+ 張雪松

未來，也許我們?cè)僖部床坏竭@口“大鐘”帶著航天員返航的畫面了。因?yàn)?，新一代飛船來了！

11月6日，第12屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)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(diǎn)，我國(guó)新一代載人運(yùn)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(hào)，將讓中國(guó)人在太空走得更遠(yuǎn)，圓中華民族千年的奔月之夢(mèng)。

老飛船存在不足

近十幾年來，我國(guó)載人航天工程取得了輝煌的成就，神舟飛船任務(wù)實(shí)現(xiàn)了無人到有人、單人到多人，以及出艙和交會(huì)對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù)的突破，使我國(guó)成為世界上第三個(gè)具備獨(dú)立載人航天能力的國(guó)家。我國(guó)還研制了天舟系列貨運(yùn)飛船，它不僅試驗(yàn)了自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，進(jìn)行了在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)，還突破了推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)，為我國(guó)下一步建造載人空間站奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

神舟和天舟飛船為我國(guó)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(dòng)研制時(shí)間較早，設(shè)計(jì)和技術(shù)在今天看來已有些不合時(shí)宜。

神舟飛船采用三艙式構(gòu)型（圖2），這來源于蘇聯(lián)。蘇聯(lián)聯(lián)盟號(hào)飛船為三艙構(gòu)型（圖3），其初衷是為了登月任務(wù)。為了降低研制難度，返回艙采用直徑較小的設(shè)計(jì)，但即使采用加工復(fù)雜的鐘形設(shè)計(jì)以增加內(nèi)部容積，返回艙的容積仍然不大，這樣的返回艙對(duì)近地軌道任務(wù)還能勉強(qiáng)對(duì)付，但用于長(zhǎng)時(shí)間的登月任務(wù)就實(shí)在不合適了。于是，為了增加飛船內(nèi)部加壓空間，蘇聯(lián)人靈機(jī)一動(dòng)增加了一個(gè)軌道艙。雖然后來登月計(jì)劃被取消，聯(lián)盟號(hào)飛船只用于近地軌道任務(wù)，但增加的軌道艙加大了內(nèi)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(guó)神舟飛船正是照搬了這樣的推進(jìn)艙、鐘型返回艙加軌道艙的三艙式設(shè)計(jì)。

圖1 新一代載人飛船縮比模型亮相珠海航展

到了21世紀(jì)，空氣動(dòng)力學(xué)和計(jì)算能力的進(jìn)步，讓設(shè)計(jì)大直徑返回艙得心應(yīng)手，美俄都先后展開了相關(guān)的研制，返回艙直徑增加后也就不在乎鐘形設(shè)計(jì)增加的那點(diǎn)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(wù)艙的兩艙式載人飛船，不僅內(nèi)部空間大，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔便于制造，成為當(dāng)今載人航天的發(fā)展潮流，如俄羅斯研制中的聯(lián)邦號(hào)飛船（圖5)，美國(guó)研制中的獵戶座等飛船（圖6）。對(duì)比美俄新一代載人飛船，我國(guó)神舟飛船的基本設(shè)計(jì)仍然停留在三十年前，顯得有些不合時(shí)宜了。美俄新飛船還追求返回艙的重復(fù)使用，以降低飛行成本，這也是我國(guó)載人飛船需要追趕的目標(biāo)。貨運(yùn)飛船也是如此，現(xiàn)在除了上行向空間站運(yùn)貨外，下行返回時(shí)的貨物運(yùn)載需求也越來越大，而天舟貨運(yùn)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(guó)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(shè)計(jì)

圖3 對(duì)接在國(guó)際空間站上的聯(lián)盟號(hào)飛船，明顯可見三艙式設(shè)計(jì)

圖4 神舟十一號(hào)飛船與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室對(duì)接示意圖，航天員從返回艙、經(jīng)由軌道艙、進(jìn)入天宮二號(hào)

圖5 研制中的俄羅斯聯(lián)邦號(hào)飛船，采用兩艙式設(shè)計(jì)

圖6 美國(guó)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(shè)計(jì)

新飛船驚艷亮相

我國(guó)新一代多用途飛船是一種直徑4.5米，長(zhǎng)度7.23米，重量14噸的大型兩艙式飛船，它的返回艙內(nèi)部容積可達(dá)13立方米。新一代飛船初期將使用現(xiàn)役的長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射，支持我國(guó)空間站的天地往返運(yùn)輸任務(wù)。新一代飛船上行貨運(yùn)能力可達(dá)4噸，做為貨運(yùn)飛船使用時(shí)下行貨運(yùn)能力可達(dá)2.5噸，雖然最大載貨量小于天舟飛船，但大運(yùn)力的下行貨運(yùn)能力卻填補(bǔ)了我國(guó)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(yùn)任務(wù)，它同時(shí)還將發(fā)展出載人飛船型號(hào)，替代神舟飛船成為我國(guó)的太空出租車，這和美國(guó)正在研制的龍二代飛船神似。神舟飛船一次只能運(yùn)輸3人，而新一代飛船直接翻倍、一次能運(yùn)輸6-7人，即使將來天宮號(hào)空間站擴(kuò)容增員，新一代載人飛船的運(yùn)載能力也綽綽有余。新載人飛船返回時(shí)還能攜帶500千克的貨物，真是個(gè)多面手。

多用途飛船外形結(jié)構(gòu)與美國(guó)的獵戶座飛船及俄羅斯的聯(lián)邦號(hào)飛船十分相似。它不僅具備多任務(wù)能力，還能滿足近地軌道空間站和深空載人任務(wù)需求。多用途飛船的壽命也大有提高，它在軌?？靠臻g站的時(shí)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(fù)使用技術(shù)，本屆航展上展出的縮比返回艙就標(biāo)示出了可重復(fù)使用的金屬結(jié)構(gòu)。返回艙重復(fù)使用可以降低飛船使用成本和載人航天的運(yùn)營(yíng)成本。

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

圖8 2018年4月進(jìn)行的新一代飛船氣囊緩沖試驗(yàn)

圖9 2018年10月在國(guó)際宇航大會(huì)上公布的中國(guó)新一代飛船研制路線圖

研制進(jìn)度快馬加鞭

中國(guó)航天緊跟國(guó)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(dòng)。2014年，官方媒體就提到中國(guó)航天正在研制新一代載人飛船，從對(duì)中國(guó)載人飛船系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師張柏楠的采訪報(bào)道中可以推測(cè)，神舟十號(hào)任務(wù)后新一代飛船的研制就啟動(dòng)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(yùn)任務(wù)的新型號(hào)，人員和貨物運(yùn)輸能力更強(qiáng)，可以更好地支持空間站的運(yùn)營(yíng)。

其實(shí)，新一代飛船早已公開亮相。在2016年長(zhǎng)征七號(hào)火箭首飛時(shí)，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(jìn)。2018年4月，媒體傳出了新一代飛船返回艙進(jìn)行氣囊著陸緩沖試驗(yàn)的消息（圖8），官方消息稱返回艙的重量達(dá)到7噸級(jí)，幾乎比得上一艘神舟飛船！2018年10月，在德國(guó)不萊梅召開的國(guó)際宇航大會(huì)上公布了新一代飛船的消息，工程進(jìn)展程度更加清晰——目前正在進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)明年突破飛船的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，2020年完成制造后，2021年就將進(jìn)行首次飛行試驗(yàn)（圖9）！

從目前公布的時(shí)間表來看，我國(guó)新一代飛船的首飛時(shí)間比美國(guó)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(yuǎn)

新一代載人飛船不僅將成為天宮號(hào)空間站的好伙伴，還是中國(guó)航天邁向深空的千里馬。根據(jù)現(xiàn)有報(bào)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(dá)20噸，它們的區(qū)別在于：登月版將使用更大的服務(wù)艙，容納更多的推進(jìn)劑，從而提供更多的速度增量，滿足載人登月任務(wù)的需求。

長(zhǎng)征七號(hào)火箭發(fā)射14噸級(jí)近地版新一代飛船還勉強(qiáng)夠格，但20噸級(jí)的登月版飛船，長(zhǎng)征七號(hào)實(shí)在無能為力。哪怕是運(yùn)力更大的長(zhǎng)征五號(hào)B型火箭，也只能將登月版飛船送入近地軌道。因此，我國(guó)未來登月飛船將使用剛剛登場(chǎng)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(shè)計(jì)思路，5米直徑火箭助推器布置7臺(tái)YF-100K液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，無捆綁構(gòu)型運(yùn)力可達(dá)14噸以上，正好用于發(fā)射近地版新一代飛船；3個(gè)5米直徑火箭助推器并聯(lián)后，加上新研制的第二級(jí)和第三級(jí)，便可以將27.5噸的載荷送入地月轉(zhuǎn)移軌道，輕松發(fā)射我國(guó)20噸級(jí)的新一代登月飛船。

從現(xiàn)有新聞分析，未來我國(guó)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(yùn)營(yíng)和載人登月任務(wù)。隨著新一代火箭尤其是載人飛船的研制和服役，中國(guó)將在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)載人登月的夢(mèng)想，有望成為繼美國(guó)之后第二個(gè)具備獨(dú)立載人登月能力的國(guó)家。

圖10 新一代載人火箭亮相2018珠海航展