携嫦娥五号大胜之威,航天员何时登月?双重防护载人登月舱亮相( 二 )

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载人登月飞船与嫦娥五号一样都需要四大舱体,即前文提到的轨道器、返回器、着陆器、上升器,新一代载人飞船试验船就包含了轨道器与返回器,即服务舱与载人返回舱,该型飞船是人类21世纪服务载人登月用途率先实施完整版构型首飞任务的飞船。
截至目前大洋彼岸同样服务载人登月用途的猎户座飞船仅实施过返回舱再入试验,并不包含服务舱。
新一代载人飞船试验船发射质量21.6吨,由长征五号B遥一运载火箭发射升空,此次任务既验证了胖五的近地轨道运力与大型载荷分离技术,也验证了新飞船应用的一系列新型技术装备。
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进入轨道后在船载新型GNC分系统控制下实施了7次不依赖地面测控的自主变轨行动,将飞船轨道抬升至远地点七千余公里的位置,并由此以近第二宇宙速度高速再入大气层,目的是验证高速半弹道跳跃式再入返回与近3000摄氏度热流烧蚀防热能力。
高速半弹道跳跃式再入返回是指返回舱以较小的特定角度再入大气层,当抵达指定空域高度后,利用返回舱大底弓形激波二次起跳,并穿越100公里卡门线进入太空空间,在经历一段空间滑行飞行后紧接着实施第二次再入大气层,此类弹道被形象地称为“太空打水漂”。
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跳跃式弹道首要目的是降低过载,如果没有跳跃则意味着返回舱将产生数十个g的高过载,航天员不可能在这种过载环境中生存。阿波罗飞船返回舱的过载是7个g,处于航天员承受上限,而嫦娥五号按照载人标准验证的高速半弹道跳跃式再入返回g值仅有不到4.8个g。
新飞船返回舱采用倒锥体构型,此构型不同于神舟载人飞船拥有唯一配平点的钟形体构型,前者有多个气动配平点,这意味着姿态控制的复杂度更高。
在此之前人类没有任何一款倒锥体构型返回舱实施过高速半弹道跳跃式再入返回,昔日阿波罗载人登月飞船的倒锥体返回舱也曾有过跳跃操作,但没有一次跃出大气层。
【携嫦娥五号大胜之威,航天员何时登月?双重防护载人登月舱亮相】
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倒锥体返回舱构型核心优势是再入机动能力更强,可以获得更长的再入航程,利于月地轨道全时域实施返回行动,可以极大程度扩展返回时间窗口,利于提高载人月球任务的安全性。
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为了使新飞船倒锥体构型返回舱在距离地面约60公里处成功起跳,航天科技六院801所为此研发应用了全球最大推力的单组元HAN基无毒无污染姿控发动机,使得返回舱再入精度更有保障,结合倒锥体构型固有的气动优势,双重保障返回舱顺利起跳。
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高速半弹道跳跃式再入返回的次要目的是降低防热压力,可以用更少的防热材料实现第二宇宙速度再入隔热,余出来的重量可以用于扩大返回舱内部空间,搭载更多的有效载荷设备。
虽然降低了防热压力但新飞船依旧应用了具有国际领先水平的轻质碳基微烧蚀防热材料,进一步降低了防热结构重量。
新飞船返回舱在执行近地轨道任务时可以搭载6至7名航天员,执行登月任务时可搭载4名航天员,为了适应大质量航天器再入减速需求,返回舱首次应用了群伞减速装置。
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为了满足可重复使用要求,新飞船返回舱在着陆末段进一步创新应用了气囊缓冲装置,以往神舟载人飞船着陆末段都由缓冲发动机点火制动减速,但也因此导致着陆后的姿态失稳。
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新飞船采用气囊缓冲装置后可以更加平稳地着陆,且能始终处于直立状态不会倾覆,这样一来不仅航天员着陆体验更舒适,返回舱搭载的载荷设备也能处于最佳保障状态,利于再次重复使用。
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新飞船返回舱既定目标是在更换防热结构的前提下能够重复使用10次,这将极大程度降低载人月球任务的运营成本。
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