书城工业向宇宙进发
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第7章 历史回眸(2)

其实早在2004年俄罗斯就提出了一种名叫“快船”的宇宙飞船方案,这种飞船可以重复使用25次,最多可载6名宇航员,甚至可以像航天飞机一样,采用滑翔的方式降落。但是后来因为资金和技术等原因,该计划已被终止。后来俄罗斯又与欧洲开展合作,共同研制“先进乘员空间运输系统”(ACTS)飞船,不过该计划很快夭折了。2009年4月6日,俄罗斯联邦航天局决定研制一种新型飞船——“罗斯”号,由俄罗斯能源航天公司设计。同年10月28日俄罗斯联邦航天局再次宣布,俄罗斯将研制核动力宇宙飞船……但是到目前为止,也没有得到关于这些飞船研制进度的任何消息。

直到2010年10月7日,俄罗斯向国际空间站成功发射了一艘“联盟”TMA-M宇宙飞船,它是俄罗斯第一艘数字化宇宙飞船,装有新型制导和导航计算机,使控制设备进一步集成,从而减轻了船载系统的质量,增加了70千克有效载荷的运送能力。这也是俄罗斯这10年来在宇宙飞船最具实质性的进步。军管模式约束了政府开展民用航天计划的自主性,在缺少灵活和创新不足的条件下,俄罗斯航天事业经过了这10年停滞不前的徘徊,也渐渐失去了优势,逐渐被欧洲、中国和日本慢慢拉近了航天技术实力上的距离。

欧洲

欧洲的航天技术在这10年来得到了快速的提升,虽然起步晚,但是借鉴美国和俄罗斯的发展经验和教训,少走了很多弯路。但是对于航天未来走向如何恐怕连美国也不能作为参考,必须依靠自已的能力去探索。

欧洲组建欧洲航天局以来,11个成员国共同为欧洲的航天发展而努力,欧洲虽然没有独立掌握载人航天技术,但是它利用加入国际空间站的机会,先于中国拥有了太空实验室,即“哥伦布”号实验舱。“哥伦布”号实验舱:长6.7米,直径4.2米,质量12吨,可供3名宇航员在内工作。2008年8月9日,欧洲研制的第一艘自动货运飞船(ATV)“儒勒 凡尔纳”号发射升空,该飞船自重20吨,可携带7.6吨的物资和4.6吨的推进剂(“神舟”飞船满载自重约为8吨,运载能力也只有2吨左右)。在给国际空间站运送物资的同时,还可以依靠自身充足的燃料,对国际空间站进行在轨维持。

欧洲自行研制的自动货运飞船,采用激光制导的全自动对接方式,它的首飞即完成了空间站的交会对接和定型,并正式投入使用。到2012年3月,欧洲已有3艘自动货运飞船发射升空。

在运载火箭技术方面,欧洲拥有的“阿里安”5系列运载火箭是世界上运载能力最大的运载火箭之一,能将20吨的有效载荷送入近地轨道(LEO),或将10吨左右的有效载荷送至地球同步转移轨道(GTO)。目前,“阿里安”5系列运载火箭占据着世界航天发射市场的40%的份额,为欧洲的航天业带来了巨大的经济效益。

在星际探测方面,欧洲和美国联合研制的“卡西尼 惠更斯”号土星探测器,早在2004年就开始对土星和其他卫星进行了探测,其中包括土卫二和土卫六,是目前最大最先进的探测器。在月球、金星方面也有成果:2003年9月27日,欧洲发射了装有太阳能离子发动机的“智能一号”月球探测器;2005年11月9日,欧洲的“金星快车”探测器发射升空,开展了对金星的研究。

中国

中国已于2003年成功地将本国第一位宇航员送入太空,成为继苏联、美国之后第三个独立掌握载人航天技术的国家。中国的“神舟”8号飞船,虽然于2011年11月完成了与空间目标飞行器“天宫”1号的交会对接,但这仅是验证测试,在“天宫”1号完成与“神舟”9号、“神舟”10号的对接实验后,才能使“神舟”飞船真正具备定型状态。虽然中国的飞船具备载人的能力,但实际上评判一艘飞船的先进与否并不在于它是载人还是货运,而是能否定型投入使用,创造出实际价值。

中国的新一代运载火箭“长征五号”要等到2014年才能首飞。目前中国运载火箭只能用“长征二号”E运载火箭将最大为9.2吨有效载荷送至LEO,用“长征三号”B运载火箭将最大为6吨有效载荷送至GTO。

中国星际探测技术目前只是延伸到月球,2007年10月24日,中国发射了首颗月球探测卫星“嫦娥”1号;2010年10月1日,更先进的“嫦娥”2号月球探测卫星升空,采用了直接进入地月转移轨道的飞行方式。目前“嫦娥”2号已完成对月球的探测使命,进入了距离地球150万千米的绕太阳公转椭圆轨道的第二拉格朗日点,这也是中国的航天器目前飞行的最远距离。

中国和欧洲在航天方面有各自的优势,中国独立自主发展,不受他国影响;欧洲广泛开展国际合作,借鉴了大量的国外先进技术。中国与国外的差距主要在于航天基础技术实力的不足,要想将更大质量、更大体积和更多功能的航天器送入太空,就必须拥有大型运载火箭及大推力火箭发动机,这也是航天领域的技术核心,而中国的大型运载火箭和大推力火箭发动机尚在研制中,此处的“空白”使中国暂时不能与欧洲、俄罗斯和美国这些拥有大型航天运载器及动力装置的组织和国家并驾齐驱,中国航天事业面临着在基础核心技术上探索的重任。

这里用对比的方式分析了欧洲和中国航天的现状,虽然中国与欧洲目前还不能领引世界航天技术的进步,但是它们这10年来在航天事业上的快速发展,相信在未来一定会给人们带来更多的希望。

中国载人航天工程发展战略:中国载人航天工程发展战略分为三个阶段,“神一”到“神五”的相继发射,完成了第一阶段突破载人航天技术的阶段。第二阶段的任务包括的内容有飞船在轨技术验证(包括两人多天飞行、宇航员舱外活动、飞船空间交会对接等)、飞船定型和开发短期有人照料的空间实验室。从2005年起中国相继发射了从“神六”到“神八”“神九”四艘宇宙飞船和“天宫”1号目标飞行器,今后还包括“神十”以及“天宫”2号、“天宫”3号,由空间目标飞行器向短期有人照料的空间实验室过渡,预计这一阶段将在2015年左右完成。第三阶段则是在2020年左右,建成中国首座长期有人照料的空间实验室,即空间站。

日本

日本作为后起之秀,也越来越多地受到人们的关注。

2009年7月15日,“奋进”号航天飞机将日本实验舱外部实验平台运抵国际空间站,并安装完毕,标志日本“希望”号实验舱建成。它是国际空间站中体积最大,也是最复杂的太空实验室。包括增压实验舱段、增压后勤实验舱段、暴露实验平台和遥控操纵系统等,总质量达25.3吨。其中,增压实验舱段长11.2米,直径4.4米,质量15.9吨,是整个实验舱的核心部件。

2009年9月11日,日本使用自制的H-2B型运载火箭,发射了本国第一艘货运飞船(HTV)。2011年1月22日,H-2B运载火箭发射了第二艘HTV货运飞船,这种货运飞船一经发射便投入正式使用,为国际空间站送去补给物资。它总重16吨,可携带约6吨的有效载荷。

用于发射HTV货运飞船的H-2B运载火箭,近地轨道运载能力达到16.5吨。助推级包括4枚固体火箭助推器,单台发动机推力为230.5吨力。芯级的两台LE-7A液体火箭发动机推进剂为液氢和液氧,单台真空推力为109.8吨力,已经超过了中国新一代大推力运载火箭所使用的50吨级氢氧火箭发动机。

星际探测方面,日本在2003年5月9日发射了“隼鸟”号小行星探测器,对一颗名叫“丝川”的小行星进行科学研究。2005年11月20日和26日“隼鸟”号先后两次短时间着陆于“丝川”小行星表面,采集到行星土壤样本后返回。在自身装有的4台氚离子火箭发动机中只剩一台尚可运转的情况下,凭借自身顽强的生命力,于2010年6月13日成功释放返回舱,安全降落到地球。这是人类历史上第一颗在其他星体上着陆取样,并能够返回的探测器。而美国于1998年发射的“星尘”彗星号探测器,并没有实现着陆取样,仅是在围绕“怀尔德”2号彗星运行轨道上,采集到了彗星上的尘埃样本。

2010年5月21日,日本发射了“拂晓”号金星探测器和“伊卡洛斯”号太阳帆探测器,6月15日太阳帆完全展开,面积为14平方米。这也是人类历史上第一个发射成功的利用太阳能作为单一驱动能源的航天器。

中国面临的挑战

从“隼鸟”号和“伊卡洛斯”号探测器的事实说明,日本已经拥有人类在星际探测某些领域的最先进技术,凭借航天方面的良好基础,在很多方面均已领先了中国。中国利用航天领域日趋成熟的技术和强劲的发展活力,所做的首要任务就是在大型运载火箭和大推力火箭发动机这些核心技术上实现突破。

中国运载火箭家族中的最新型号是用于发射“天宫”1号的“长征二号”FT1型运载火箭,它是中国目前起飞质量最大的运载火箭,达到493吨,由“长征二号”F型运载火箭改进而成。由于“长征二号”F型运载火箭仅能将重约7.8吨的宇宙飞船送入近地轨道,而“天宫”1号目标飞行器重达8.5吨。为了满足发射需求,“长征二号”FT1型运载火箭的4个助推器整流锥经过改进变成了推进剂的容器,总共可加装600多千克的推进剂,增加了火箭推力持续的时间;同时把火箭整流罩头部锥体构型改成流线体构型,降低了火箭飞行的气动阻力。但是这种改进并没有实质性地增加火箭发动机的推力,因为中国新一代大推力火箭发动机正在研制中,不可能通过改进发动机使火箭推力获得大幅度的提升,而对于火箭外形的改进和增加推进剂的容器,使运载能力获得提升还是十分有限。

对于实现更远的火星探测,中国则不能采取对“长征三号”运载火箭进行

改进,虽然“长征三号”A和“长征三号”C型运载火箭均已成功发射过探月卫星,但是火星要比月球远得多,与地球近地点的距离也可达到5600万~5800万千米,是到月球的100多倍。中国要用现有的火箭发射火星探测器需经过大规模的改造,目前技术上还有很大挑战性,况且中国也没有完全掌握火星探测的测控技术,因此中国的“萤火一号”火星探测器不得不借助俄罗斯的运载火箭发射。

2011年11月9日,搭载着“萤火”1号的俄罗斯“火卫一 土壤”火星探测器“福布斯”号一起由俄罗斯“天顶”-2SB运载火箭发射升空。不过令人遗憾的是,“福布斯”号探测器未成功变轨,导致这次发射任务以失败告终。

“萤火”1号质量仅为110千克,相当于“嫦娥”1号的1/20。而俄罗斯却为此付出了惨重的代价,“福布斯”号探测器耗资50亿卢布,约合10.5亿人民币,是俄罗斯近15年来在星际探测领域的首次尝试,俄罗斯这次也沿袭了苏联逢发射火星探测器必失败的命运。

为了适应未来航天发射的需要,中国已开始研制新一代运载火箭,并把这种系列的运载火箭初步定名为“长征五号”。新一代运载火箭将遵循大推力、高可靠性、环保、低成本的原则。它采用了模块化设计,由直径5米、3.35米和2.25米3种模块构成。其中直径5米模块装有2台推力为50吨力级的氢氧火箭发动机,可作为芯级火箭;直径3.35米模块装有2台推力为120吨力级的煤油/液氧火箭发动机,可作为助推级或芯级火箭;直径2.25米模块装有1台推力为120吨力级的煤油/液氧火箭发动机,可作为助推级或小推力火箭的芯级。发射近地轨道有效载荷的运载火箭由助推级和芯一级组成,比现有的近地轨道运载火箭“长征二号”减少一级;发射同步转移轨道有效载荷时火箭再增加上面级,上面级装有1~2台由“长征三号”系列火箭第三级的改进型,推力约为8吨力的氢氧火箭发动机,也比现有的同步转移轨道运载火箭“长征三号”减少一级。这种模块化组成的运载火箭最大起飞推力将达到1100吨力级,近地轨道最大运载能力可达到25吨,同步转移轨道和同步轨道最大运载能力将达到14吨和12吨。只有突破大型运载火箭和大推力火箭发动机技术,中国才能在世界的航天领域中占有一席之地。

世界上具有代表性的火箭发动机详情

煤油/液氧

“宇宙神”5(EELV)

RD-180

俄罗斯

芯一级

415

已服役

俄罗斯

RD-253

四氧化二氮/偏二甲肼

质子-M

芯一级

178.3

已服役

美国

RS-68

氢氧

“德尔塔”4(EELV)

芯一级

294

已服役

欧洲

“火神”

氢氧

“阿里安”5系列

芯一级

134

已服役

日本

LE-7A

氢氧

H-2B

芯一级

109.8

已服役

中国

YF-XX

氢氧

长征五号

芯一级

50

未服役

中国

YF-XXX

煤油/液氧

长征五号

芯一级、助推级

120

未服役