2016年全球载人航天器发展综述(中)

二、稳步发展商业载人航天

美国对商业公司的培育推动发射服务业和航天器制造业的进一步发展,形成了载人航天服务市场,有助于航天产业化和国家经济发展。近年来,NASA推行商业航天的意志愈加坚决,涉及领域从近地空间拓展到深空。2016年,美国继续加大力度,推动商业载人航天的发展。

(一)“龙”飞船复飞,充气验证舱段成功展开,火箭第一级海面平台回收试验成功

美国东部时间2016年4月8日16时43分,猎鹰-9 v1.1全推力型火箭从卡纳维拉尔角空军基地SLC-40发射台发射,成功将太空探索技术(SpaceX)公司的“龙”货运飞船送入轨道,执行该公司第8次“商业补给服务”(CRS)任务。这是继2015年6月第7次任务发射失败后,SpaceX公司发射的首次“国际空间站”(ISS)货运补给任务。随“龙”飞船进入太空的还有存放在货舱中的毕格罗扩展活动舱(BEAM),抵站后将在轨充气部署,进行居住技术验证试验。与此同时,火箭第一级在与第二级分离之后,受控返回位于海上的移动回收平台并首次成功实施垂直软着陆。

对于SpaceX公司来说,此次任务是“龙”飞船时隔一年后首次到访“国际空间站”。为进行火箭第一级海面回收试验,2014年,SpaceX公司在猎鹰-9火箭发射任务中进行了3次火箭第一级受控海面软溅落试验,取得部分成功;之后在2015~2016年进行了4次火箭第一级海面平台着陆回收试验,为此建造了“自主航天港靶船”(ASDS)作为海上回收移动平台,但试验均未成功。此次任务中,“龙”飞船共携带了3136kg的关键补给品和有效载荷,其中,最大的有效载荷是毕格罗宇航公司建造的充气式验证舱段,质量约1413kg。毕格罗扩展活动舱(BEAM)是一个充气式居住技术验证舱段。可扩展式住所能极大降低未来航天任务的运输体积。“扩展式”(也称“充气式”)住所质量很轻,所需的运载火箭有效载荷体积较少,但在空间中展开后可以为航天员提供舒适的生活和工作区域。

同时,具有一定的抵抗太阳和宇宙射线辐射、空间碎片、原子氧、紫外线辐射和其他空间环境因素的能力。20世纪90年代末,NASA取消了在研的中转居住舱(TransHab)项目,之后,毕格罗宇航公司根据一份“空间行动协议”得到了这项多层可扩展舱段技术概念方案的许可。NASA从2010年开始评估在“国际空间站”上添加充气式舱段的可能性并与毕格罗宇航公司进行了多次讨论,最终在2012年12月签订了价值1780万美元的毕格罗扩展活动舱(BEAM)合同。BEAM项目由NASA“先进探索系统”计划资助,BEAM验证试验支撑了该计划为地球轨道以远的载人任务开发深空住所的目标。

毕格罗宇航公司在NASA TransHab方案基础上改进了舱段使用的轻量、紧凑材料,即获得专利的维克特拉(Vectran)防护织物,强度为凯夫拉尔纤维的两倍。充气后,BEAM直径增加到3.23m,内部空间可达16m3。舱体装备有发电量1000W的太阳能电池板,用于轨道和位置确定的GPS系统,用于姿态确定的磁强计和太阳敏感器,以及用于姿态控制的磁转矩仪。舱内采用被动热控方式,将平均温度保持在26℃。在接下来的两年测试期内,空间站乘员和地面工程师将收集BEAM性能数据,包括结构完整性和漏气率。BEAM内嵌入的各种仪器也将提供重要数据来源,包括相较于传统铝制舱段的辐射和温度变化等。

航天员定期(每年4次,每次几个小时)进入舱内收集数据并进行检测。测试期结束后,该舱段将与空间站脱离,再入大气层烧毁。此外,美东时间7月18日0时45分,SpaceX公司在卡纳维拉尔角空军基地用“猎鹰”9号全推力型火箭向国际空间站发射“龙”飞船,执行其第九次“商业补给服务”任务。这艘“龙”飞船携带了2220千克有效载荷,包括波音公司建造的第二台国际对接转接器(IDA),第一台在2015年6月的发射爆炸事故中损毁。

(二)轨道科学公司“天鹅座”飞船成功执行两次正式合同任务

2016年3月23日,美国轨道-ATK 公司的“天鹅座”飞船在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空,这是“天鹅座”飞船第五次为“国际空间站”运送货物。飞船带有3.5吨货物,包括航天员补给物资和一些实验设备,其中还有一个升级版3D打印机。经过约3天的飞行,飞船于26日抵达“国际空间站”,两个月后,飞船携带近1.5吨垃圾返回地球。与以往任务不同的是,本次飞船脱离空间站后,地面控制人员遥控在飞船上进行了“飞船火焰实验”,该实验有助于了解微重力环境对火情扩散蔓延的影响,以便研制更好的防火材料和技术。2016年10月17日,美国轨道-ATK 公司的“天鹅座”飞船第六次为“国际空间站”执行货物运输任务,其运载火箭是继2014年上一次发射升空数秒后爆炸事故以来首次执行任务的“安塔瑞斯”火箭。

(三)SpaceX、轨道-ATK、内华达山脉和蓝源公司均获得商业合同

2016年1月,NASA宣布第二轮“商业补给服务”(CRS2)竞争的获胜者,SpaceX、轨道-ATK和内华达山脉公司均获合同,将从2019年起分别用“龙”飞船、“天鹅座”飞船和追梦者号太空飞机为“国际空间站”提供货物补给。根据各家公司选用的航天器/运载火箭组合,初期CRS2任务将向“国际空间站”运送22500~26500千克补给品和设备。之后,NASA可能会视“国际空间站”运行情况追加2021~2024年的补给任务。

其中追梦者号太空飞机首次飞行计划于2019年进行,将由宇宙神5号火箭发射。继SpaceX和轨道-ATK公司在第一轮“商业补给服务”(CRS1)取得成功之后,NASA就已正式开始第二轮合同授予的程序。原计划2015年初宣布合同授予结果,后一再推迟到2016年初。此外,NASA又相继增加了SpaceX公司和轨道-ATK公司在第一轮“商业补给服务”阶段的任务次数,确保第二轮任务开始之前的货物补给工作。

虽然NASA未将内华达山脉公司(SNC)列入其商业乘员项目的合作伙伴,但一直向SNC的追梦者号太空飞机试验项目给予投资,并将其列为“可合作的”空间运输合作伙伴。7月11日,内华达山脉(SNC)公司宣布完成“国际空间站”第二轮商业补给服务(CRS-2)合同项目下的首个里程碑事件——NASA批准了追梦者号太空飞机的设计、开发、测试和评价综合计划。2016年6月19日,美国蓝源公司再次发射新谢泼德号亚轨道飞行器,其推进模块连续第四次实现了动力控制下的地面着陆,同时飞行器的乘员舱也试验了其降落伞系统。NASA于6月2日宣布授予蓝源公司一份亚轨道研究飞行任务合同。

三、积极推进新型载人航天器系统发展

(一)持续推进“猎户座”多用途乘员飞行器(MPCV)

建造“猎户座”飞船的最初提议是由2003年哥伦比亚号航天飞机事故以及小布什寻求美国总统大选连任的政治因素所致。受政策影响,“猎户座”计划从立项至今经历了漫长而曲折的演进过程。它原是NASA“星座”计划中的关键组成部分,但2010年初,遇到资金短缺、进度滞后、设计思路分歧等困难,后随“星座”计划中止而重新调整。

目前成为NASA实现重返深空载人探索目标的中流砥柱,将来用于载人登陆月球、小行星、乃至火星的计划,同时也能支持“国际空间站”乘员运输、货物补给等近地轨道任务或自由在轨飞行,还可用作紧急逃生飞船。2016年3月,NASA官方决定将小行星重定向计划(ARM)机器人任务的发射日期推迟一年至2021年底。在NASA咨询委员会的载人探索与运行委员会的会议上,ARM项目主管米歇尔·盖茨称, ARM机器人任务推迟旨在开展航天器平台的先期设计研究工作。NASA副局长威廉·格斯登梅尔表示,推迟发射与项目技术无关,而是资金出现困难。综合考虑一些意外因素,“猎户座”飞船执行载人任务的发射时间将推迟到2026年12月。

2014年12月,“猎户座”飞船顺利通过了首次非载人试飞,尽管如此,项目管理人员仍对接下来的项目推进持保守态度,NASA另一位副局长罗伯特·莱特福特在一次工作会上透露,“猎户座”的发射面临很多变量,软件的开发与硬件的重复测试都可能导致发射推迟。尽管“猎户座”在一个关键节点上出现了延迟,但本年度飞船的研制工作仍持续推进。据肯尼迪航天中心2016年8月《航天港》报道,NASA技术人员与承包商从7月开始在尼尔·阿姆斯特朗操作与检测厂房的高跨区内进行“猎户座”飞船热防护系统(TPS)防热瓦的黏合。NASA采用了与航天飞机轨道器类似的防热瓦,将其黏合到防护板上。

“猎户座”飞船需要约1300块防热瓦,尺寸一般为20.32×20.32厘米,大多数为标准尺寸,编号相同尺寸相同,而某些用于舱窗、推进器和天线上的防热瓦则是特制的。技术人员将航天飞机项目后期所研制的一种更坚固型涂料——坚韧型独特纤维隔热材料(TUFI)应用于“猎户座”飞船的防热瓦上。这些性能更高的防热瓦将能有效地减少地面操作和轨道碎片对飞船产生的损伤。“猎户座”飞船的主承包商洛克希德·马丁公司提供了用于确定防热瓦尺寸和形状的相关数字化计算机辅助设计信息。

EM-1任务中的“猎户座”飞船后壳防护板的外观不同于2014年12月5日首次试验飞行任务(EFT-1):EFT-1的乘员舱外观为黑色,而EM-1的乘员舱防热瓦使用了镀铝涂层,外观为闪亮的银色。安装TPS防热瓦是实施每次发射飞行任务前准备工作的一部分。虽然防热瓦具有防水功能,但由于“猎户座”飞船降落在海域,且在飞船返回地球时会对防水材料产生烧蚀,因而飞船在海域降落后会吸收盐水并增加污染物,导致防热瓦无法再次使用,所以在每次任务结束后需对防热瓦进行更换。防热瓦的黏合工作将持续数月,共有7~8名技术人员和2名质量检查员一起开展该项工作。在完成防热瓦的黏合后,技术人员将9个防护板和前舱罩安装到已与服务舱对接组装的乘员舱上。

(二)俄罗斯新载人飞船联邦号持续推进研制工作

2016年1月15日,俄罗斯公布了其正在研制的新一代载人飞船的名字:联邦号(俄文名称федерация),新飞船名字是2015年8月开始对外征名,最后从十个候选名单中脱颖而出。俄罗斯新一代载人飞船联邦号放弃了目前联盟号飞船的三舱段结构设计,采用全新的两舱段设计,整体设计外观与美国正在研制的“猎户座”飞船相似。飞船计划由正在研制的安加拉-A5运载火箭发射,将取代目前的联盟号飞船执行近地轨道任务,未来还可用于执行载人登月任务。

联邦号飞船较联盟号飞船进行了大量的改进,其内部空间是联盟号飞船的两倍大,可搭乘4名航天员和500公斤货物。返回着陆前,飞船将伸出4个装有减震器的支架,使飞船不会有强烈的撞击感。俄罗斯能源火箭航天集团(RSC Energia)总经理罗伯塔于10月11日披露了联邦号飞船的技术细节,特别是研制的新飞船将采用降落伞和喷气式着陆系统相结合的方式,从而使着陆精度提升至5千米以内。

(文章来源:中国载人航天)

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