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出品：科普中国
制作：太空精酿
监制：中国科学院计算机网络信息中心
5月5日18时，中国文昌航天发射场，长征五号B运载火箭点火升空，将#新一代载人飞船#试验船等载荷的组合体送入预定轨道，实现空间站阶段飞行任务首战告捷，拉开我国载人航天工程“第三步”任务序幕。
图片来源：来源：江程杰
长征五号B型火箭首次（遥一）发射，中国新型载人飞船首次正式发射演练，中国载人航天工程实现了有着举足轻重意义的“一箭双雕”！
一、为什么需要新火箭、新飞船？
1992年9月21日，中国启动了中国载人航天工程，即著名的“921工程”。按照计划，该工程可分为“突破天地往返”、“突破交会对接，出舱行走和在轨短期驻留”和“运营长期在轨驻留的大型空间站”三个阶段。
经过了近30年发展，整个工程已经历了两型火箭（长征2F和长征7号）、11艘神舟载人飞船、1艘天舟货运飞船、两批航天员和两个天宫目标飞行器/空间实验室的巨大成功。中国以极低的成本、最高效率地利用有限任务次数，完成了天宫空间站建站的全部准备，可谓是人类航天史上的奇迹。
杨利伟成为中国航天划时代发展的见证者（图源：中国载人航天办公室）
30年来，整个工程一直在稳稳地按照计划进行，下一步就是发射长期在轨驻留的天宫空间站，中国载人航天技术也将达到新高度。但随着技术发展进入深水区，中国载人航天也面临着一系列挑战，如果总结为一句话，就是“现有技术不够用了，已经无法满足未来天宫空间站的建设”。
例如，中国载人航天“神箭”长征2F发射了11艘神舟飞船和2艘实验性质小型空间站，可它的整流罩直径仅为3.8米、最大近地轨道运力8.6吨，神舟飞船只能搭乘3名航天员进入太空，且各项能力有限，已经慢慢无法满足中国航天人“星辰大海”的下一步梦想。
此刻，我们亟需新火箭和新飞船。
二、新长征五号B型火箭“新”在哪里？
运载火箭是航天事业的基石，决定了一国航天发展的能力上限。
进入新世纪以后，中国陆续服役了长征十一号、长征六号、长征七号和长征五号等系列火箭，尤其是长征五号成为大型任务的必备选项。它将长征火箭家族近地轨道运力上限从8.6吨提到25吨，能将东方红五号平台这类8-9吨级载荷发射到高轨，能执行更大型的嫦娥五号登月采样返回任务，能执行大型火星探测和深空探测任务等。
总体上，长征五号是一个通用化、系列化、组合化的大型运载火箭平台。对于中国航天要揽的“瓷器活”而言，它就是“金刚钻”。对于载人航天领域而言，下一步的天宫空间站核心舱重量达到了20吨级别，这时就必须依赖长征五号系列火箭。
而本次发射的长征五号B型火箭，则是根据具体需求，在基本型的基础上扩展而来的新型号，它的核心目标就是服务于重型的天宫空间站发射任务。
长征五号基本型和B型运载火箭对比图（授权图源：Memorian-QN）
从上图可以看出，相比长征五号火箭这个57米高的“大胖子”，它是一个约53.7米的“矮胖子”。它们的主要区别有两点：
1. 长征五号B型火箭移除芯二级，成为“一级半（芯一级+助推器）”构型
对于长征五号火箭而言，它的芯一级和4枚助推器是“大力出奇迹”的关键所在，共计10枚发动机（2台YF-77和8台YF-100）能产生超过1050吨巨大推力。火箭的高轨（轨道高度数万千米，乃至更远的深空）运力主要由能长期工作的芯二级和可扩展上面级决定。而对于专注于近地轨道（轨道高度仅数百千米）重载任务的B型火箭而言，“一级半”构型足够实现近地的天宫空间站建设需要，发射本次重点测试的新载人飞船也不在话下。
2. 长征五号B型火箭使用了更大的整流罩
虽然移除了长约11.5米的芯二级，相对于基本型而言，长征五号B火箭整体长度仅缩短了3米多，重要原因就在于它更大的整流罩。整流罩是处在火箭顶部保护航天器的重要构件，新版整流罩长度达到了20.5米、直径5.2米，足以保护巨大的天宫空间站核心舱段。
因而，长征五号B型火箭是专注于近地轨道重型大体积载荷运输的“矮胖子”，它的首次发射成功，也标志着天宫空间站建设过程中最重要的运输载具完全成熟。
三、新载人飞船“新”在哪里？
目前，人类正处于服役阶段并执行过实际载人任务的的载人飞船只有两种：俄罗斯的联盟飞船和中国的神舟飞船。它们都是标准三舱式（推进舱、轨道舱和返回舱）构型，仅能运送3名航天员/宇航员、运力有限、一次性使用、功能和拓展性有限，各方面都无法满足下一步人类载人航天需求。
△人类现役且执行过载人任务的两款载人飞船典型特点之一就是逼仄的空间，神舟飞船（左）比联盟飞船（右）稍大一些，但也仅是约6立方米空间（返回舱），仅相当于一间2平米的房间，甚至无法放下一张床（图源：中国载人航天/Roscosmos）
△世界两款现役且执行过载人任务的载人飞船和五款在研载人飞船对比，各国新型载人飞船的各项能力均大幅提升（授权图源：Memorian-QN）
因而，目前世界唯三的载人航天势力，中国、美国和俄罗斯，都在发展新一代载人航天飞船技术。此次任务，发射的便是中国的新载人测试飞船，它与神舟飞船相比，进行了全方位的升级。
1.修改成更大的两舱式设计
与神舟飞船相比较，新载人飞船移除了轨道舱。设计轨道舱的主要原因在于它可以在飞船整体进入轨道后，给三名航天员提供短期驻留空间，从事科研和技术验证等，空间也稍大于返回舱（8立方米）。在载人任务结束后，推进舱和返回舱会返回地球，推进舱会被抛弃。而轨道舱能实现一定时间在轨驻留，起到小型空间科研平台的效果，本质上是近地空间站和载人飞船技术不成熟时的一种技术妥协，总体性价比并不高。
△2016年10月17日神舟11号飞船进入太空，两位航天员景海鹏和陈冬在完成与天宫二号对接任务后返回地球，而神舟11号飞船的轨道舱至今仍在太空中。目前轨道在逐渐降低，最终会进入大气层返回（左图源：中国载人航天）
但随着中国载人航天也即将迈入空间站时代，效率更高、技术更先进、容量更大的两舱式设计更加适合当前需要。它的最大运力为7名航天员，大幅超过了神舟飞船仅3名的上限。此外，它还拥有更大货运能力，尤其是在进入太空和返回地球时可由航天员携带回更多有价值载荷。
2.可重复使用
联盟飞船和神舟飞船都是一次性使用，唯一返回地球的返回舱也完全失效，而新载人飞船将通过模块化、通用化设计实现重复使用。一个典型特点是它采取隔热模块和返回舱段组合的方式，使用后仅需更换隔热模块即可。
△早在2016年6月25日，我国新型火箭长征七号首飞时就携带了新一代载人飞船实验缩比返回舱，随后在2018年第十二届中国国际航空航天博览会展出，可以明显看出防热结构和主金属结构的模块化设计（图自：新华视点）
为提升回收安全性、降低对返回舱的损耗，新载人飞船返回舱将采取群伞与缓冲气囊结合的方式回收，相较神舟飞船做了全方位升级，预计将实现10次以上的稳定复用能力。
早在2018年5月，新载人飞船就进行了气囊着陆缓冲实验（动图源：航天科技集团）
3.长寿命、多构型的先进通用平台
天宫空间站建成后，预计航天员将实现半年一次轮换，期间必须保证空间站长期对接有紧急逃生用飞船，这已经大幅超过了神舟飞船仅几十天的设计寿命。而新载人飞船设计寿命将在2-3年水平，不仅能够满足近地轨道任务需求，也能满足更长期的深空探测任务需求。与此同时，新载人飞船的材料设计也允许它在太空更恶劣的环境、尤其是深空辐射环境中，长期正常工作。
新载人飞船主要会有两个构型，它们大小、质量等不同。这意味着新载人飞船不仅适用于常规的近地轨道载人任务，也可以根据任务需求扩展为探月和深空探测版本，最大构型8.8米长，重21.6吨，足以完成复杂的深空探测任务需求。而神舟飞船并没有深空飞行能力。
对于深空探测载人任务，例如载人登月任务，飞船返回地球、冲入大气时速度更大，这意味着更剧烈的摩擦，必须提高飞船耐热能力。相较于神舟飞船，新载人飞船的耐热能力提升了3-4倍，未来的中国载人登月计划，它也必将成为主力。
2019年12月27日，中国长征五号运载火箭遥三任务顺利发射后的大屏（图源：我们的太空）
1970年4月24日，东方红一号卫星成功进入太空，中国人千百年来的航天梦终于从“嫦娥奔月”和“万户飞天”的传说成为现实，最近我们还迎来了中国航天50周年纪念日。50年后，东方红一号卫星仍然在太空中，见证着中国新一批火箭和航天器的发射，它们都将成为中国航天事业的最有力的见证者。从筚路蓝缕到厚积薄发，航天人也在让中国人“星辰大海”的梦想逐步成为现实！新的征途就在眼前，向着星辰大海，出发！
文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场 |
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发表于 2020-5-6 03:52:20
