全国政协委员包为民详解我国航天科技未来发展

长征五号B运载火箭正在测试(图片来源:中国载人航天官方网站) 央广网北京3月12日消息(记者张棉棉)据中央广播…

长征五号B运载火箭正在测试(图片来源:中国载人航天官方网站)

央广网北京3月12日消息(记者张棉棉)据中央广播电视总台中国之声《新闻纵横》报道,上世纪90年代开始启动的我国载人航天工程,规划了“三步走”战略。从发射载人飞船将中国航天员送入太空,到太空出舱、发射空间实验室,如今已走到第三步,也就是“建造空间站”。

根据计划,空间站核心舱将在2021年上半年发射,目前核心舱和它这次旅程的小伙伴——长征5号B遥二运载火箭已经在海南文昌航天发射场集合,即将踏上征程。我们的空间站将如何建成?空间站的各舱段又有哪些重要作用?全国政协委员、航天科技集团科技委主任、中科院院士包为民给出了答案。

此前我们已经有发射天宫一号目标飞行器和神舟飞船的经验,再发射空间站核心舱是否会容易许多?包为民解释说,远不是大家想象的那样,虽然我们的空间站也被命名为“天宫”,但和之前的天宫一号、天宫二号大不相同,后者更多是为了验证核心舱的一些相关技术做的系统级实验,就像“先遣部队”。

包为民介绍说:“空间站核心舱与天宫一号差异还是非常大的。从个头上来看,核心舱比天宫一号或者天宫二号要大很多,原来的天宫一号、天宫二号也就是8.5吨左右,而现在我们的核心舱都达到了22.5吨;从外径来看,原来天宫只有3.35米的外径,现在我们的核心舱已达到4.2米的外径,直径大了很多,原来里面航天员活动空间从16立方米增至现在的53立方米。”

我国的天宫空间站是一座有着较大规模的空间基础设施,目标是建成长期有人照料的国家级太空实验室,这就要求它具备连续载人能力。从空间站本身来说,包括一个核心舱,两个实验舱和光学舱。由载人运载火箭CZ-2F、CZ-5B(发射核心舱、实验舱)、CZ-7(发射货运飞船),神舟载人飞船、货运飞船等,共同完成空间站的建设。核心舱命名为天和,实验舱一、二命名为问天、梦天。三个舱加起来,天宫空间站总质量将达近70吨,空间约110立方米,可以变轨,可以供3人长期在空间站中驻留,还可以供6人短期在空间站中驻留10天左右。三个舱每个舱长度约16米。

包为民表示:“空间站是我国最复杂的航天系统,它将在轨完成建造,即:核心舱再加两个实验舱构成一个T字型,三个舱要在空间进行组装,这三舱都是一体化设计的,所以它的构型是非常复杂的。目前,核心舱已抵达文昌,开始做电测,很快就要进入到模拟飞行总检查测试了,工作正常。”

这个T字型的组成也很有讲究,在轨道上面,实验舱和核心舱对接,然后用机械臂或转位机构把它们转到合适的位置,这样T字就出现了。下面的一竖就是核心舱,左右两边半横是两个实验舱。但仅仅是这三个舱显然不够。据介绍,在T字型的后面,一竖下面有一个对接口,主要是对接货运飞船,货运飞船将给航天员运送生活用品、科学实验的设备和维护用器材,并可为空间站加注推进剂。在T字型横的平面上以及垂直T字型的平面上,将分别对接一艘载人飞船。

目前,我国空间站已经进入全面建设期,各项工作进展顺利。上半年计划发射核心舱、天舟二号货运飞船以及神舟十二号载人飞船,在下半年还要进行天舟三号以及神舟十三号的发射。包为民委员说,最终空间站将在2022年建成:“空间站的建造过程共要进行11次发射。其中,长征-5B火箭3次,分别发射核心舱、实验舱一和实验舱二;长征七号4次,发射4艘货运飞船;长征-2F火箭4次,发射4艘载人飞船,将4组乘员(12人)接送到空间站。而且是两个发射基地,海南发射基地发射核心舱、实验舱和货运飞船,酒泉发射基地发射载人飞船,历时两年才能完成我们的空间站的建造。”

那么,从发射基地来说,为什么要用两个发射基地配合才能完成空间站的建造?包为民委员解释说:“因为两种火箭用的推进剂不一样,海南那边没有传统推进剂的发射工位,都是用的新一代液氧煤油或者液氢液氧发动机的推进剂加注工位,所以海南只能发射新一代运载火箭,第一代运载火箭还得从酒泉发射。另外,两个基地配合实际上也更有好处。货船和载人船分别从两个地方(发射)上去,相对于一个基地的地面准备,有利于并行操作,也有利于将来有救援的问题。”

据了解,去年底,我国载人航天工程第三批预备航天员选拔工作已正式结束。新选拔的18名航天员已经报到,准备进入训练。目前我们国家的航天员队伍是由第一批和第二批的16名航天员,以及第三批的18名航天员组成的。第三批航天员主要由空军飞行员、科研院所的科学家和工程师、科研单位的专家等三方面人员构成,男女航天员均有。不同于前两批航天员备战我国空间站的建造期任务,第三批航天员主要是为空间站运营阶段的飞行而准备的,第三批航天员还要经过3到4年的周期性基本训练之后,才能够具备执行任务的能力。

有了空间站,代表着我们的航天技术再上新台阶。航班化航天运输技术也在路上。按照规划,航班化航天运输有望在2045年全面建成。那么,什么是航班化航天运输?速度究竟有多快?

航班化航天运输实际上就是实现“按需发射”,到那时候,我们每年航天发射的次数将从现在的几十次提升到上百次,运货总能力可以达到万吨级,运客能力可以达到万人次。包为民委员说,航班化航天运输系统主要由1小时全球抵达运输、天地往返运输、空间转移运输等三类运输系统组成,能够满足我国和人类未来进出空间、开发空间、利用空间的任务需求,促进航天产业的发展。它的主要实现途径是重复使用的运载火箭加高超声速的技术。

包为民表示:“首先要解决火箭的重复使用问题,否则成本太高,就实现不了航班化。其次,航班化的主要功能是载人载货,其功能类似一个航天飞机,既具备一定的载重能力又可以实现自主回收,回收方式可以是水平降落,也可以是垂直降落。”

国际上,美国的Space X公司已经实现火箭的可重复使用,去年12月23日,在海南文昌发射场,我国发射了长征八号运载火箭,未来它的目标就是可重复使用。

包为民透露:“长征八号在设计规划之初就考虑要实现重复使用功能,但是其关键问题还是发动机,长征八号用的还是与长征五号同款的型号为YF-100的发动机,这个发动机距离重复使用还有一定距离。所以我们想在它的基础上做一个未来可实现几十次上百次重复使用功能的新型发动机。”

采用航班化运营模式,具有高可靠性、低成本、重复使用、智能化、模块化、标准化、产业规模化等基本特征。包为民委员强调,达到这样的目标,不一定要追求单项技术最高,也就是不追求发动机的推力比或推力最强,但一定要追求可靠,未来除了长征八号,包括长征五号系列运载火箭也有望成为重复使用的火箭。

包为民表示:“发动机的考核指标和单项性能不一定是完全追求最高。将来我们会有几个系列的运载火箭,长征八号是一个首选的系列,长征五号、甚至载人火箭都将变为重复使用火箭,他们可能都会用到这样的发动机,就跟我们汽车上的发动机一样,装在什么车上,就能打造成一个什么型号的车。”

航班化航天运输在2025年前主要还是起步建设阶段,到2035年初步建成,到2045年达到总目标。也就是说,到2045年,我们将实现以接近第一宇宙速度(约7.9km/s)实现全球1小时跨洲际的飞行。这样的速度,我们人体能够承受吗?包为民委员拿变加速电梯举例回答,肯定是能做到的:“变加速的时候对人体的过载很小,感觉不出来,而如果是恒定加速人体会难以接受。所以这就要求火箭的发动机要可变推力,这样的发动机使人感受不到大的过载,适合载人洲际飞行。”

在这样的发动机加持下,我们是不是可以坐着火箭去“火星”甚至更远的外太空呢?包为民表示:“如果到了更远的地方还能持续加速就有望实现这一目标,但现在我们还需要研究新的推进系统。现在的技术还无法满足大规模人群的星际航行的目标。”

虽然人类在火星上真正生活还有距离,但我们已经迈出了第一步,去年年中,我们的首个火星探测器天问一号已经开启火星探测新征程,今年春节期间,天问一号已经抵达火星轨道。就在前几天,阿联酋“希望号”也已经被火星捕获,同时,美国的“毅力号”火星车着陆火星并开始寻找生命之旅。目前,天问一号状态如何?和美国“毅力号”以及阿联酋“希望号”又有着怎样的区别?

包为民委员介绍,目前天问一号状态良好,正在停泊轨道上,也就是在大椭圆轨道上进行环火的探测。运用高分、中分相机和光谱相机对火星着陆区域附近进行详查,为后续着陆火星做好准备。

他介绍说:“天问一号现在运行在火星的停泊轨道上,轨道周期两个火星日,基本上相当于地球上的两天,在两天时间里我们会拍一些照片下来,由于是在近地点200多公里,远地点5万多公里的轨道上,所以在这个大椭圆轨道上靠近火星的时候我们才去拍。也正因此,每两天我们会拿到一些火星的高清图片。”

目前,阿联酋“希望号”已经完成了环绕火星的任务。美国由于已经有22次探火的经验,因此,这一次,他们的“毅力号”选择更进一步——在火星上寻找生命的任务才刚刚开始。

包为民表示:“他的着陆方式跟我们天问一号不太一样,‘毅力号’有一个像悬停的吊车一样的东西,叫空中起重机,它悬停在火星表面上方,把‘毅力号’火星车用绳索放下来到火星表面的同时切断绳索,然后空中起重机就飞走了,‘毅力号’就着陆在火星上了。”

相比之下,我们的火星探测虽然起步较晚,但是将一次实现“绕着巡”三步走,难度系数再加一级。包为民委员说,今年5至6月,天问一号将择机着陆火星,其中,着陆火星的“黑色七分钟”是难点中的难点。

“天问一号就跟我们的神舟飞船一样,先是气动减速,然后再用伞降减速,最后着陆。第一个减速,天问一号要从4.8公里/秒减到460米/秒,这就要求我们一定要选好进入火星大气层的角度。”包为民说。

和嫦娥三号、嫦娥四号的月面软着陆不同,火星上有稀薄的大气,是地球大气的1%,这意味着,我们的火星着陆要闯出一条新路。

包为民表示:“月球没有大气,纯粹靠动力减速,而火星是有稀薄大气层的,天问一号是靠大气减速、伞降减速再加动力减速三者组合,比月球着陆要更加复杂。这三个环节环环相扣,稍一协调不好就会为‘着火’带来风险。”

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