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SpaceX公司货运龙飞船发射,与天舟比孰优孰劣?三项领先四项落

2023-01-08 21:23:43 来源:网络 阅读:

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货运龙与天舟二号是货运飞船两种不同技术路径的巅峰之作,那么二者相比孰优孰劣?正所谓知己知彼百战不殆,在对比中学习经验也是发展的必修课。

天舟二号货运飞船

龙系列飞船主要有三个型号,分别是第一代货运龙飞船、载人龙飞船、第二代货运龙飞船,三型飞船之间是接续迭代的发展关系。载人龙飞船基于第一代货运龙飞船研制,第二代货运龙飞船又是基于载人龙飞船发展而来。

第一代货运龙飞船

执行本次飞行任务的飞船是第二代货运龙飞船,它是在载人龙飞船基础上进行简化设计。由于是无人货运飞船,因此宇航员座椅、推式逃逸动力系统、宇航员操作面板等载人保障设备被拆除,同时生命保障系统也被大大简化。(第一代货运龙飞船已经退出舞台,出于书写便利考虑后文第二代货运龙飞船皆以“货运龙飞船”代称。)

载人龙(返回舱外表突出结构即是推式逃逸动力)

货运龙飞船采用两舱结构设计,前半部分是可往返大气层内外空间的返回舱,也被称为“加压货舱”。尾段则是飞船延伸段,按照传统设计这里应当是飞船的服务舱,然而货运龙飞船将姿轨控动力系统完全整合进了返回舱,后者配置了十几台400N天龙座发动机,没有动力舱功能的延伸段被设计成“非加压货舱”。

没有推式逃逸动力的货运龙飞船水平装配

返回舱整合姿轨控动力系统是一举两得的设计,一方面动力系统可随返回舱一同返回地面并重复使用,进一步扩大整船可重复使用的设备比例,降低运行成本。另一方面没有动力系统的延伸段成为了拥有37立方米空间的非加压货舱,使得可承运货物的种类进一步丰富。

黑色部分就是太阳能电池片

货运龙飞船的太阳能电池片被布置在延伸段舱壁外,此设计旨在为无整流罩发射提供便利。

400N天龙座姿轨控发动机

基于返回舱的加压货舱设计,货运龙飞船不仅可以携载货物为国际空间站提供上行运输服务,也可以提供下行运输服务。同时,非加压货舱可以搭载空间站使用的外部设备,比如执行本次飞行任务的货运龙飞船就搭载了国际空间站计划更新的可以比肩天宫空间站的柔性太阳翼。

货运龙飞船非加压货舱内搭载的柔性太阳翼

综上所述,货运龙飞船有三项性能居于世界领先水平:

1.大载重货物返回能力世界唯一;

2.加压货舱可重复使用;

3.非加压货舱容积世界第一大。

返回地面的货运龙飞船返回舱(加压货舱)

服务天宫空间站上行货物运输的天舟号货运飞船与之相比,凭借一系列具有世界领先水平的技术性能也有着自己的精彩:

首先还是得老生常谈地强调“货重比”,即运力与飞船最大发射质量比值,此项数据是衡量货运飞船综合性能的核心指标,比值越大越优秀。

货运龙飞船最大发射质量约15吨,理论上最大载货量是6吨,但实际运作中从没有超过3.5吨。按照理论值计算,货运龙飞船的货重比是0.4。

天舟全密封加压货舱

天舟号货运飞船最大发射质量约13.5吨,最大上行运力6.8吨,货重比超过0.5,“上行运力”与“货重比”两项指标居于世界领先水平。

当前服务载人空间站推进剂在轨加注任务的货运飞船只有两款,一款是服务国际空间站的进步号货运飞船,另一款就是天舟号。

核心舱前向对接口推进剂补加

天舟货运飞船采用“增压气体回用+推进剂恒压挤压”方案,飞船与天和核心舱对接后,被补加推进剂贮箱气箱内增压气体抽进气瓶,目的是降低贮箱被压,从而具备接收补加推进剂的条件,随后天舟货运飞船再以恒压方式将推进剂输送至被补加贮箱,同时对连接管路进行吹除,从而完成推进剂在轨补加。

在此基础上天舟号货运飞船还在国际上率先应用“推进/补加一体化设计”,推进贮箱模块与补加贮箱模块可根据任务需求灵活切换。

推进/补加一体化模块

不论是推进剂补加技术方案的先进性还是补加效率,天舟号货运飞船都占据了C位,再一次无可争议地居于世界领先地位。

执行本次飞行任务的货运龙飞船发射入轨后并没有立即与国际空间站对接,按照计划要在两天后才能与之对接,它沿用的仍然是传统对接方案,理论上该型飞船也具备快速对接能力,但迄今为止还没有进行过实际任务验证。

货运龙飞船至今仍不具备快速对接能力

二代货运龙飞船虽然是第二次飞行,但其前代产品已经执行过数十次飞行任务,应当算是载人航天领域里一员久经战阵的老将。

与之对比,天舟号货运飞船满打满算也仅执行过两次飞行任务,但其在第一次飞行任务中就进行了快速对接技术演示验证任务,在天宫空间站首次应用飞行任务中天舟二号直接应用了快速对接技术,而这又是一个居于世界领先水平的技术方案。

天舟二号对接天和核心舱

天舟号货船在国际上率先应用基于绝对定位数据的快速交会对接自主导航与制导方案,北斗卫星导航系统为其提供定位数据,实现了远程导航段的全自主轨道控制,加上近程导引段的全自主控制,进而形成飞行全过程的自主控制能力。

这是与进步MS、联盟MS两型飞船快速对接完全不同的技术方案,突出全程自主无需地面干预的优势。地面测控人员只需通过天链中继卫星构建的星间链路进行全程监控。

综上所述天舟号货运飞船对比货运龙飞船有如下四项优势:

天舟货运飞船热真空测试

1.上行货运能力居世界现役货运飞船第一名;

2.货重比世界第一;

3.推进剂在轨补加技术;

4.全自主快速交会对接。

明晰优劣之后该如何补齐短板呢?我们早已在路上:

从左至右:全密封、半密封、全开放

货运龙飞船可以兼顾加压与非加压上行货运业务,天舟号从设计之初就是系列构型方案,总计有四种构型灵活切换,分别是:全密封货船、半密封货船、全开放货船、小型舱段转移货船。

目前全密封与半密封两种构型货船已经立项研制,执行飞行任务的天舟一号与天舟二号都属于全密封货船,此种船型只提供上行加压货物运输服务,航天员不必身着厚重的航天服即可进入货舱搬货。

天舟号半密封货船实体

半密封货船也已经有实体亮相,该船如同货运龙飞船一样兼顾加压与非加压货物上行运输任务。据航天科技五院天舟货运飞船系统副总指挥李志辉披露,从天舟一号到天舟五号都是全密封货船。言外之意半密封货船有望在天舟五号任务之后进行首飞应用。

半密封货船的非加压货舱容积逊于货运龙飞船,天舟全开放货船可以补齐这一短板,同时天舟还有小型舱段转移货船构型,这是货运龙飞船不可能有的功能。

另外两个短板是下行货运与可重复使用,这两项能力是相辅相成的关系。面对这两个短板还得捋清一个逻辑,即,具有下行货运能力的可重复使用货运飞船与一次性上行货运飞船并不是相互取代的关系,同样也是相辅相成。

天鹅座货运飞船

货运龙飞船早在十年前就已经投入运行,然而国际空间站的天地往返运输业务并没有被货运龙飞船垄断。以去年为例,国际空间站共接纳7艘来访货运飞船,其中两艘是货运龙飞船,一次性上行货运飞船总计5艘,分别是两艘天鹅座货船、两艘进步MS货船、一艘HTV-9货船。

货运龙飞船不超过3.5吨的实际上行加压货运能力仍有不足,同时无法提供推进剂在轨补加服务,这是它无法一家独大的主要原因。

执行燃料在轨补加任务的进步系列货运飞船

天宫空间站为完善天地往返运输系统已于今年年初发布关于征集“面向空间站运营的低成本货物运输”方案设想的公告,公告主要提出两项需求,一个是上行运力1至4吨的一次性货运飞船,再就是具备300公斤下行货运能力的货船。

拥有6.8吨上行运力的天舟号确实很强,但也带来了天宫空间站上行货运体系灵活性不足与运力过剩的问题,因此1至4吨上行货运能力的一次性中小型货船研制需求应运而生。

另外,针对下行货运飞船我们只提出最大300公斤重量的下行运力需求,与货运龙飞船下行运力相比显然不在一个段位,这是为什么呢?

天宫空间站每年有2至3艘货运飞船补给需求

目的与1至4吨上行运力中小型货船一样,都是为了增强运力调配的灵活性。

同时,我们也早已有了大载重的下行货运飞船项目。去年5月5日搭乘长征5B遥一火箭升空的新一代载人飞船试验船原本就是以“新一代天舟货运飞船”名目起家,这是一种集近地轨道载人天地往返、月球/火星/小行星深空载人往返、近地轨道上行/下行货运多种功能于一体的系列化飞船。

新一代天舟货运飞船

其货运版上行运力4吨,下行运力2.5吨,与运力相比加压货舱容积的大小更为关键,该船此项指标有13立方米,与之相比货运龙飞船加压容积仅有9.3立方米。

新一代载人飞船

同时新一代天舟货运飞船可重复使用次数达到10次,当前货运龙飞船重复使用次数还没有突破3次。

新飞船返回舱可承受第二宇宙速度条件下的热流烧蚀

由此,天宫空间站将构建由神舟载人飞船、天舟货运飞船、4吨级运力的上行货运飞船、300公斤级小型下行货运飞船、新一代载人飞船、新一代天舟货运飞船多种船型全要素覆盖各种运力需求的天地往返运输体系。返回搜狐,查看更多