再見，大鐘！我國新一代載人飛船重磅亮相，目標直指載人登月

+ 張雪松

未來，也許我們再也看不到這口“大鐘”帶著航天員返航的畫面了。因為，新一代飛船來了！

11月6日，第12屆中國國際航空航天博覽會在珠海開幕，航展在航空方面出現(xiàn)了大量令人耳目一新的展品和表演，航天方面也不乏亮點，我國新一代載人運載火箭和新一代載人飛船都重磅亮相（圖1）。其中，新一代載人飛船作為現(xiàn)有神舟飛船的后繼型號，將讓中國人在太空走得更遠，圓中華民族千年的奔月之夢。

老飛船存在不足

近十幾年來，我國載人航天工程取得了輝煌的成就，神舟飛船任務實現(xiàn)了無人到有人、單人到多人，以及出艙和交會對接等關鍵技術的突破，使我國成為世界上第三個具備獨立載人航天能力的國家。我國還研制了天舟系列貨運飛船，它不僅試驗了自動交會對接，進行了在軌科學實驗，還突破了推進劑在軌補加技術，為我國下一步建造載人空間站奠定了堅實的基礎。

神舟和天舟飛船為我國載人航天工程的發(fā)展立下了汗馬功勞，但客觀來說，它們啟動研制時間較早，設計和技術在今天看來已有些不合時宜。

神舟飛船采用三艙式構型（圖2），這來源于蘇聯(lián)。蘇聯(lián)聯(lián)盟號飛船為三艙構型（圖3），其初衷是為了登月任務。為了降低研制難度，返回艙采用直徑較小的設計，但即使采用加工復雜的鐘形設計以增加內部容積，返回艙的容積仍然不大，這樣的返回艙對近地軌道任務還能勉強對付，但用于長時間的登月任務就實在不合適了。于是，為了增加飛船內部加壓空間，蘇聯(lián)人靈機一動增加了一個軌道艙。雖然后來登月計劃被取消，聯(lián)盟號飛船只用于近地軌道任務，但增加的軌道艙加大了內部加壓空間，提高了航天員的舒適程度，所以仍然被保留下來。我國神舟飛船正是照搬了這樣的推進艙、鐘型返回艙加軌道艙的三艙式設計。

圖1 新一代載人飛船縮比模型亮相珠海航展

到了21世紀，空氣動力學和計算能力的進步，讓設計大直徑返回艙得心應手，美俄都先后展開了相關的研制，返回艙直徑增加后也就不在乎鐘形設計增加的那點容積了，加工難度較低的倒錐形返回艙便開始大行其道。

倒錐形大直徑返回艙加上服務艙的兩艙式載人飛船，不僅內部空間大，而且設計簡潔便于制造，成為當今載人航天的發(fā)展潮流，如俄羅斯研制中的聯(lián)邦號飛船（圖5)，美國研制中的獵戶座等飛船（圖6）。對比美俄新一代載人飛船，我國神舟飛船的基本設計仍然停留在三十年前，顯得有些不合時宜了。美俄新飛船還追求返回艙的重復使用，以降低飛行成本，這也是我國載人飛船需要追趕的目標。貨運飛船也是如此，現(xiàn)在除了上行向空間站運貨外，下行返回時的貨物運載需求也越來越大，而天舟貨運飛船并沒有下行能力。現(xiàn)有的神舟和天舟飛船都有所不足，研制新一代飛船成為我國載人航天發(fā)展的必然需求。

圖2 神舟載人飛船示意圖，三艙式設計

圖3 對接在國際空間站上的聯(lián)盟號飛船，明顯可見三艙式設計

圖4 神舟十一號飛船與天宮二號空間實驗室對接示意圖，航天員從返回艙、經由軌道艙、進入天宮二號

圖5 研制中的俄羅斯聯(lián)邦號飛船，采用兩艙式設計

圖6 美國研制中的獵戶座飛船（右）、載人龍飛船（中）、CST100飛船（左），均為兩艙式設計

新飛船驚艷亮相

我國新一代多用途飛船是一種直徑4.5米，長度7.23米，重量14噸的大型兩艙式飛船，它的返回艙內部容積可達13立方米。新一代飛船初期將使用現(xiàn)役的長征七號運載火箭發(fā)射，支持我國空間站的天地往返運輸任務。新一代飛船上行貨運能力可達4噸，做為貨運飛船使用時下行貨運能力可達2.5噸，雖然最大載貨量小于天舟飛船，但大運力的下行貨運能力卻填補了我國載人航天系統(tǒng)的空白。

更重要的是，新一代飛船兼顧載人和貨運任務，它同時還將發(fā)展出載人飛船型號，替代神舟飛船成為我國的太空出租車，這和美國正在研制的龍二代飛船神似。神舟飛船一次只能運輸3人，而新一代飛船直接翻倍、一次能運輸6-7人，即使將來天宮號空間站擴容增員，新一代載人飛船的運載能力也綽綽有余。新載人飛船返回時還能攜帶500千克的貨物，真是個多面手。

多用途飛船外形結構與美國的獵戶座飛船及俄羅斯的聯(lián)邦號飛船十分相似。它不僅具備多任務能力，還能滿足近地軌道空間站和深空載人任務需求。多用途飛船的壽命也大有提高，它在軌?？靠臻g站的時間從目前神舟飛船的半年/180天增加到2-3年。另外新飛船的返回艙使用了可重復使用技術，本屆航展上展出的縮比返回艙就標示出了可重復使用的金屬結構。返回艙重復使用可以降低飛船使用成本和載人航天的運營成本。

圖7 2016年6月26日，搭乘長征七號升空的多用途飛船縮比返回艙回收現(xiàn)場，鐘型已“變身”成倒錐形

圖8 2018年4月進行的新一代飛船氣囊緩沖試驗

圖9 2018年10月在國際宇航大會上公布的中國新一代飛船研制路線圖

研制進度快馬加鞭

中國航天緊跟國際載人航天發(fā)展潮流，新一代多用途飛船的研制早已啟動。2014年，官方媒體就提到中國航天正在研制新一代載人飛船，從對中國載人飛船系統(tǒng)總設計師張柏楠的采訪報道中可以推測，神舟十號任務后新一代飛船的研制就啟動了。這種名為“多用途飛船”的新一代飛船，將是兼顧載人和貨運任務的新型號，人員和貨物運輸能力更強，可以更好地支持空間站的運營。

其實，新一代飛船早已公開亮相。在2016年長征七號火箭首飛時，主載荷正是新一代多用途飛船的縮比返回艙（圖7)。此后雖然消息不多，但新一代飛船的研制一直穩(wěn)步快速推進。2018年4月，媒體傳出了新一代飛船返回艙進行氣囊著陸緩沖試驗的消息（圖8），官方消息稱返回艙的重量達到7噸級，幾乎比得上一艘神舟飛船！2018年10月，在德國不萊梅召開的國際宇航大會上公布了新一代飛船的消息，工程進展程度更加清晰——目前正在進行詳細設計，預計明年突破飛船的各項關鍵技術，2020年完成制造后，2021年就將進行首次飛行試驗（圖9）！

從目前公布的時間表來看，我國新一代飛船的首飛時間比美國獵戶座飛船只晚一年。也就是說，中美載人航天的差距將觸手可及！

載人登月不再遙遠

新一代載人飛船不僅將成為天宮號空間站的好伙伴，還是中國航天邁向深空的千里馬。根據(jù)現(xiàn)有報道，新一代載人飛船將分為近地版和登月版，前者重量14噸，后者重量可達20噸，它們的區(qū)別在于：登月版將使用更大的服務艙，容納更多的推進劑，從而提供更多的速度增量，滿足載人登月任務的需求。

長征七號火箭發(fā)射14噸級近地版新一代飛船還勉強夠格，但20噸級的登月版飛船，長征七號實在無能為力。哪怕是運力更大的長征五號B型火箭，也只能將登月版飛船送入近地軌道。因此，我國未來登月飛船將使用剛剛登場亮相的新一代載人火箭發(fā)射（圖10），它借鑒了獵鷹重型火箭的設計思路，5米直徑火箭助推器布置7臺YF-100K液氧煤油發(fā)動機，無捆綁構型運力可達14噸以上，正好用于發(fā)射近地版新一代飛船；3個5米直徑火箭助推器并聯(lián)后，加上新研制的第二級和第三級，便可以將27.5噸的載荷送入地月轉移軌道，輕松發(fā)射我國20噸級的新一代登月飛船。

從現(xiàn)有新聞分析，未來我國將使用新一代載人火箭發(fā)射新一代載人飛船，統(tǒng)籌近地空間站運營和載人登月任務。隨著新一代火箭尤其是載人飛船的研制和服役，中國將在不遠的將來實現(xiàn)載人登月的夢想，有望成為繼美國之后第二個具備獨立載人登月能力的國家。

圖10 新一代載人火箭亮相2018珠海航展