新一代多用途载人飞船概念研究.pdf

1、航 空 学 报 Jan. 25 2014 Vol.35 No.X: XX-XX Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V http:/ D01： 10.7527/S1000-6893.2014.0355 新一代多用途 载人 飞船 概念研究 杨雷 ， 张柏楠 ， 郭斌 ， 左光 ， 石泳，黄震 1. 中国空间技术研究院载人航天总体部， 北京 100094 摘 要： 在“神舟”载人飞船进入成熟稳定期后，我国有必要尽早启动新一代多用途载人飞船的论证和研制。本文对国外新一代载人飞船的技术方案特点、新的设计理

2、念及发展现状进行了分析，从适应多任务、降低运营成本、钝头体气动外形、更高安全可靠性以及新型轻质材料使用等多个方面总结了国外新一代载人飞船的技术发展趋势。初步分 析了我国发展新一代载人飞船的近地轨道、载人登月、载人登小行星载人登火星等任务需求，基本确定了新一代飞船的总体性能参数，并在此基础上梳理了新一代载人飞船技术途径，初步提出了两种方案设想，为我国新一代载人飞船的研制提供参考。 关键词： 新一代载人飞船 ；多用途； 逃逸 ； 再入 ；任务需求；方案 中图分类号： (请自行查找 ) 文献标识码： A 文章编号： 1000-6893（ 2014） XX-XXXX-XX 中国自 1992年实施载人航

3、天“三步走”战略规划以来，已成功突破了 载人 天地往返 运输、 出舱活动 、 载人交会 对接 三大载人航天 技术，目前正在研制、 建 造中国载人空间站 。我国的“神 舟”系列载人飞船在高可靠、高安全的设计思想指导下，已发展成为 标准 的 载人天地往返运输 航天器， 圆满完成了 10人 次载人航天飞行 任务， 取得举世瞩目的成就。 自 2011年 美国 航天飞机退役以后， 目前可以执行天地往返 任务 的载人航天器只有俄罗斯 的“联盟”号 和 中 国的“神舟”号载人飞船。近期， 国际载人天地往返运输领域进入了更新换代的高潮时期。 美国 为改变 没有自己的天地往返载人航天 器的尴尬 现状 ， 正 加

4、紧研制新一代载人飞船 ， 预计 在 2018年前后具备飞行能力 。 俄罗斯已制定 新一代载人飞船 的发展计划并开始着手研制 。 国外 新一代载人飞船 在 设计理念上更加注重系统优化 ， 具有 多用途 、 高可靠 和低成本的特点 。 载人天地往返运输能力 体现一个国家 自由进出空间的水平，是开发和利用空间的重要前提 ， 是世界航天强国未来载人航天技术发展新的竞争焦点 。 因此， 在 “神舟”载人飞船进入成熟稳定期 后 ， 我国 有必要 尽早 启动新一代多用途载人 飞船的论证和研制 。 1 国外新一代多用途载人飞船发展趋势分析 1.1 美国 目前 美国 有两个项目 支持 新一代载人飞船 研制。 一

5、 个 是 洛马公司在 星座计划 “猎户座”1-4 基础上 继续研制 多用 途 载人飞行器MPCV(Multi-Purpose Crew Vehicle)； 另一个是NASA 于 2009 年提出的 商 业 乘 员 发 展(Commercial Crew Development， CCDev)计划5,6， 目前共有 SpaceX公司的“天龙”号 飞船、波音公司的 CST-100飞船、 内华达山脉公司 的“追梦者” 3种 载人飞行器 获得 支持 。 洛马公司 的 MPCV（如图 1所示） 主要 用于运送乘员到达国际空间站 (International Space Station， ISS)以及地球

6、轨道以远的太空区域 ，2 航 空 学 报 Jan. 25 2014 Vol.35 No.X 具备支持 月球 、近地小行 星和火星探测能力。飞行器 由返回舱和服务舱组成，总重 21.2t，乘员 人数 24人，净生活空间 8.95m，大底直径5.02m，可自主飞行 21天，采用 逃逸塔方式逃逸， 可重复使用 10次。计划于 2016年投入使用，2018年进行环月飞行 7-12。 图 1 MPCV7 Fig. 1 MPCV7 SpaceX公司的“天龙”号飞船 （如图 2所示） 由返回舱和服务舱组成，分为载人和货运两种 版本 。 重 10.45t， 乘员人数 7人， 净生活空间 7m3，大底直径 3.

7、7m，最大可停靠 2年，载人版 飞船 于 2014年 5月 30日 发布，采用侧壁发动机反推着陆腿着陆，能够在全球任意位置定点着陆，着陆精度与直升飞机相当。推进舱取消了太阳翼，上半面贴有太阳能贴片。可独立与国际空间站对接，不需要机械臂辅助。返回舱前部安装整流罩，对接机构在整流罩内。与国际空间站对接前，打开整流罩，露出对接口，与国际空间站分离后，关闭整流罩，准备再入。返回舱完全可重复使用，只需重新加注推进剂即可重新使用。在没有破损的情况下，可重复使用 10次。每次飞行成本降至 2000万美元13-17。 (a) Dragon V113 (b) Dragon V213 图 2 天龙飞船 Fig.

8、2 Dragon 波音公司的 CST-100飞船 （如图 3所示） 由返回 舱和 推进舱 组成， 重 13t， 乘员人数 7人 ，大底直径 4.56m3， 3天自主飞行 /210天停靠能力 ，逃逸发动机集成在推进舱上。可重复使用10次。计划于 2016年进行首次 载人 飞行 18-20。 图 3 CST-10013 Fig. 3 CST-10013 内华达山脉公司的 “ 追梦者 ”（如图 4所示）是目前 新一代载人飞船 中唯一 采用 带翼升力体 气动 外形 的 。总重 11.3t， 乘员人数 7人 ，任务周期为 3.5天 自主 飞行 /210天停靠能力 。 2012年 5月 29日， “追梦者

9、” 成功进行了挂载飞行，做自由飞行下降试验 22-30。 杨雷 等： 新一代多用途载人飞船概念研究 3 图 4 追梦者 21 Fig. 4 Dream Chaser21 1.2 俄罗斯 俄罗斯 PPTS飞船 （如图 5所示） 由返回舱和推进舱两部分组成，根据近地与登月任务，重量分别为 12.7t(LEO)和 16.5t(LLO)。 乘员人数6人， 载荷容积 10m3，大底直径 4.4m，任务周期是 30天 (LEO)， 14天 (LLO） 。 使用火箭助推减速装置进行着陆 。可重复使用 10次 31-35。 图 5 PPTS31 Fig. 5 PPTS31 1.3 发展趋势分析 通过对 国外

10、新一代多用途载人飞船技术方案分析，可以看出 新一代载人飞船 的发展呈现出以下几个特点： (1) 适应 多任务 ，模块化设计 国外新一代载人飞船 为具备多用途特点。MPCV可用于近地、月球、小行星和火星探测；俄罗斯 PPTS飞船采用模块化设计，通过更换不同推进舱模块即可分别执行近地轨道任务和登月任务（图 6）； CST-100和“天龙”按近地轨道任务需求设计，同时考虑了载人和一定的载货能力，乘员人数规模扩大到最多 7人。 图 6 俄罗斯 PPTS飞船模块化设计 33 Fig. 6 Modularization design of the Russian PPTS33 (2) 较 低 的 制造和运

11、营成本 低制造和运营成本是大规模载人应用的前提，国外新一代载人飞船设计中不片面追求单项技术的先进性，通过采用大量成熟技术可有效降低制造和维护成本，同时采用可重复使用设计理念，可以进一步降低成本。 (3) 气动外形 以钝头体为主 国外在研五种 新一代载人飞船 中 有四种采用了钝头体外形 。 其中主要考虑了 新一代载人飞船 要兼顾登月及深空探测任务， 相比带翼升力体气动外形， 钝头体外形的 返回舱 在 第二宇宙速度再入 时的可靠性、安全性更高 且实现的技术难度较低 。 目前， 美国 内华达山脉公司的“ 追梦者 ”飞船仅作为 NASA的后备方案，俄罗斯的“快船”号飞船则已经下马。 因此钝头体 将 是

12、 新一代载人飞船 气动外形的主流技术发展方向。 (4) 自身动力逃逸是提高安全性和系统性能的有效手段 部分 新一代载人飞船 将推进与逃逸系统一体化设计， 具备 自逃逸功能 ， 其中 具有代表性的是“天龙”、 CST-100和“追梦者”。“天龙 ”利用安装 于返回舱上的 8台 67kN的 SuperDraco逃逸 发动机 实现返回舱逃逸， CST-100则 利用安装 于推进舱上的 4台 220kN的 RS-88逃逸发动机实现整船逃逸。 这种逃逸方式有效 覆盖了从零高度到飞船入轨分离的全发射阶段， 消除 了逃逸塔 分离 带来的风险 、逃逸方向可控、 安全性 高 ，同时可以有效 增加 飞船的入轨质量

13、 和飞船对不同运载火箭的适应性 ； 此外 ， 由于逃逸发动机 不需要在发射过程中抛弃， 增加了 飞船在整个飞行中 的 应急 能力 ，“天龙”还将 利用4 航 空 学 报 Jan. 25 2014 Vol.35 No.X 逃逸发动机实现再入返回时的精确定点着陆（如图 7所示） 。 (a) The Dragon launch abort engines are installed on the reentry capsule13 逃 逸 发 动 机(b) The CST-100 launch abort engines are installed on the propulsion capsule

14、19 图 7 载人飞船逃逸发动机 Fig. 7 Launch abort engines on the crewed spacecraft (5) 采用新型材料和结构可以显著降低重量 降低 结构与机构重量 是 系统 轻量化最可行、最有效的途径。 “天龙”号 和 CST-100飞船均注重轻量化设计，为降低结构重量，其防热结构分别采用低密度的 PICA-X材料和 BLA（如图 8所示） 。 PICA-X材料 是酚醛树脂浸渍的碳纤维结构，碳纤维和多孔酚醛矩阵网 ， 最大优点是在满足再入防热的需求下实现了低密度，约为 270 kg/m3。 比目前神舟飞船使用 的 H96和 阿波罗飞船使用的密度 497

15、kg/m3的 AVcoat要 低很多。 “ 追梦者 ”的主结构全部采用复合材料制造，洛马公司对采用复合材料制造返回舱主结构也进行了深入研究。 (a) The Dragon heat shield material PICA-X14 (b) The CST-100 heat shield material20 图 8 轻质防热材料 Fig. 8 Lightweight heat shield material 2 我国 新一代多用途 载人 飞船 任务 需求 分析 2.1 典型飞行任务 未来载人航天任务的目的地主要有 五 类 ，即近地轨道、地月空间 （ 如地月拉格朗日点 ） 、月球表面、近地小行星

16、和火星。 图 9-图 12分别给出了载人登月、近地空间站 （ 地月空间飞行任务与近地类 似 ） 、载人登小行星和载人登火星的典型飞行任务模式。 杨雷 等： 新一代多用途载人飞船概念研究 5 图 9 “星座”计划载人登月飞行任务 Fig. 9 The manned flight to the Moon mission in Constellation Program 图 10 近地轨道飞行任务 Fig. 10 The LEO flight mission 6 航 空 学 报 Jan. 25 2014 Vol.35 No.X 图 11 载人小行星飞行任务 Fig. 11 The manned fl

17、ight to asteroid mission 图 12 载人火星飞行任务 Fig. 12 The manned flight to the Mars mission 总结国外的研究资料 ， 五类载人飞行模式 对载人飞船的主要需求见表 1。 表 1 不同任务对飞船的主要需求 杨雷 等： 新一代多用途载人飞船概念研究 7 Table 1 Requirements for spacecraft in different mission LEO space station Moon Mars Asteroid Crew number 37 persons 24 persons 24 persons

18、 24 persons Flight time Freedom: 7 days Berth: 180 days Freedom: 21 days Freedom: 5 days Berth: 600-1000 days Freedom: 5 days Berth: 90-280 days Velocity increment 800m/s 1700m/s 800m/s 800m/s Reentry speed About 7.8km/s About 10.8km/s About 11.2km/s About 11.2km/s 2.2 初步需求分析 (1) 乘员人数。对于火星和小行星等深空探索任

19、务， 由于飞行时间长、乘员消耗品携带量大，应尽量减小乘员规模，因此 未来深空任务乘组人数应不超过 4人； 按照我国空间站现有设计，支持 3人乘组长期在轨工作，人员轮换期间短期可支持 6人，考虑到应急救生及未来空间站规模扩充的需求，新一代载人飞船应按照最大 6人乘组设计。 (2) 飞行时间。考虑到未来载人登月和深空探测的需求，新一代载人飞船应具备不少于21天自主飞行和不少于 2年停靠的能力。 (3) 速度增量。从表 1可以看出，尽管空间站、 小行星和火星任务的任务 模式 差 别较大，但在这三类任务中载人飞船的飞行模式基本相同，即将乘员送入近地轨道、对接停靠、完成任务后直接再入返回，因此载人飞船对

20、推进能力的需求基本一致；对于载人登月任务，由于载人飞船要具备从月球轨道返回的能力，因此需要较大的速度增量。新一代载人飞船的推进系统可以 设计成两个模块以适应两种速度增量需求 。 (4) 再入返回速度。 月球、 小行星和火星任务要求载人飞船 应具备适应第二宇宙速度约 11.2km/s再入返回速度的能力 。这些任务中载人飞船都有近地飞行阶段，因此也要具有近地返回能力。综上，新一代载人飞船应 按能够适应 11.2km/s再入返回速度进行设计。 在 充分考虑载人航天后续任务 的 需求 以及运载能力的约束 后 ， 经过初步分析 ，我国新一代 载人 飞船 总体性能 需求 如下 ： (1) 乘员 人数： 2

21、6人 ； (2) 再入速度： 11.2km/s； (3) 自主飞行： 21天； (4) 停靠时间 ： 2年； (5) 任务支持： 近地轨道、 地月空间、 登月 和 深空探测 。 3 新一代多用途 载人 飞船 方案 设想 3.1 方案设计 主要考虑因素 新一代载人飞船的技术实现途径构成主要考虑以下诸方面的要素：构型布局、气动外形、回收方式、逃逸方式 、 降低成本 等（如图13），同时在总体方案设计时还要考虑 载人运载火箭能力、着陆场区选择有限等约束因素。 (1) 气动外形。气动外形的 选择较大升阻的钝头体气动外形，以适应第二宇宙速度返回 。钝头体外形返回舱在乘员过载方向、单稳态配平、安全可靠性方

22、面具有明显优势，同时也是国外新一代载人飞船返回舱的主流选择。因此，我国新一代载人飞船应优先选择钝头体气动外形方案。 (2) 构型。飞船构型布局有多种方式可供选择，较常用的是三舱构型和两舱构型。新一代载人飞船返回舱需支持最大 6人乘组，返回舱规模将至少比“神舟”飞船返回舱增大一倍，两舱构型是一 种比较好的选择。 (3) 逃逸方式。目前，载人飞船逃逸方式主要有三种，一种是逃逸塔方式，利用逃逸塔上的固体火箭发动机实现逃逸救生；第二种是在飞船上返回舱上安装逃逸发动机，在应急时逃逸发动机工作，实现返回舱单独逃逸；第三种是利用飞船推进舱安装逃逸发动机实现整船逃逸。鉴于飞船自身动力逃逸具有较高的安8 航 空

23、 学 报 Jan. 25 2014 Vol.35 No.X 全性和有效提升入轨质量等诸多优点，应首选自身动力逃逸方案，同时也可考虑逃逸塔逃逸方式。 载人飞船技术途径回 收 方 式返 回 舱 结 构水 上 着 陆气 动 外 形逃 逸 方 式热 防 护 材 料舱 体 构 型 布 局陆 上 着 陆群 伞单 伞火 箭 反 推气 囊 缓 冲水 平 滑 翔 着 陆蒙 皮 桁 条整 体 壁 板钝 头 体无 翼 升 力 体 ( 双 锥 细 长 体 )有 翼 升 力 体逃 逸 塔 方 式 （ 拉 ）返 回 舱 自 身 集 成 动 力 逃 逸 （ 推 ）整 船 逃 逸传 统 烧 蚀 材 料低 烧 蚀 轻 质 新

24、型 材 料非 烧 蚀 防 热 瓦三 舱 构 型二 舱 构 型主 着 陆 点减 速 制 动燃 料 电 池太 阳 翼 （ 一 次 性 展 开 ）太 阳 翼 （ 多 次 展 收 ）能 源图 13 载人飞船技术途径选择 Fig. 13 Selection of the manned spacecraft technology approach (4) 热防护材料及结构。目前 ， 返回式航天器使用的热防护材料及结构有传统烧蚀材料，低烧蚀轻质新型防热材料和非烧蚀防热瓦。传统烧蚀材料（如碳 -酚材料）密度过大，热防护结构质量过重，因而不适用于 新一代载人飞船 ；非烧蚀防热瓦技术在航天飞机上得到了运用，但对于

25、以第二宇宙速度再入的跳跃式航天器而言，防热性能不足，且对于我国而言，这种技术继承性差，研制难度大；低烧蚀轻质新型防热材料（如 PICA），具备技术可行性，可以大幅减轻飞船重量 ，适用于登月或深空探测任务。 (5) 回收方 式。从着陆点选择来看，为了兼顾登月等深空探测任务，应该在低纬度地区选择着陆场。依据我国地理位置特点，低纬度着陆场宜选择建立在海上，并兼顾陆上着陆能力。从减速制动方式选择来看，随着返回舱规模的增大，单伞的能力 已不适应，群伞是一个比较合理的选择。 （ 6）降低成本 随着我国航天技术的发展，未来新一代载人飞船将面临频繁的天地往返运输任务，为了杨雷 等： 新一代多用途载人飞船概念研

26、究 9 有效降低进入太空的成本，目前考虑通过适应多任务来降低研制成本，通过可重复使用来降低使用成本。 3.2 方案设想 以上对新一代载人飞船方案的技术途径进行了初步分析，结合现有火 箭的运载能力提出两种新一代载人飞船方案设想。 目前我国只有 长征 2F一种载人火箭，经适应性改造后 长征 5和 长征 7火箭 也可用于发射载人飞船。由于 新一代载人飞船 技术指标 高于“神舟”飞船 ，整船重量也将显著增加， 长征2F火箭 已不能满足 新一代载人飞船的发射要求。初步分析，经适应性改造后 长征 5和 长征 7火箭发射新一代载人飞船进入近地轨道的能力分别为 14t和 20t。 对应于两种运载火箭的新一代载

27、人飞船如图 14所示，重量分别为 14t和 20t。飞船采用模块化设计， 两飞船返回舱完全相同，推进舱携带不同 重量 的 推进剂 以适应不同任务需求。飞船的主要技术特点为： (1) 乘员人数： 26人； (2) 再入速度：适应第二宇宙速度再入 ； (3) 自主飞行： 21天； (4) 停靠时间： 2年； (5) 速度增量； 14t飞船 800m/s， 20t飞船1700m/s； (6) 任务支持： 14t飞船支持近地轨道、小行星与火星任务， 20t飞船支持登月任务； (7) 构型：两舱构型 ； (8) 气动外形：返回舱采用钝头体外形； (9) 逃逸方式： 自备动力逃逸或逃逸塔逃逸； (10)

28、再入热防护材料：低烧蚀轻质防热材料； (11) 返回舱主体结构 ：整体壁板 结构； (12) 回收 ：群伞 +气囊 ，具备海上和陆地着陆能力 ； (13) 发电：光伏发电系统 ； (14) GNC：高精度导航敏感器，喷气控制 ； (15) 测控通信：具备黑障通信能力； (16) 可重复使用： 主要通过着陆减损设计来保证可重复使用设备在着陆过程中受到尽可能小的冲击 。 (a) 14t spacecraft (b) 20t spacecraft 图 14 新一代载人飞船构型 Fig. 14 The structural design of the new manned spacecraft 3.3

29、 关键技术 (1) 总体设计技术 新一代载人飞船 具有多用途、高可靠和低成本的特点，对系统总体设计提出了很高的要求。必须采用新的设计理念，强化系统顶层设计和优化，突破多学科优化、模块化设计和可重复使用设计等技术。 (2) 气动设计与验证技术 气动布局 和气动参数是返回舱设计的关键，面对第二宇宙速度高速再入的要求，需开展 真实气体、稀薄效应、辐射传热、壁面催化等复杂流动对气动力、气动 热 特性影响 研究，突破 返回舱静 /动气动特性精确预示与 验证、 返回舱热环境精确预示 与验证、 气动天地相关性与参数辨识 等关键技术。 (3) 热防护技术 返回舱 以第二宇宙速度 高速再入 过程中 ，热流峰值、

30、总加热量和气流总焓都 相对与“神舟”飞船 有显著增大，高温真实气体效应更加显著。 因此，需研究突破返回舱防热结构耐受高热流密度与强气流冲刷、防热结构轻量化设计、新型低密度烧蚀防热材料制备与成型等技术 ，以实现返回过程中 气动外形稳定、结构完整、 返回舱内部温升低的要求，保证再入安全。 (4) 高速再入 GNC技术 返回舱返回时具有再入模式多（正常、应急 ）、再入速度变化范围大（ 7.8-11.2km/s） 再入航程 范围 跨度大 （ 3000-8000km） 、再入过程约束强、气动不确定性大 以及再入过载限制严格的特点，这就对飞船 GNC提出了挑战。需 研10 航 空 学 报 Jan. 25

31、2014 Vol.35 No.X 究 并突破 基于多约束和 高 机动能力要求的再入走廊设计 与 评估 、高精度鲁棒制导律、 多敏感器 紧耦合 联合导航算法以及人控升力再入制导及控制方法 等关键技术 。 (5) 安全回收技术 回收 系统是 乘员 安全返回的重要保障 ，新一代飞船采用群伞回收方案 ， 需 突破回群伞 伞形选择、阻力特性评估、安全 开伞、陆地和海上着陆缓冲 等关键技术 。 (6) 先进 逃逸技术 新一代载人飞 船应具备从零高度到入轨分 离的全发射阶段逃逸救生能力，采用自备动力逃逸是一种优选方案 。 需突破大推力小尺寸液体逃逸发动机 研制 、逃逸过程气动分析与验证、逃逸弹道优化、逃逸安

32、全性评估等关键技术 。 (7) 高集成度航电技术 高集成度航电技术可将航电系统的组成部分 置于一个完整、合理的体系结构之下 ， 将飞船 各种信息和数据综合成有机的整体， 达到系统资源的高度共享和最佳整体效能，同时可以 有效减轻系统重量、 体积 和功耗。 SoC（ System on Chip）技术 是近年发展起 来的一种新的系统集成技术，在商用嵌入式领域已得到较为广泛的应用， 为提高系统集成度、 多模冗余设计、轻小型化提供了新的技术途径 。 (8) 自主健康管理技术 新一代飞船 必须具有 很强的在轨健康自主管理能力，可以相对独立于地面进行自主健康管理，在各种预定或变化、异常环境下，具有 自主故

33、障检测、自主故障定位和 一定的 自主故障重构恢复能力，能够 辅 助航天员进行飞行器的健康状况评价，给出健康告警、维修决策等建议，降低对于地面遥测、跟踪和控制的依赖，提升系统的 可靠性与 安全 性 。 4 结论和 建议 目前 世界主要航天大国都在开展 飞船的升级换代 工作 。在研的新型飞船 在性能上有了大幅提升，利用模块化设计满足了多任务需求 ，多 次重复使用能力可有效降低使用成本 ，先进的 设计理念和 技术 特点使之 具备了 高可靠性与安全性 ， 体现 了 新一代 载人 飞船 发展 的方向。 我国 “ 神舟 ” 飞船从研制迄今已有 20年，实现了当 初 的设计指标，圆满完成了 10次飞行任务。

34、随着未来空间站的建设 以及 载人 登月等深空探测任务的研究 ， 应 提早启动我国 新一代载人飞船 的论证 、 研制 ，以 为我国载人航天事业的后续发展提供强有力的支持与保证。 新一代载人飞船 为实现任务扩展性、重复使用等要求， 将采用 多种先进技术和设计理念， 其 关键技术如 气动设计与验证 、 自逃逸用的 大推力 小尺寸发动机 、新型轻质防热材料 等对飞船总体设计会产生重大影响，需 提前 开展关键技术攻关，为尽早确定 新一代载人飞船 的研制方案奠定基础。 参 考 文 献 1 Wang Y, Lu Y P. Relating technical analysis of the Constell

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