中国航天工程中的飞船和运载火箭系列

  探索浩瀚的宇宙是人类不懈追求的梦想。航天活动深刻改变了人类对宇宙的认知,是当今世界最具挑战性和广泛带动性的高科技领域之一。

  运载火箭是目前世界上最主要的航天发射方式。人造卫星、载人飞船、空间站等探索太空的航天器,都要通过运载火箭的发射才能进入太空,因此,各国一直在积极研发火箭运载技术。早期运送航天器的运载火箭是从导弹运载派生出来的,随着航天器类型与数量的增多,航天发射范围的扩大,发射航天器的运载火箭开始独立发展并自成系列。中国航天事业创建于20世纪50年代中期,现在已有了完整的航天运输研发和生产系统。长征系列运载火箭就是为发射不同轨道的航天器而研制的专用运载火箭。

  长征系列运载火箭

  中国运载火箭是在充分利用中国弹道式导弹和探空火箭的研究成果与技术的基础上发展起来的。中国自行研制的长征系列运载火箭,可用于发射近地轨道卫星、载人飞船、地球静止轨道卫星、太阳同步轨道卫星、探月卫星、深空探测器等,形成了具有中国特色的长征系列运载火箭家族。

  长征一号是三级火箭,主要用于发射近地轨道小型航天器。长征二号是两级火箭,是中国航天运载器的基础型号,先后有长征二号甲、长征二号丙、长征二号丁、长征二号E、长征二号F等改进型。长征三号是在长征二号基础上于1984年研制成功的,是中国火箭发展史上的一个重要里程碑,首次采用了液氢和液氧作为第三级火箭推进剂,首次实现了火箭的多次启动,首次将有效载荷送入地球同步转移轨道。

  长征五号是大型运载火箭,因为直径比别的火箭粗被昵称为“胖五”。主要服务于探月工程、载人空间站工程和火星探测工程等不同轨道大型载荷及深空探测任务载荷的发射。长征七号运载火箭是为发射货运飞船而全新研制的中型运载火箭,也可用于发射人造卫星等其他航天器。长征十一号是四级固体运载火箭,主要用于自然灾害、突发事件等情况下应急微小卫星发射,能实现24小时以内的快速发射。

  几十年来,长征系列火箭走过了从常温推进到低温推进、从串联到捆绑、从一箭一星到一箭多星、从发射人造卫星到发射载人飞船和空间探测器的历程,具备了发射低、中、高不同轨道,不同类型航天器的能力。

  快舟系列运载火箭

  快舟系列运载火箭,是我国首个星箭一体的小型运载火箭,采用栅格舵控制技术,具有快速集成、快速入轨等特点。主要应用于自然灾害突发和通信系统发生故障时,实现卫星的快速发射和空间部署,及时获取灾害情况信息,以最大限度地减少灾害损失并组织抗灾救灾。

  栅格舵是一种火箭飞行姿态控制装置,在火箭向上冲向天空的过程中,栅格舵是紧紧贴着火箭的,不工作;当火箭完成使命再入大气层时,栅格舵会变成火箭残骸的“翅膀”。在“翅膀”的保驾护航之下,最终火箭残骸可落在设定的区域。这样可以免去落区居民疏散问题,也为运载火箭后续助推器及子级的可控回收、软着陆、重复使用等技术奠定基础。

  目前运载火箭多数是液体燃料运载火箭,成本高,准备时间长。快舟火箭使用的是固体燃料,核心优势就是快。液体火箭从准备到发射需要20多天,固体火箭从准备到发射只需24小时。固体燃料运载火箭另一个优点就是体积大幅缩小。同时,快舟系列运载火箭既可以在内陆航天发射场发射,也可以在海上大型平台上机动发射,发射成本大大降低。目前的主要缺点是运载能力不足,大型航天器的发射还是主要依靠使用液体燃料的长征系列火箭。

  神舟系列载人飞船

  载人飞船是能保障宇航员在外层空间生活和工作以执行航天任务并返回地面的航天器,又称宇宙飞船。载人飞船可以独立进行航天活动,也可作为往返于地面和太空站之间的“渡船”,还能与太空站或其他航天器对接后进行联合飞行。

  神舟飞船是中国自行研制的载人飞船系列,1992年列入国家计划,已达到或优于国际第三代载人飞船技术。载人飞船的设计是依据要执行或完成什么任务而定的。神舟飞船采用三舱一段,即由返回舱、轨道舱、推进舱和附加段构型。

  推进舱又称动力舱,为飞船的轨道调整和返回提供能源和动力。返回舱是飞船上升和返回过程中航天员的座舱,也是整个飞船的指挥控制中心。返回舱不仅和其它舱段一样要承受起飞、上升和轨道运行阶段的各种应力和环境条件,而且还要禁受再入大气层和返回地面阶段的减速过载和气动加热。

  轨道舱是航天员在飞船运行轨道上进行科学实验、技术试验的工作场所,里面装有各种实验仪器和设备。飞船单独运行的时候,它也是航天员的生活区域。早期神舟飞船的轨道舱离开飞船主体后,会留在太空中继续工作一段时间,为地面人员提供科研数据。

  附加段也叫过渡段,存在于早期的神舟飞船上,主要用来完成与其他空间飞行器交会对接的工作,此外也能够安装其他仪器进行空间探测。从神舟七号飞船开始,附加段被正式的空间对接机构所取代。

  三个舱段在神舟飞船独立飞行期间各司其职,当神舟飞船与空间站对接形成组合体后,舱段的分工将会有所调整。例如,形成组合体之后,航天员就不需要在轨道舱里工作和生活了。

  目前的神舟系列飞船都由专门为其研制的长征二号F火箭发射升空,发射基地是甘肃酒泉卫星发射中心,回收地点在内蒙古中部的乌兰察布市四子王旗航天着陆场,东风着陆场为备用着陆场,2021年,神舟十二号的着陆场从四子王旗调整到了东风着陆场。

  天舟系列货运飞船

  天舟系列货运飞船主要用于对中国空间站在轨运行期间,提供补给支持。天舟系列货运飞船包括天舟一号、天舟二号、天舟三号、天舟四号等,是载人空间站工程的重要组成部分,在充分继承天宫一号目标飞行器和载人飞船技术的基础上研制。主要任务是为载人空间站运输货物和补加推进剂,将空间站废弃物带回大气层烧毁。

  货运飞船发射后会与空间实验室或空间站进行自动交会对接,为空间实验室或空间站自动补加推进剂以及空气。饮水、食物、以及其他器物设备则需航天员从货运飞船上搬运到站内。同时,货运飞船亦可充当空间站的“垃圾桶”,航天员取出货运飞船升空携带的物品后,可将站内的废弃物品搬运到货运飞船上,关闭气闸后,货运飞船脱离空间站,返回地球时废弃物连同飞船在大气层中烧毁。

  天舟飞船采用两舱构型,由大直径的货物舱和小直径的推进舱组成。货物舱用于装载货物,推进舱两侧各有一翼太阳能帆板,为整个飞船提供动力与电力。作为我国空间站的五个模块之一,与核心舱、实验舱I、实验舱II、神舟载人飞船一起,在核心舱统一调度下协同工作,完成空间站的各项任务。