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神舟十二号飞船发射成功,对中国航天有何重大意义?

发布者:管理员 发布时间:2021-6-18 9:26:17 阅读:12

空间站时代

中国载人航天迈入新篇章

  

答主:太空精酿(100+ 赞同,代尔夫特理工大学航天工程博士,精酿啤酒、航天、啤酒话题的优秀答主,收录于知乎圆桌)


神舟十二号发射,中国载人航天迈入新篇章!


2021 年 6 月 17 日 9 时 22 分,中国酒泉卫星发射中心,搭载着聂海胜、刘伯明和汤洪波三名航天员的神舟十二号飞船,由「神箭」长征 2F 火箭顺利发射升空。


在 6 小时后,采用了自主快速交会对接模式的飞船将与已经在轨的天宫空间站「天和」核心舱顺利对接,也创造我国载人航天历史上最快载人对接记录。


载人航天是人类航天技术的「皇冠上明珠」,也是人类迈出地球摇篮的必备技术。由于要运输相对无人飞行器而言极度脆弱的人类身体进入环境恶劣的太空,相对于普通航天工程,载人航天不仅需要增加载人运载火箭、载人飞船、货运飞船、航天员训练和着陆回收等高难度分系统,整个系统还会变成可以用「木桶桶底」理论适用的环节:只要有任何一个环节出问题,桶里的水都会彻底漏光,导致彻底失败。因此,载人航天技术的门槛极高。人类进入航天时代 60 余年来,仅有苏联/俄罗斯、美国和中国掌握了独立自主的载人航天技术。


然而,中国取得这一切成果并非易事,需要从筚路蓝缕的起点阶段默默耕耘。中国载人航天自 1992 年 9 月 21 日开启以来(「921」工程),先后规划了三大发展阶段:



神舟五号任务的杨利伟成为中国航天划时代发展的见证者

图源:中国载人航天办公室


第一阶段,发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验,神舟一号至六号等任务已实现这个目标;


第二阶段,突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题,神舟七号至十一号、天舟一号、天宫一号和二号等任务已实现这个目标;


第三阶段,建造空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。这一步计划的实现是载人航天发展近 30 年来的最核心目标:中国要建立一座「天上宫阙」(天宫空间站),让「天神」(航天员)长期驻留。



图源:中国载人航天办公室


建造天宫需要长征家族三大主力一起上阵。长征二号F负责发射 8 吨级的神舟载人飞船,长征七号负责发射 13.5 吨级的天舟货运飞船,长征五号 B 负责发射 22.5 吨级的天宫核心舱和实验舱


建造天宫的难度远超以往,它具备三个核心部分:空间站核心与实验舱段、载人飞船和货运飞船。


它们不仅功能、尺寸、重量完全不同,还需要搭配完全不同的运载火箭和发射场系统等。2021 年 4 月 29 日,天宫空间站核心舱「天和」顺利升空;5 月 29 日,天舟二号货运飞船顺利升空,二者对接后开始等待载人飞船的到来,即今天发射的神舟十二号。这也标志着,天宫正式进入载人驻留运营状态。


2

新船、新箭、新乘组、新任务


答主:我们的太空(100+ 赞同)


歪果仁能搞的,中国也行,而且很行,还创新行!


下面说说这次任务:01



新船

首先和俄罗斯的联盟号不一样不一样。说起神舟飞船,有的朋友就说,不就是仿制俄罗斯的联盟号么?嘿嘿,其实真的不是,一起来看看对比图和指标。
图源 @Memorian-QN
数据是神舟飞船——俄罗斯联盟 MS 飞船:
起飞质量:8.1t——7.1t全长:~9.3m—— ~7.5m轨道舱直径:2.2m—— ~2.3m返回舱直径:2.5m——~2.3m推进舱直径:2.72m——2.8m翼展:17m——10.7m容积:14m3——10.5m3
不一样吧?
然后是和之前的 6 发任务的船不一样不一样。神舟十二飞船主要方案继承二期神舟系列飞船设计,为推进舱、返回舱、轨道舱三舱结构,总长度约 9 米,总重量约 8 吨。在轨为三舱飞行,返回前轨道舱、推进舱依次分离,返回舱单舱返回地面,着陆以降落伞减速为主,着陆缓冲发动机配合确保着陆安全。
1. 主要技术改进
空间交会和返回技术升级:
本次任务将采用快速交会技术,在空间站核心舱的配合下,由飞船控制计算机自主计算和执行轨道控制,发射后约 6.5 小时完成与核心舱的对接,航天员即可以进入空间站开始太空生活和工作,大约与从北京乘坐高铁到长沙的时间相当,可以大大减少地面飞行控制人员的工作量和工作时间。对返回过程控制算法进行改进,使航天员返回过程和着陆落点位置控制更可靠。
主要国内科研成果应用改进项:
进行了多项国产化芯片应用改进,元器件和原材料全面实现自主可控,飞船使用的控制计算机、数据管理计算机完全使用国产 CPU 芯片。
随着我国北斗系统全球组网完成,北斗导航终端也引入飞船设计中,导航计算、返回搜救落点报告等都采用了北斗系统定位数据。
依托我国中继卫星系统,测控由地基测控为主全面转为天基测控为主,地面站船测控为辅,减少对测站、测量船的需求,既扩大了测控覆盖率,又节约了任务成本。
停靠空间站技术升级:
载人飞船为执行各类验证任务,原设计是基于单船自主飞行为主进行设计,空间站阶段载人船任务单纯为服务空间站运行,因此在接近和长期停靠空间站过程中,增加了以空间站作为太空基站的无线和有线信息通信、能源并网、环境控制等支持设计,极大提升了执行任务的灵活性和适应性。
2. 当做应急救援船使用
本次研制任务,神舟飞船为多船批次投产,两船同时出厂,同时在发射场完成神舟十二号和神舟十三号两艘飞船总装、测试等工作。
神舟十二号飞船作为发射船已与火箭对接在发射塔待命发射,神舟十三号飞船作为本次任务地面待命救援飞船,完成推进剂加注前准备,在厂房就位,随时可启动后续发射工作程序。一旦在轨发生需要救援的情况,在长征 2 号 F 运载火箭配合下随时可启动救援程序,短时间内即可发射入轨,将航天员接回地面。
此项任务给研制单位带来很大挑战,几乎要在原完成一艘船时间内完成两艘飞船在工作。研制队伍通过技术流程优化、计划统筹编排、研制过程高效技术手段提升等措施,确保了任务按计划完成。



新箭

长征二号 F 运载火箭是专门用于载人航天的二级运载火箭,也是目前中国所有运载火箭中系统最复杂的火箭,具有发射目标飞行器(天宫二号空间实验室)和载人飞船(神舟十一号载人飞船)的两个状态,运载能力分别为 8.6 吨和 8.15  吨。
发射目标飞行器状态的火箭由箭体结构系统、动力系统、控制系统、利用系统、遥测系统、外安系统、故检系统、附加系统和地面支持系统共计 9 个系统组成。发射载人飞船状态的火箭增加逃逸系统,共计 10 个系统组成。
其中,发射目标飞行器状态的火箭全长 52.03m,起飞重量 493.1t;发射载人飞船状态的火箭全长 58.3m。长征二号 F 运载火箭芯级直径 3.35m,助推器直径 2.25m,对于目标飞行状态整流罩直径 4.2m,对于载人飞船状态整流罩直径 3.8 米。
相对其他火箭,长征二号 F 运载火箭载人飞船状态增加了故障检测和逃逸救生系统,在火箭顶部带有逃逸飞行器,全箭可靠性指标 0.97,安全性指标 0.997,是我国可靠性指标最高的运载火箭。
本次发射任务是 CZ-2F 火箭第 14 次载人航天发射任务,是 CZ-2F 火箭二期以来的第 8 次发射。CZ-2F Y12 火箭面对「只能成功、不能失败」的任务要求,需要深入分析火箭系统特点,针对性采取控制措施。
克服了飞行子样少的考验。Y12 火箭为改进型长征二号 F 运载火箭第五次发射飞船状态飞行任务,连同目标飞行器仅有七发任务的成功子样,火箭薄弱环节暴露并不充分,火箭应对解决大偏差情况能力未得到飞行考核;克服了地面设备久的困难。
火箭地面设备自改进型长征二号 F 火箭研制以来,已经超过了 10 年的使用期限,部分地面设备尚未完成改造,存在设备超期服役出现故障的风险;克服了任务流程新的考验。在 Y12 执行任务前,Y13 火箭以竖立状态在技术区存放,在 Y12 火箭发射后,Y13 火箭将执行应急发射值班任务,具备 8.5 天和 16 天应急发射的能力。克服了任务间隔长的困难。
Y12 火箭距离上次 Y11 火箭执行载人任务将近 5 年时间,任务间隔时间长,型号队伍发生了新的人员变化,新老人员交替,但是载人意识愈发浓烈!人员的技术能力保持良好并持续提高。



新乘组

神舟十二号载人飞船飞行乘组由航天员聂海胜、刘伯明和汤洪波三人组成,平均年龄为 53 岁。两老一新。一个 8 年不怠持续保持使命感,一个 11 年艰苦训练等待首飞,一个 13 年刻苦训练等待再次飞天!都是最好的!没有之一!我们在这里再认识他们一下!

本次任务航天员乘组选拔按照「新老搭配,以老带新」的方式,结合航天员飞行经历、相互协同能力等方面,选拔出飞行乘组和备份航天员。周密制定了航天员训练方案和计划,扎实开展了地面训练和任务准备,每名航天员训练均超过了 6000 学时。
特别是针对空间站技术、出舱活动、机械臂操控、心理以及在轨工作生活开展了重点训练。这三名航天员组成的队伍年龄偏大和此次任务内容有关,此次任务复杂繁重,有聂海胜这样的丰富经验的高手带队,同时也可以培养新人。未来航天员的平均年龄整体提高是必然趋势。
三名航天员中, 聂海胜参加过神舟六号、神舟十号载人飞行任务,刘伯明参加过神舟七号载人飞行任务,二级航天员汤洪波则是首次飞行。其中聂海胜 1964 年 9 月出生(57 岁),刘伯明 1966 年 9 月出生(55 岁),汤洪波 1975 年 10 月(46 岁)出生,三人平均年龄约为 53 岁。
按照空间站建造任务规划,今明两年将实施 11 次飞行任务,包括 3 次空间站舱段发射,4 次货运飞船以及 4 次载人飞船发射,2022 年完成空间站在轨建造,建成国家太空实验室,之后,空间站将进入到应用与发展阶段。
从 2003 年迄今,中国航天员大队先后有 14 人次征战九天,行程达 4600 多万公里,绕地球飞了 1089 圈。中国载人航天官方网站公开信息显示, 1998 年 1 月 5 日,14 名首批航天员在北京航天城集合,其中有 8 位曾经执行过航天任务,分别是:杨利伟、费俊龙、聂海胜、翟志刚、刘伯明、景海鹏、刘旺、张晓光。
截止 2018 年首批航天员队伍中已经有吴杰、李庆龙、陈全、赵传东、潘占春 5 位航天员因超过黄金飞行期停航停训。邓清明是目前航天员大队唯一没有执行过飞天任务的首批现役航天员。
2009 年 5 月我国开始招收选拔第二批航天员。2010 年 4 月,包括刘洋和王亚平 2 名女航天员在内 7 名航天员加入航天员大队,当时他们最大的 35 岁,最小的 30 岁,平均年龄 32.4 岁,而第一批航天员比第二批航天员普遍大十多岁。
截止目前第二批航天员中刘洋、王亚平、陈冬三人已经执行过航天任务,此次入选神舟十二号乘组的汤洪波和备份航天员叶光富都是第二批航天员。2016 年,叶光富曾赴意大利参加了欧洲空间局组织的洞穴训练,这是中国航天员首次参加并完成国际洞穴训练。
2021 年 3 月 4 日,全国政协委员、中国载人航天工程副总设计师杨利伟在接受采访时曾表示,目前我们国家的航天员队伍是由第一批和第二批的 16 名航天员,以及第三批的 18 名航天员组成的。不同于前两批航天员备战我国空间站的建造期任务,第三批航天员主要是为空间站运营阶段的飞行而准备的,第三批航天员还要经过3到4年的周期性基本训练之后,才能够具备执行任务的能力。
这意味着在今明两年内的 4 次载人飞船发射任务或将继续由第一批、第二批航天员担任主力!!




新任务

神舟十二号飞行任务有以下四个方面:
一是将进一步验证载人天地往返运输系统的功能性能。
改进后的长征二 F 运载火箭提高了可靠性和安全性;神舟十二号载人飞船新增了自主快速交会对接、径向交会对接和 180 天在轨停靠能力。改进了返回技术、进一步提高落点精度,还将首次启用载人飞船应急救援任务模式。
二是将全面验证航天员长期驻留保障技术。
通过神舟十二号航天员乘组在轨工作生活3个月,考核验证再生生保、空间站物资补给、航天员健康管理等航天员长期太空飞行的各项保障技术。
三是将在轨验证航天员与机械臂共同完成出舱活动、及舱外操作的能力。航天员将在机械臂的支持下,首次开展较长时间的出舱活动,进行舱外的设备安装、维修维护等操作作业。
四是将首次检验东风着陆场的搜索回收能力。
着陆场从内蒙古四子王旗调整到东风着陆场,首次开启着陆场系统常态化应急待命搜救模式。
上述这些技术的突破与能力的验证,将为后续空间站建造及应用发展奠定坚实基础,积累宝贵经验。
   总之,中国人,再次征服太空!静待对接!