此,在与美国新一代载人飞船相比,中国的飞船设计和能力依然显得有些老旧。如今美国和俄罗斯的飞船已经进一步专项追求返回舱的重复使用,以降低成本,同时货运飞船也需要具备从空间站将货物带回地球的下行能力。

图 | 载人飞船对比,右侧为美俄研制的新一代两舱式载人飞船

要满足未来航天任务的需求,中国新一代载人飞船开始走上舞台。

据了解,过去的神舟载人飞船采用资源舱+返回舱+轨道舱三舱的结构,而新一代多用途飞船采用与波音、SpaceX 类似的两舱式设计(返回舱+服务资源舱),直径 4.5 米,长度 7.2 米,重量 14 吨,其返回舱内部容积可达 13 立方米。

这意味着新一代载人飞船的体积和重量是神舟飞船的两倍以上,在未来的运输任务当中,新一代飞船上行运货可达 4 吨,下行运货可达 4.5 吨,实现了从无到有的升级。

与 SpaceX 载人龙飞船类似,中国新一代飞船将在同一飞船的基础上开发出载人和货运两种型号的飞船。在载人能力上,新一代载人飞船的运载人数将从神舟飞船时期的 3 人,增加到 6-7 人。

跟随着全球航天的新潮流,新一代载人飞船研制团队也在尝试通过重复使用飞船返回舱的方式达到降低成本的目的,按照目前计划,新一代飞船返回舱未来最多可重复使用 10 次。

此外,飞船采用模块化设计,通过改变不同长度的服务资源舱模块,可适应近地轨道飞行、载人月球探测和载人深空探测等多种任务。

根据已有报道,未来这款载人飞船还将进一步分为近地版和登月版,前者重量 14 吨,后者重量可达 20 吨,其中登月版将使用更大的服务舱,容纳更多的推进剂,从而满足载人登月任务的需求。

不过当下中国火箭运载能力依旧有限,远未能够将 20 吨的飞船送至月球轨道,在现阶段,服务于中国空间站建设才是新一代载人飞船的最重要意义。

事实上,在长征五号运载火箭成型、新一代飞船将投入使用的基础之上,中国空间建设的计划继续推进,载人航天事业迈入了最终的空间站建设阶段。

中国空间站计划

中国的载人空间站工程正式启动于 2010 年,最终目标是在低地球轨道建设一个常驻的大型空间站。

作为空间站计划的早期阶段,中国分别在 2011 年和 2016 年发射了试验型空间站天宫一号和天宫二号。

图 | 中国载人空间站效果图

与这两者相比,将要正式投入使用、供宇航员常驻的天宫空间站的块头当然更大,它包括“天和”核心舱,“问天”实验舱 I 和“梦天”实验舱 II,采用对称 T 形构型,空间站本体设计达 60 多吨。

整个空间站额定乘员 3 人,乘员轮换期间短期可达 6 人,具备 10 多吨载荷设备的安装和支持能力。

图 | 空间站组装过程

由于“天和”“问天”和“梦天”的单个重量都超过了 20 吨,因此只有具备了 20 吨以上运载能力的火箭,才有能力将空间站“搬上轨道”;此外,空间站在运行期间也需要大运载能力的货运飞船来回运输大量物资。这也是新一代飞船的使命所在。

而在长征五号之前,中国的火箭运载能力只有 10 吨左右。因此“胖 5”火箭的投入使用就直接决定了空间站的建设任务能否顺利推进。

根据目前计划,中国将在 2021 年发射空间站的“天和”核心舱,承担发射任务的自然是长征五号火箭,而最终将空间站组建完成的时间则在 2021 年至 2023 年之间。

开启中国航天黄金年

不管是中国还是世界,2020 年都是航天领域的黄金一年。其中每两年多出现一次的火星探测窗口将在今年年中开启,中国和美国都已计划向火星发射探测器。 在载人方面,美国将借助 SpaceX 之力,重启载人发射任务;而对中国航天来说,随着长征五号火箭的正式投入使用,包括空间站建设、火星任务和嫦娥探月工程也将在今年逐渐开展,而今天的发射也正式拉开了中国航天关键一年的序幕。

一、火星计划

中国在火星探索上的首次尝试是在 2011 年,当年中国与俄罗斯、欧洲在火星探索领域开展了国际性合作,中国开发的“萤火一号”火星探测器搭载在俄罗斯的福布斯-土壤探测器当中,计划一同前往火星,进行环绕探测任务。

当时由于时间紧张、资金有限、没有经验等诸多制约因素,中国才选择将“萤火一号”搭载在俄罗斯火箭上发射,避免了一系列的技术问题。

与此同时,由于火星距离地球遥远,当时中国自有的深空测控网无法完成对“萤火一号”的测控,因此在测控方面也与俄罗斯和欧洲航天局合作完成。

但遗憾的是,由于后续俄方的探测器在与火箭分离后未能成功变轨,“萤火一号”和福布斯-土壤探测器最终未能脱离地球轨道,于次年 1 月在太平洋坠毁。

图 | 火星着陆器效果图

2016 年,中国正式启动自己的火星探测计划。而 2020 年的时间窗口将是进行探测任务的绝佳时间点。从位置和距离来看,每隔 26 个月的时间,火星就会到达距离地球最近的地方,这也就成为了火星探测的时间窗口,时间约为一个月。因此,错过了一个时间窗口就需要再等上两年多。

中国火星探测计划原计划分为“绕”“落”“巡”“回”四个阶段。“萤火一号”来完成“绕”步任务,“萤火二号”来完成“落”步任务。

在“萤火一号”未能成功前往火星的情况下,“萤火二号”就直接承担了“绕”“落”“巡”三个步骤的任务。因此,“萤火二号”火星探测器包括了轨道器、着陆器、巡视器三个部分。且在运载器上,中国也将选择国产的火箭——长征五号。

图 | 2016 年发布的火星探测器飞行效果图(来源:中国探月与深空探测网)

2019 年 11 月,在位于河北怀来的地外天体着陆综合试验场,中国火星探测任务首次公开亮相,同时现场成功进行了首次火星探测任务着陆器悬停避障试验,该试验模拟了着陆器在火星环境下悬停、避障、缓速下降的过程。这是中国火星探测任务首次公开亮相。

图 | 火星车与着陆器效果图

中国火星探测任务计划在 2020 年下半年发射火星探测器,预计经过 10 个月的飞行,2021 年到达火星,着陆火星表面并进行巡视探测。

人类对火星的探测任务起始于 20 世纪 60 年代,截至目前共实施了 44 次活动,其中美国和苏联/俄罗斯进行了绝大多数的探测任务。探测方式主要包括“绕”“落”“巡”三种。但在一次任务中就完成环绕火星飞行、火星软着陆以及火星表面巡视,这在世界航天史上确实是绝无仅有的一次尝试。

二、探月工程

2003 年,中国探月工程(也称嫦娥工程)正式开启,并将其分为“绕”“落”“回”三个阶段。2007 年开始,我国先后发射了嫦娥一号、二号,完成了绕月飞行以及月球硬着陆,对月球进行了探测。

第二阶段“落”月的工作由嫦娥三号、四号探测器完成,与这两个探测器一同前往的就是玉兔号、玉兔二号月球车。其中嫦娥三号探测器于 2013 年 12 月到达月球,开展了月面巡视勘察,获得了大量工程和科学数据。嫦娥四号则在 2019 年 1 月到达月球,完成了世界首次实现月球背面软着陆和巡视勘察。

图 | “玉兔二号”月球车拍摄的嫦娥四号着陆器照片(来源:CNSA / DOUG ELLISON)

在完成了“绕”“落”之后,下一步就是进行难度更大的“回”,也就是探月计划的三期工程:发射月球自动采样返回器,降落到月球表面后,机械手将采集月球土壤和岩石样品送上返回器,返回器再将月球样品带回地球。

图 |“玉兔二号”拍摄的月球表面景观(来源:CNSA / DOUG ELLISON)

相比此前的探月任务,承担这一任务的嫦娥五号不仅要实现环绕、软着陆,还需要在月球表面自动采样后,从月球表面起飞,与月球轨道上的轨道器对接后再返回地球。而上一次完成如此复杂探月任务的,已经是 40 多年前进行的著名的“阿波罗计划”。

需要承担绕、落、采、回的嫦娥五号包括了轨道器、返回器、上升器和着陆器,让整个嫦娥五号探测器重量达到了 8.2 吨。

图 | 最初探月工程计划 2017 年发射嫦娥五号

将这个 8.2 吨的大块头送上月球,自然也需要一支重量级的火箭。此前嫦娥五号计划在 2017 年进行,而当年 7 月,长征五号发射失败让嫦娥五号只能无奈在地面上继续等待。

今天发射任务成功后,长征五号家族火箭已经连续在正式任务中表现正常,逐渐走出 2017 年的失败阴霾。目前嫦娥五号计划在 2020 年底正式启动,前往月球并收集表面的岩石、土壤返回地球,若任务顺利,这也将成为 1976 年以来,人类又一次将月球样本带回地球。

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