新一代载人飞船试验船

中国研制新一代天地往返运输飞行器

新一代载人飞船试验船（英文：Xinyidai Zairen Feichuan - Shiyan Chua，缩写：XZF-SC），是中国面向中国空间站运营及未来载人探月工程需求而研发的新一代天地往返运输器。

研制历程

历史背景

进入21世纪，美国、俄罗斯等国都在研制新一代载人飞船，以实现载人天地往返运输飞行器的更新换代。为满足载人航天后续发展需求，中国也在积极开展新一代载人飞船研制。

自1961年苏联东方号宇宙飞船第一次将人类送入太空以来，经过半个多世纪的发展，人类已经基本掌握了近地空间的长期生存技术。载人航天后续发展将主要有两大方向：一是拓展在轨服务、科学研究等应用，体现载人航天的应用价值;二是瞄准更远的目的地，拓展人类太空生存空间。

载人天地往返运输能力是体现一个国家自由进出空间的水平，是衡量一个国家载人航天能力的标志。世界上已经过多次载人飞行、技术状态已成熟的天地往返载人航天器只有俄罗斯的联盟飞船和中国的神舟飞船。自2011年美国航天飞机退役以后，国际载人天地往返运输领域进入了更新换代的高潮时期，美俄等国都在加紧研制新一代载人飞船，美国在近年成功开展了载人龙飞船两次载人飞行试验。中国根据载人航天后续发展需求，立足中国国情，也开展了新一代载人飞船研制，并开展了相关飞行试验及先期技术验证。

研制目标

中国的神舟飞船在高可靠、高安全的设计思想指导下，截至2019年成功经过12次飞行，先后将12名（17人次）航天员顺利送入太空并安全返回，已发展成为标准的载人天地往返运输飞行器，并服务于中国载人空间站建造任务。在当前背景下，中国还需研制新一代载人飞船，主要有以下几个方面需求：

1、开展载人登月等载人深空探测任务的需要；

2、提升中国空间站运营效能的需要；

3、天地往返运输技术持续发展的需要。

中国新一代载人飞船要既能进行近地轨道飞行，又能执行载人登月任务。

研制进展

1、结构轻量化设计与分析研究。重量是飞行器设计的一项重要指标，尤其对于飞往月球的深空探测飞行器来说，系统重量极其敏感，将直接影响包括运载火箭和飞行器在内的整个工程系统的代价。在飞行器系统重量中，舱体结构重量占较大比重。需在识别发射、在轨、再入返回和着陆等全程复杂载荷条件并建立载荷谱的基础上，研究制定合理的结构设计准则体系，使得结构设计裕度在合理范围内，既不欠设计也不过设计；同时开展结构材料安定性准则研究，并考虑空间、承载、功能、接口等多约束，进行大集中载荷传力路径、基于筋条连续的壁板加筋结构、相关结构部件等的构型与详细参数优化设计与分析。

2、可重复使用技术体系研究。在前期可重复使用技术方案可行性研究的基础上，深入研究结构类、电子设备类及推进类等三类产品的可重复使用技术体系。对于舱体结构等结构产品，由于产品在多次承受任务剖面载荷谱下会因结构疲劳而产生损伤，因此需要研究结构的损伤状态定位、表征与检测方法，以及损伤容限设计与寿命评估技术。综合考虑残余应力、广布损伤、材料及工艺分散性等因素的影响，建立基于损伤的结构寿命预测方法，建立基于概率的结构性能与可靠性评价体系，制定损伤检测规范、断裂控制规范、结构重复使用性能评估流程，建立重复使用设计准则与设计方法。对于电子设备类产品，需研究设备在全任务环境应力情况下的设备失效模式、机理，以及基于产品履历信息的可靠性评估理论与方法，为设备可重复使用设计、验证和评估提供基础。对于推进类产品，需要开展气瓶、贮箱、管路、阀门、发动机等推进系统产品地面在线维护测试及重复使用评估方法研究。

3、防热材料烧蚀机理研究。前期已通过飞行试验验证了新型材料体系防热结构的基本烧蚀性能和可用性，但新材料的烧蚀传热现象在机理分析和计算方法上的研究还不够，还需结合新一代载人飞船返回舱在辐射加热与对流加热耦合效应叠加的载入飞行环境条件下，从微观角度分析烧蚀过程中材料组分变化、热解气体反应流动特性，建立热化学烧蚀模型，并开展模型中关键参数对预测结果的敏感性分析，以修正模型，提高防热材料烧蚀过程中温度分布、烧蚀后退量、碳化层厚度、热解层厚度等计算数据的预测精度，最终建立该防热材料的烧蚀特性参数及设计数据库，更好地指导工程应用。

4、返回舱气动力热特性研究。新一代载人飞船返回舱为倒锥状钝头体新气动外形，与神舟飞船返回舱钟罩状外形不同。掌握飞行器气动外形的气动特性是保证工程任务成功的前提。之前通过两次飞行试验，已获取并建立了返回舱新外形的基本气动特性数据库，还需要根据后续月球轨道再入返回特点，进一步完善气动数据库，并继续对钝头体外形在再入过程中的稀薄流区化学非平衡效应、RCS喷流干扰效应对气动特性的影响和气动稳定性，以及由于大尺寸带来的辐射加热特性等进行理论研究，以获取更为精确的气动力热特性参数。

5、高速载入返回技术研究。载人航天是一项极具挑战的探索事业，需尽一切可能保证航天员远离危险并安全返回。新一代载人飞船由于要飞往月球，其轨道特性远比近地轨道复杂。另外，与中国已实施的无人探月任务相比，载人月球探测飞行过程需考虑正常返回以及全阶段应急救生等复杂工况，在非常大的再入初始能量下，更为苛刻的过载约束、大范围的再入航程需求以及中国落区和搜救区域的约束，均使得载人月地返回飞行下的高速再入返回技术研究面临很大的挑战。需要分析高能量非设计返回轨道和弹道特性，研究在线弹道规划、载入剖面、关键参数生成算法以及相应制导律，制定应急救生模式下的轨道机动策略和对应的非设计轨道应急救生策略。

6、着陆及着水过程力学载荷特性分析研究。新一代载人飞船使用气囊缓冲着陆，以适应陆上和海上着陆不同工况。着陆/着水过程需要控制合适的过载特性，该过程为涉及气囊、舱体结构、座椅、航天员等多环节的多体系统动力学问题，需研究在不同着陆姿态、着陆地面地形(包括不同土壤力学特性、水面条件)、自然条件(风速、海浪大小等)等因素下的着陆/着水过程力学载荷向航天员的传递特性，用以评估航天员安全性。

2018年11月6日在珠海开幕的第12届中国国际航空航天博览会上，记者了解到，中国已启动新一代载人运载火箭和载人飞船研制工作，已取得阶段性成果。

系统组成

总体设计

新一代载人飞船将配置结构机构、姿轨控、回收着陆、能源、信息管理、载人环境控制等功能，初步方案如下：

返回舱构型为全新的钝头体，相比神舟飞船返回舱，新一代载人飞船返回舱具有更大的升阻比。

返回舱推进系统使用单组元无毒推进剂，相比神舟飞船返回舱使用的有毒单组元无水肼推进剂，消除了危险源，提高了航天员安全性，并有利于实现推进系统重复使用。

利用群伞进行减速回收，以适应新一代载人飞船返回舱重量规模相比神舟飞船返回舱大幅提升的回收任务需求。

安装高承载太阳电池翼以实现阳照区发电，使用比神舟飞船更高的高发电效率电池片技术;配备高比能量的电池，实现阴影区储能和供电。

考虑采用时间触发以太网（TTE）进行数据传输，配置通用高性能计算机完成高速计算任务，采集执行设备按照模块化设计，实现整船数据管理和功能高可靠、高效率融合。

应用相变传热、热管、高性能涂层等最新热控技术，实现热量综合利用，优化热控系统方案。

应用固定式智能交互、便携式人机交互等先进技术，为航天员提供智能、友好的人机交互环境。

基于虚拟仿真技术（VR）开展舱内空间视觉环境设计以及个人卫生、就餐、工作和存储等设计，按照智能家居理念开展照明、娱乐、通讯和通风等智能控制设计，提供界面友好、舒适便捷的人居环境。

飞船构型

新一代载人飞船采用两舱式构型，由返回舱与服务舱组成。其返回舱是整船的指令中心，也是航天员生活居住的地方，可乘坐6至7名航天员；服务舱是整船能源与动力中心。

返回舱采用金属结构与防热结构分开的双层壳结构，相当于“内衣”的金属结构里面是航天员的“驾驶室”，只安装了环控生保、人机交互等直接关系到航天员生命安全和飞船操控的设备，这样就腾出了大量空间，也最大程度地避免了大量设备和航天员共处一室的安全隐患，因而具有容积大、密封性好、舱内视野遮挡少等特点。其他设备都放入了金属结构与防热结构中间的夹层中。因为这些设备不用呼吸，放到该非密封的空间中也算是得到妥善的安置。

搭载能力

新一代载人飞船综合能力也得到了大幅提升，可以搭载7名航天员，另外它的上行和下行载荷能力也得到大幅度提高。同时，中国研制团队在考虑研发空间站的扩展舱段，为进一步支持在轨科学实验和为航天员的工作和生活创造更好的条件。

设计参数

新一代载人飞船是面向中国载人航天未来发展需求而论证的新一代载人天地往返运输飞行器，全长约9米，最大直径4.5米，最大发射重量23吨。在充分继承中国载人航天工程已有技术的基础上，它在结构、推进、回收、能源、热控、电子、人机交互和可重复使用等方面采用了一系列先进技术，使飞船具备高可靠、高安全、低成本和宜居的特点。

新一代载人飞船试验船是为中国近地空间站运营和后续载人月球探测等任务研制，全长8.8米，发射质量21.6吨，具备高安全、高可靠、适应多任务和模块化设计特点，主要用于验证气动热防护、再入控制和群伞减速回收等关键技术。

发射动态

首次发射

2020年1月20日，中国载人航天工程办公室透露，空间站核心舱初样产品和新一代载人飞船试验船，经过大约一周的海陆运输，已先后安全运抵文昌航天发射场，将分别参加长征五号B运载火箭发射场合练及首飞任务，标志着中国空间站在轨建造任务即将拉开序幕。

2020年5月5日晚，长征五号B运载火箭首次飞行任务取得圆满成功。在随后召开的长征五号B运载火箭首次飞行任务新闻发布会上，季启明表示，为充分发挥首飞任务的综合效益，火箭搭载了新一代载人飞船试验船、柔性充气式货物返回舱试验舱，以及10余项实验载荷。

飞行情况

2020年5月6日，据中国航天科技集团消息，新一代载人飞船试验船姿态稳定，供电、测控链路等均正常，整船状态良好，在大椭圆轨道上正常飞行。后续按照计划还将实施3次轨道提升，并最终于远地点制动后再入返回预定落区。

2020年5月7日据央视网报道，新一代载人飞船试验船搭上搭载了一台中国自主研制的“复合材料空间3D打印系统”，科研人员将该台“3D打印机”安装在了试验船返回舱之中，飞行期间该系统自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印，并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。

2020年5月8日，担负试验船返回舱搜索回收任务的东风着陆场各系统制定60多种航天搜索处置预案，静候新一代载人飞船试验船返回。

成功着陆

2020年5月8日13时49分，中国新一代载人飞船试验船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆，试验取得圆满成功。

12时21分，北京航天飞行控制中心控制试验船完成返回制动，进入返回轨道。13时33分，服务舱与返回舱成功分离。13时49分，试验船返回舱安全着陆。搜救分队第一时间发现目标并到达着陆现场开展处置，经现场确认，舱体结构完好。

试验船于5月5日18时，从文昌航天发射场发射升空，在轨飞行2天19小时，完成了多项空间科学实验和技术试验，验证了新一代载人飞船高速再入返回防热、控制、群伞回收及部分重复使用等关键技术。

技术创新

设计特点

新一代载人飞船具有以下技术特点：

（1）通过模块化设计，以适应多任务需求。

（2）按照重复使用设计，降低研制及运营成本。

（3）融入宜居环境设计理念，提高乘员舒适度。

（4）集成了众多先进技术，可全面提升飞船整体性能。

七大技术

1.首次采用的国际上推力最大的单组元无毒发动机

该发动机使用的HAN推进剂具有无毒、无污染、低冰点、密度大、比冲高和使用维护成本低等优点，后续将全面替代现有推进剂，进一步提高航天员的安全性。

2.首次采用的中国国内空间飞行器用的最大容积表面张力贮箱

该贮箱采用铝合金内衬+复合材料缠绕结构，装载量更多，能为试验船提供更大的轨道机动能力。在轨飞行期间，试验船轻松完成了多次变轨，进入了大椭圆轨道，为大再入角高速再入返回创造了充分条件。

3.更加全面的综合电子系统

任务过程中，该系统出色完成了整船总线管理、时间系统管理、数据存储、触点信号处理，以及热控管理等功能，让飞船的运行更高效。

4.更加智能的自主轨控技术

在轨运行期间，姿控发动机进行姿态控制，保持了三轴对地姿态以及变轨和制动期间的姿态稳定性；轨控发动机实现多次变轨，并成功执行返回制动，精准操控着试验船完成太空飞行。

5.首次采用的新型防热结构与材料

整个防热结构在重量同比降低超过30%的基础上，保持了极高的防热效率。采用的新型轻质防热材料不仅承受住了再入返回过程中上千度的高温烧蚀，守护了返回舱的安全。而且防热结构首次采用可拆卸更换设计，能够有效提高可重复使用率。返回后只需进行一次“体检”，更换一套新的防热结构，返回舱就又能投入下一次任务。

6.首次采用的群伞气动减速和气囊着陆缓冲技术

返回舱进入大气层，到达指定高度后，2具减速伞和3 具主伞依次打开，成功将返回舱的速度从“飞机飞行速度”降为“汽车市区行驶速度”；落地之前，6个气囊充气打开，帮助舱体平稳“软着陆”，最大程度保证了返回舱的安全、完整回收。

7.量身定制的在轨数据获取系统

任务期间，该系统通过多种传感器网络，获取了船箭分离冲击载荷，以及运载发射、在轨飞行和返回着陆过程的载荷环境；通过测量返回舱大底和侧壁表面特征点的压力和温度，获取了返回舱高速再入过程的气动力和热特性参数。这些宝贵数据都将为新飞船后继型号研制优化提供重要参考。

新型构型

新一代载人飞船放弃轨道舱，改为两个舱段。新型飞船的一大特点就是放弃了轨道舱，只有 “指令舱-服务舱”两个舱段，且指令舱的外形呈锥形，更类似于美式的“阿波罗”飞船的布局。

而中国现役“神舟”飞船的“轨道舱-返回舱-推进舱”三舱布局则与“联盟号”类似，有着非常浓厚的苏式风格。不过，“神舟”飞船的轨道舱具有独立在轨运行的能力，是“联盟号”所无法实现的。该种设计背后的原因说来也让人叹息——由于中国在很长一段时间内并没有一个能够长期运行的空间站或空间实验室，大量的在轨运行实验不得不需要在轨道舱内进行。即便在“天宫一号”、“天宫二号”两个空间实验室运行的时候，该空间实验需求仍然难以得到满足。

随着“长征五号B”运载火箭的发射成功，中国的空间站计划也将继续推进。在得到了扩容之后，中国研制团队“五舱一镜”的布局将拉开中国向太空大举进发的帷幕。相对宽敞的内部空间，标准化的实验机柜，将让中国研制团队对于空间环境及其效应的认识得到极大的丰富。无人飞船试验，里面还是会装满来自中国各个高校、科研院所的实验设备，中轨道的宇宙辐射、低重力特性将为中国研制团队进一步认识空间环境提供优良的实验环境。

容积提升

新一代载人飞船底部直径扩大，容积提升，没了轨道舱，底部直径扩大到了4.2米，新型飞船的容积也将得到进一步提升。“神舟”飞船返回舱的容积仅仅为6立方米，最多搭载三人，刨去必要的子系统，可以说是挤作一团；而新型飞船的指令舱的容积则翻了一倍，达到了13立方米，一次可以运送6-7人，在仅搭载3人的半人半货模式下还能输送500千克物资，这不仅可以让航天员们能够更加舒适地开展太空任务，在飞行途中不感到过于压抑，而且飞船在返回地面的时候，还能将大量的空间实验样品下行运输。在地面充足、完备的研究中心内，中国研制团队能够对实验样品得到更加细致的研究，获得更加深刻的认识。

吨位加大

新一代载人飞船的吨位变大，可胜任多种载人飞行任务，体型变大了，吨位也随之变大，新型飞船仅指令舱就达到了7吨，已经逼近“神舟”飞船整船8吨的质量。加上了服务舱后，新型飞船的总质量将达到14吨（近地任务）或20余吨（月球任务），通过搭配不同尺寸的的服务舱，飞船可以胜任多种载人飞行任务。可以说，此次载人飞船的试验如果成功，中国研制团队离“上九天揽月”的目标更近了一步。而如此大质量的指令舱，在它接近着陆的时候，一个降落伞已经无法满足减速需求，因此需要开多个伞。该降落伞的尺寸巨大，伞绳极长，一旦发生纠缠，将面临船毁人亡的悲惨下场。如何保证各个降落伞之间不发生冲突，完全打开，令飞船安全着陆，考验着设计人员们的水平，也是该次无人飞船实验的重点之一。此外，指令舱内置的气囊将在触地前释放，比起“神舟”返回舱内的反冲火箭式设计而言，航天员落地瞬间的冲击也将更小，更进一步减少航天员受伤的可能，此外，气囊的设计也将让返回舱降落在海面上回收成为可能。

回收利用

新一代载人飞船采用可回收利用技术，成本大幅下降。除此之外，新型载人飞船也有其他的亮点。如今，人类的航天事业已经不满足于“有没有”的问题，开始解决“便不便宜”的问题。回收利用飞行器已然成为了大量降低成本的选择。新型飞船也不例外，它也考虑了回收利用的情形。飞船指令舱核心筒外围的隔热材料是可更换的。此前“神舟”飞船的返回舱，其隔热材料牢牢地填充在返回舱壳体外部，浑为一体。隔热材料经过烧蚀之后，返回舱也不能再次使用。新型飞船的可更换式隔热材料的设计，理论上可以保证飞船重复利用10次，大幅减少天地飞行成本。

总体评价

中国新一代载人飞船是面向中国载人月球探测、空间站运营等任务需求而论证的新一代天地往返运输飞行器，具有国际先进水平，具备高安全、高可靠、模块化、多任务、可重复使用等特点，可提高中国载人飞船的乘员人数和货物运输能力。试验船采用返回舱与服务舱两舱构型，通过配置不同的服务舱模块来适应近地空间和月球探测任务。（中国军网评）

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