長征火箭「三兄弟」並肩作戰，各顯神通搭建中國空間站
導語
隨著2017年空間實驗室飛行任務圓滿收官，我國載人航天工程第三步任務——空間站工程已全面展開，各項研製建設工作正穩步推進。
日前，中國載人航天工程辦公室副主任楊利偉接受採訪時說：「空間站各艙段將由長征五號B運載火箭在文昌航天發射場發射；貨運飛船將由長征七號運載火箭發射；神舟載人飛船將由長征二號F火箭在酒泉衛星發射中心發射。」
長征二號F運載火箭系統、長征七號運載火箭系統以及長征五號B運載火箭系統，是目前載人航天工程中的三大運載火箭系統。他們各司其職，為中國空間站的建造運營搭建起「天地運輸走廊」。
長征二號F運載火箭
▲長征二號F運載火箭
長征二號F運載火箭（CZ-2F）是我國第一種為載人航天研製的高可靠性、高安全性的運載火箭。與其它火箭相比，增加了2個新系統，即：逃逸系統和故障檢測處理系統。火箭全長58.34m，起飛重量479.8噸。芯級直徑3.35m，助推器直徑2.25m，整流罩最大直徑3.8m。火箭最大截面直徑10.2m。
長征二號F運載火箭於1999年首飛，2003年發射了神舟五號載人飛船，實現了中國人飛天夢想。發射神舟七號飛船後，為了滿足交會對接任務的需要，火箭進行了改進設計。此後又成功發射了天宮一號目標飛行器、天宮二號空間實驗室以及神舟八號、九號、十號、十一號載人飛船。
目前，長征二號F運載火箭是我國唯一一種載人運載火箭。
長征七號運載火箭
▲長征七號運載火箭
長征七號運載火箭（CZ -7）是為滿足我國載人空間站工程發射貨運飛船的需求，全新研製的新一代高可靠、高安全的中型運載火箭。火箭採用「兩級半」構型，總長53.1米，芯級直徑3.35米，捆綁4個2.25米的助推器，起飛質量約597噸。
2016年6月25日，長征七號運載火箭在海南文昌航天發射場首飛成功，拉開了中國載人航天工程空間實驗室任務的序幕。2017年4月20日晚，長征七號運載火箭在海南文昌發射場，成功將天舟一號貨運飛船精準送入預定軌道。
長征五號B運載火箭
▲2016年6月4日，在國家「十二五」科技創新成就展上展出長征五號B運載火箭模型
長征五號B運載火箭（CZ-5B）是我國近地軌道運載能力最大的新一代運載火箭，承擔我國空間站艙段發射任務。目前正在研製，計劃明年首飛。
新一代載人飛船
追求價廉物美和高性價比
放眼全球，世界各主要載人航天大國都提出了發展新一代載人飛船的設想或計劃，其中俄羅斯有聯邦飛船，美國提出了獵戶座多用途飛船，而商業航天公司，如太空探索公司和波音公司也提出了載人版龍飛船和CST-100「星際快車」等載人飛船。可以說，全世界載人飛船技術的發展呈現出全面換代的趨勢。
人類載人飛船技術的發展已經經歷了三代，第一代是蘇聯的東方號飛船和美國的水星飛船，這一代飛船的設計比較簡單，其核心任務是實現人類進入太空的夢想，分別採用了兩艙和單艙的結構，可以實現天地往返和單人多天在軌停留。
▲東方號飛船
▲雙子星飛船
蘇聯的上升號飛船和美國的雙子星飛船是人類發展的第二代飛船，人類在這一代飛船上實現了多人同時進入太空的目標，並驗證了人類第一代艙外活動技術。值得一提的是，雙子星飛船還驗證了交會對接技術。
蘇聯/俄羅斯的聯盟號飛船和美國的阿波羅飛船，以及中國的神舟飛船是人類發展的第三代飛船，這些飛船可實現天地往返、多人多天在軌駐留、交會對接和艙外活動等多種功能，均可作為長期在軌運行的空間站與地面之間的乘組往返工具，並可作為空間站駐留階段航天員在緊急逃生時的「救生艇」。
▲神舟十號飛船示意圖
▲阿波羅飛船
▲聯盟號飛船
回顧人類過去三代載人飛船的發展，採用多艙設計這一理念已經固定下來，不論是採用指令艙和服務艙的兩艙設計，還是採用軌道艙、返回艙、推進艙的三艙設計，最終只有一個艙段返回地球，這在最大程度上減輕了飛船的重量，在完成相同任務的情況下降低了對運載火箭能力的要求。
進入新世紀，各航天大國越來越意識到飛船主要是作為乘組的天地往返運輸工具，不要賦予它太多的其他功能。因此，從未來發展趨勢上並不主張載人飛船完成太多的獨立在軌任務。
對於近地軌道的載人航天活動來說，由於其核心是空間站任務，因此新一代飛船的設計思想是以最小的代價運送儘可能多的乘組往返空間站。所以，新一代載人飛船的乘組定員幾乎都是6~7人，這與過去太空梭的乘組運輸能力相當，但新一代飛船的重量卻不到太空梭的1/4。同目前中、美、俄現役的載人飛船只能承載3人相比，其效益並不只是簡單地增加了1倍。
因為天地往返運輸任務是整個載人航天活動中最為危險的部分之一，為了安全起見，一般要求3人乘組中至少有兩人具備飛船駕駛能力，這樣在出現意外情況時可以互為備份，確保安全。但這樣的話就只留下一個席位給載荷專家、任務專家或其他乘客。
像國際空間站這樣的龐然大物可以同時駐留6名航天員，每次3人往返的限制條件對充分發揮空間站的效益有很大的影響。如果飛船一次能夠運送6~7人，這樣就可以運送更多的任務專家去空間站，投入到空間站駐留階段的任務中。
各國研製的新一代載人飛船還有一個突出特點就是可重複使用。為了最大限度地回收可用資源，新一代飛船均採用了兩艙設計，推進艙或服務艙沒有配置防熱材料，在完成離軌機動後拋棄，可重複使用的是飛船的返回艙或指令艙。
近年來，各國防熱材料都有了長足的進步，在性能方面已經與前三代飛船和太空梭相比有了更大的提升。鑒於太空梭在成本控制方面的教訓，各國新一代載人飛船都在設計上盡量簡化從回收到再次使用的檢測、維修流程，主要措施是將防熱材料做成可更換的形式，這樣就可以避免回收後花費大量的人力、物力進行檢修，可以以最小的代價和最短的時間再次投入使用。這對於擴大人類在近地軌道空間的活動規模非常有意義。
由於人類載人航天的重點已經由近地軌道空間站拓展到重返月球乃至登陸火星，因此在新一代載人飛船的設計中都考慮了作為月球/火星任務天地往返工具的功能，其防熱設計大多能夠承受以第二宇宙速度從外太空返回地球時劇烈的加熱，還能在遠離地球磁場時為航天員提供更多的輻射屏蔽和防護，其導航制導與控制系統也能夠在近地空間以外的深空環境工作。
所有這些，都是在為人類載人航天活動在太陽系的延伸做著積極的準備。
作者：楊宇光
來源：中國航天報
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