中国新一代多用途载人飞船直径5米？和猎户座一样大，长征七号没有这么大的整流罩！

新一代载人航天器密封舱主结构材 料的发展方向和应用研究进展。 

      中南大学和东北轻合金有限公司等单位在国家项目支持下，率先开展铝镁钪合金的研制，根据我国航天工业发展需求，开发出了5B70铝镁钪合金（Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr）

       载人航天器大型密封舱主结构，主要由铝合金壁板与大型锻环成型焊接而成，直径 3～5 m，长度数 10 m。 

         中国、苏联一直应用铝镁系列铝合金：苏联用 AMГ6Al-Mg 系合金，中国用 5A06 铝镁系 合金；美国、欧洲主要应用铝铜系列铝合金，部分应用铝镁系列铝合金，如 2014Al-Cu 系合金、2219Al-Cu 系合金、 5086Al-Mg 系合金。

主结构材料升级需求 

1）更轻的重量  载人深空探测发射代价比近地轨道大得多，要求航天器具有更轻的重量、更高的效率。目前我国载人航天器结构重量/发射重量比约为24%～28%， 这个比例偏高，结构减重需求迫切，急需比强度更高的新型材料将此比例降至 20%以下。  

2）更长的寿命  未来新一代天地运输系统、地外驻留平台、月球基地等载人探测器工作和运行时间通常长于 15 年， 要求主结构在复杂的载荷环境下满足长寿命需求， 这就要求材料具备良好的疲劳特性和断裂特性。 

3）可重复使用  为了提高经济性，新一代天地往返系统等载人 航天器要求主结构具备可重复使用功能，这对主结构及其材料提出了全新的要求，需要采用服役可靠性更好的材料，并对材料损伤容限进行界定、识别及可靠性分析。 

4）更强的环境适应能力  载人航天器从近地轨道载人飞船和空间站延 伸发展至未来月球/深空探测载人飞船或长期驻留 生存基地，其密封舱主结构将面临更复杂的载荷条 件和更苛刻的环境条件，因此应具备更强的环境适应能力。

        为满足新的航天应用需求，主结构材料应该提前进行升级换代和技术开发储备，同时逐步建立相应大型部件的制备能力和相关结构制造工艺的配套能力。 

       在新一代多用途飞船大型密封舱主结构中的应用及影响因素，铝合金新材料在大型密封舱主结构中的应用主要受以下因素影响： 

1）材料性能：比强度、比模量、耐蚀性高仍是航天主结构材料永远追求的目标。  

2）基础能力：稳定保证材料高性能（各向同性） 条件下，需要具备研制直径 5 m左右大型锻环、厚度 30 mm 以上大型厚板的技术实力和条件保障能力。  

3）综合工艺性：材料成型、焊接、防腐蚀处 理等综合工艺性能优良，在经过成型、焊接制造后， 材料仍然能保持原有的高性能，并且结构制造工艺 继承性与生产成本满足预算要求。  

4）服役可靠性：在长期空间环境驻留服役、 多次往返重复使用条件下，材料仍然能保持原有的高性能和可靠性。

摘自航天器环境工程第32卷第6期

http://www.bisee.ac.cn/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150601&flag=1 

 

多用途飞船返回舱模型

返回舱为圆锥侧壁加球冠大底的结构构型，其结构主体分为顶部、侧壁、大底三部分。

         顶部是返回舱的主要承力部件，需在返回段开伞过程中抵抗严苛的冲击载荷。顶部有伞舱、弹射器、GNSS 天线、黑障天线等设备。

          侧壁包括防热层、蜂窝板和壁板，其中防热层有4块，并与蜂窝板粘贴在一起，再用螺接的方式与壁板上的筋相连接。侧壁上主要安装有姿态控制、气动测量功能的设备。

         大底是缓冲着陆冲击载荷的关键部位，由内外两层蒙皮以及夹筋桁条组成。大底由金属大底和防热大底两部分组成，其中金属大底上主要安装有信息管理、能源管理、回收、气动测量等功能的设备；防热大底上布设了气动测量功能设备。

多用途飞船返回舱有限元模型共有66693个节点、71956个单元

        由于多用途飞船返回舱研制任务的需要，将不开展物理振动试验，虚拟振动试验是唯一的结构振动考核方案。
        北京卫星环境工程研究所建立了整星虚拟振动试验系统，该系统包含振动台的机械子系统、控制子系统、功放子系统、滤波及放大电路子系统；并通过虚拟振动试验工程化与应用技术研究，将已经取得的虚拟振动试验技术成果转化，建立了一套航天器虚拟振动试验工程应用软件系统，包含多系统联合仿真分析模块、分析模型修正模块、夹具分析仿真模块和试验条件分析模块。

         由于正在研制中的多用途飞船返回舱只要求进行虚拟振动环境试验，所以利用此工程应用软件系统对返回舱进行验收级、鉴定级振动环境条件的虚拟试验，并作出预示和评价。多用途飞船返回舱的虚拟正弦扫频试验和随机振动试验，试验的控制误差在±5%以内，符合多用途飞船返回舱虚拟振动试验技术要求。

        40t双振动台的垂直状态有限元模型包含6300个节点、5388个单元；水平状态有限元模型包含6596个节点、5217个单元。

         返回舱夹具模型包含1537个节点、904个单元。夹具第1阶固有频率大于100Hz，满足航天器振动试验对夹具刚度基本要求。

摘自航天器环境工程第32卷第4期

 

           我国神舟飞船已经成功验证了载人飞船的各项关键技术,成功应用于出舱行走、交会对接等任务, 从“神舟8号”开始,已经进入小批量生产阶段,并将作为空间站载人天地往返运输系统的一个重要组成部分。未来载人火星探测任务可以继承神舟飞船技术。载人航天工程已经验证了载人飞船从近地轨道再入返回技术,“嫦娥”月球探测任务已经验证了弹跳式月球再入返回技术。从火星再入返回的再入速度更高,再入气动热环境更加复杂,新型的载人飞船需成功继承前期神舟飞船的成果,并突破行星际再入返回、深空长期在轨等特殊关键技术。 

          新型多用途飞船 

          新型载人飞船要具备执行近地空间站任务、未来载人登月与月球基地、火星和小行星等空间探测任务的能力。 新型载人飞船由返回舱与推进舱两舱组成,具 备整船自逃逸能力。返回舱采用倒锥型侧壁加球冠状大底的钝头体构型,为全船指令中心,在飞行过程中为航天员提供生存环境,前部安装对接机构和交会对接敏感设备;推进舱为整船提供能源和动力。新型飞船具备从火星转移轨道再入能力。 

         采用推进舱模块化设计理念来适应不同任务的 速度增量需求,并通过密封舱的模块化设计兼顾人 员和货物运输的能力。针对不同任务对人员运送和 上行物资方面能力的不同需求,从密封舱或推进舱 内部空间布局上考虑,使新飞船具备人货混运的能 力,最大可适应6名航天员运送的需求。 

摘自“载人火星和小行星探测任务初步分析”

 

        新一代多用途载人飞船返回舱型号项目，杨庆——载人航天总体部，他一人身兼三职，产保、进度、技术三大系统工程要素；探索并实践了重复使用设备产品保证体系；创造了12个月完成整器设计到AIT的工程业绩；突破了型号多项关键技术点。

        当世界还在关注神舟十号的时候，航天五院载人航天器总体研究室又展开了新一代多用途飞船的论证工作。新一代飞船技术先进，起点高、难度大，是我国载人航天器提水平、上台阶的关键项目。
        在方案论证的关键时刻，杨庆、吴文瑞、黄震等多位同志常常通宵达旦地做方案、改设计，终于在短短的三个月内，完成了多用途飞船返回舱的论证工作，实现了工程立项。
        如今货运飞船、新一代载人飞船型号任务正在稳步推进，载人航天器总体研究室将肩负起新的使命，走向载人航天新的征程。

方案设想
          目前我国只有长征2F一种载人火箭，经适应性改造后长征5和长征7火箭也可用于发射载人飞船。由于新一代载人飞船技术指标高于“神舟”飞船，整船重量也将显著增加，长征2F火箭已不能满足新一代载人飞船的发射要求。初步分析，经适应性改造后长征5和长征7火箭发射新一代载人飞船进入近地轨道的能力分别为14t和20t。
          对应于两种运载火箭的新一代载人飞船如图14所示，重量分别为14t和20t。飞船采用模块化设计，两飞船返回舱完全相同，推进舱携带不同重量的推进剂以适应不同任务需求。飞船的主要技术特点为：
(1) 乘员人数：2~6人；
(2) 再入速度：适应第二宇宙速度再入；
(3) 自主飞行：≥ 21天；
(4) 停靠时间：≥ 2年；
(5) 速度增量；14t飞船800m/s，20t飞船1700m/s；
(6) 任务支持：14t飞船支持近地轨道、小行星与火星任务，20t飞船支持登月任务；
(7) 构型：两舱构型；
(8) 气动外形：返回舱采用钝头体外形；
(9) 逃逸方式： 自备动力逃逸或逃逸塔逃逸；
(10) 再入热防护材料：低烧蚀轻质防热材料；
(11) 返回舱主体结构：整体壁板结构；
(12) 回收：群伞+气囊，具备海上和陆地着陆能力；
(13) 发电：光伏发电系统；
(14) GNC：高精度导航敏感器，喷气控制；
(15) 测控通信：具备黑障通信能力；
(16) 可重复使用：主要通过着陆减损设计来保证可重复使用设备在着陆过程中受到尽可能小的冲击。

 

虽然至今我们还没有探测到真正的外星文明，没有收到过来自遥远星球的无线电波，但是，在2016年的第一天，我们却收到了很多星空探索“集结地”发来的新年问候。

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国际空间站俄罗斯宇航员 尤里·马连琴科：

“亲爱的中国电视观众，我是尤里·马连琴科，我们是国际空间站俄罗斯舱的宇航员，在这里祝你们新年快乐。”

国际空间站俄罗斯宇航员 米哈伊尔·科尔尼延科：

“大家好，我是米哈伊尔·科尔尼延科，我是空间站一年期飞行计划的参与者，在过去的一年里，俄罗斯和中国在许多联合项目上取得了巨大的成就。比 如开发中俄 全球定位系统、土地远程遥感数据交换、航天电子元件供应、宇宙空间研究等。请允许我们，对中国同行们取得的成绩表示祝贺。”

国际空间站俄罗斯宇航员 谢尔盖·沃尔科夫：

“我是谢尔盖·沃尔科夫，今天，这个空间站就是我们在太空中的家，它位于距离地球表面400多公里以外的地方，我们这个家是由来自不同国家，不同种族，不同宗教信仰的人们共同设计和建造的，探索太空这个共同的梦想将我们联系在一起，在无尽的探索旅程中，我们都是旅行者，祝贺所有中国人民新年快乐，祝愿你们 在新的2016年取得新的成绩。新年好！”