成功屬於我們！2020年5月5日18時，中國文昌航天發射場，長征五號B運載火箭點火升空，將新一代載人飛船試驗船等載荷的組合體送入預定軌道，實現空間站階段飛行任務首戰告捷，拉開我國載人航天工程“第三步”任務序幕。
陳肖/攝
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去年12月27日，我國目前起飛規模最大、技術跨度最大、運載能力最大的大型運載火箭——長征5號於海南文昌發射場發射升空。“胖五”的成功歸來，意味著我國具備發射更重的航天器或將航天器送向更遠的深空的能力，更意味著新一代載人飛船試驗船的發射、“天問”一號火星飛船、“嫦娥”五號探測器也將於今年紛紛發射亮相。
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今天就是新一代載人飛船試驗船發射成功的好日子！新一代載人飛船試驗船肩負的使命重大——該飛船將驗證第二宇宙速度再入返回能力，服務載人登月工程，發射新一代載人飛船試驗船的長征五號B火箭則將首次驗證20噸級近地軌道運力，為天宮空間站發射天和號核心艙做準備。
長征五號B運載火箭總長53.7米，起飛重量837.5噸，近地軌道運載能力大於22噸，是我國近地軌道運載能力最大的火箭。曲以廣說，從外觀來看，它與普通長征五號火箭沒有太大區別，最明顯的特點，是一個超過20米長的大型整流罩將火箭二級部分完全覆蓋。
陳肖/攝
新一代載人飛船試驗船
新一代載人飛船返回艙
今天我們來重點聊聊載人飛船。
美、俄載人飛船試驗
美、俄這兩個航天大國為了在競爭日趨激烈的空間開發利用中獲得更強大的天地往返運輸與載人深空探測能力，都開始了新一代載人飛船的研製工作。作為後起之秀，中國自然不甘落後於載人飛船更新換代的浪潮，為了我國載人航天事業的後續發展，研發新一代載人飛船勢在必行。
經驗豐富的美、俄兩國，是我國在新一代載人飛船這一課題上最好的老師，這兩個國家在新一代飛船的研發上的經驗、教訓以及取捨，非常值得我們學習借鑑。
作為最早實現載人航天的國家，俄羅斯早在上世紀90年代就已經開展了新一代載人飛船的研製工作。由於“快帆”飛船整個項目技術複雜，研製難度大，再加上缺乏資金，項目最終在2006年宣佈結束，俄羅斯轉而開發PPTS載人飛船。
PPTS飛船也被稱作“羅斯”（Rus）號飛船，由能源火箭航天集團進行研製，也以替換“聯盟”飛船為研製目標，既可以往返於地面與近地軌道，也可以支持月球以及載人深空探測，能夠適應第二宇宙速度再入，載員數量4～6人。PPTS放棄了“聯盟”飛船使用了半個世紀的“軌道-返回-服務”經典三艙佈局，轉而選擇了“返回艙-服務艙”兩艙佈局。飛船也不再採用“聯盟”飛船那種鐘形返回艙，而改用錐形返回艙，其直徑達到了4.4米，遠超“聯盟”系列飛船的2.7米，艙內容積增加到了17立方米，超過了“聯盟”飛船軌道艙與返回艙容積的總和。由於PPTS飛船的返回艙要求能夠重複使用，因此對著陸衝擊的要求比“聯盟”飛船更為苛刻。為了減小著陸衝擊，設計人員最初在返回模式上選擇了動力下降模式，也就是不依靠降落傘，而是依靠返回艙的發動機減速，最後以較低的速度落地。但這種方式需要返回艙攜帶動力減速所需的燃料，會壓縮返回艙返回時可攜帶的載荷質量，因此設計人員將傳統的傘降模式和動力下降模式結合起來，先通過降落傘減速並穩定姿態，在距地面一定高度上切斷降落傘，利用發動機控制返回艙速度，最終著陸。為了進一步吸收著陸衝擊，保證飛船在最後接地階段的安全，設計人員不惜增加再入階段的風險，直接在防熱大底上安裝活動艙蓋，使四個安裝在防熱大底之後的摺疊著陸緩衝支架可以伸出。
“聯盟”號飛船僅能搭載3名宇航員，且空間十分狹窄，滿載時乘員幾乎無法活動。
PPTS飛船的艙內佈置、裝飾也專門經過精心的工業設計，佈局簡潔清晰，配色乾淨舒適，設備先進現代，俄羅斯之前載人飛船、空間站特有的那種粗獷、雜亂的風格不再，讓人耳目一新。據說如此設計可以讓航天員更加放鬆，不至於在枯燥的太空飛行中趕到疲憊。座艙內甚至設置了一個衛生間，堪稱有史以來最為豪華的載人飛船了。俄羅斯這個戰鬥的民族的藝術天賦在PPTS飛船上得到了充分的體現。
由能源火箭航天集團進行研製的PPTS飛船採用兩艙佈局，其內飾與“聯盟”號相比簡介數倍。圖中右側為PPTS飛船的廁所，其空間利用十分充分。
作為俄羅斯的老對手、冷戰時期太空競賽的最終勝利者，美國的新一代載人飛船的研發可以說是磕磕絆絆。2003年哥倫比亞號航天飛機失事之後，航天飛機安全性與運營成本的問題日益凸顯，美國國內要求航天飛機退役的聲音日益高漲。2004年，時任美國總統小布什提出了“新太空探索計劃”，計劃包括研製下一代航天器、重返月球乃至登陸火星。2006年，美國國家航空航天局（NASA）根據“新太空探索計劃”制訂了“重返月球”計劃，後來更名為“星座計劃”，主要描繪了本世紀美國探索月球的整體框架和目標，其核心目標是在月球上建立永久基地，並以此為跳板，為登陸火星乃至探索更遙遠的太空做準備。作為這一計劃重要的一環，“獵戶座”載人飛船的研發被提上了日程。
按照星座計劃的要求，“獵戶座”載人飛船既可以執行近地軌道的天地往返運輸任務，也可以執行有關月球、火星、小行星的深空任務，具有極高的任務彈性，但是也導致研發難度的加大。為了降低研發風險，“獵戶座”飛船的研製方洛克希德馬丁公司在飛船的總體佈局上決定繼續沿用經過“阿波羅”飛船驗證過的成熟構型，即錐形指令艙（也就是俄羅斯和中國的載人飛船上的返回艙，命名方式不同）以及“指令-服務”兩艙佈局，但指令艙直徑從“阿波羅”飛船的4米增加到了5米，內部容積增加，近地軌道任務情況下最多可以搭乘6名航天員，正好是國際空間站一個遠征組的人數，而在月球、深空探測任務中可以最多搭乘4名航天員。返回方式也迴歸傳統的降落傘減速著陸，在最初的方案裡還一改美國載人飛船海上回收的慣例，利用氣囊減震陸上著陸回收，不過後期因為著陸緩衝氣囊超重，最終改回了海上回收。
“獵戶座”作為美國新一代載人飛船，將擔任航天飛機退役後美國的載人航天載具。其6座設計與俄羅斯的PPTS飛船頗為相似。
美國有將近四十年的時間沒有研發過載人飛船，因此“獵戶座”飛船的研製過程中遇到了很多問題，然而對項目影響最大的問題卻出現在研製工作之外。美國國會很多議員認為“星座計劃”所提出的重返月球的目標不具有開拓性與劃時代的意義，純粹是花錢重複前人已經做過的事情。對於“星座計劃”的不滿加上當時全球金融危機對美國經濟造成的嚴重打擊，使得美國國會批准給美國國家航空航天局的預算日趨減少。但“星座計劃”卻是一個實打實的燒錢大戶，隨著計劃的推進，資金需求越來越大。終於在2010年，奧巴馬政府決定終止“星座計劃”，取而代之的是一個更加經濟的新太空計劃。在這個新計劃中，來自“星座計劃”的“獵戶座”載人飛船經過美國國家航空航天局的爭取得到了保留，但是不再負責近地軌道天地往返運輸任務，而是專注於針對火星、小行星的深空載人任務。“星座計劃”中用來發射月球登陸器的“戰神”五號也搖身一變成為太空發射系統（SLS）繼續研發，日後將負責“獵戶座”飛船的發射。而近地軌道的任務則通過商業乘員運輸能力（CCtCap）計劃承包給近幾年興起的商業航天公司。
2013年11月，美國國家航空航天局發佈了商業乘員運輸能力計劃徵求建議書，希望在2014年9月前授出一份或多份CCtCap合同，在2017年底前恢復從美國本土將航天員送往國際空間站的能力。去年9月份，美國國家航空航天局宣佈波音公司的CST-100載人飛船與SpaceX公司的Dragon V2載人飛船贏得合同，兩家公司將在四年內執行共八次前往國際空間站的任務，每家公司至少執行兩次任務，每次任務至少要搭乘4名航天員。CST-100飛船也採用錐形指令艙，其大小介於阿波羅飛船與獵戶座飛船之間，最多可以搭乘6名宇航員，飛船的動力與能源由指令艙後的圓柱形服務艙提供。Dragon V2飛船也擁有兩個艙體，只不過動力與能源系統和座艙集成在一起構成可返回艙段，座艙內最多可乘坐7名航天員。可返回艙段後方的圓柱形艙段只是一個表面貼滿太陽能電池板以及幾片氣動翼的非加壓殼體，這一艙段內可以裝載載荷，這也讓Dragon V2飛船成為目前新一代載人飛船中唯一能夠裝載非加壓載荷的飛船，在一定程度上還原了航天飛機的貨運功能。由於只是負責近地軌道運輸任務，所以兩型飛船不需要像PPTS與“獵戶座”那樣為適應第二宇宙速度再入進行有針對性的設計，進而技術難度以及生產成本都大大降低。兩型飛船都將採用降落傘減速著陸，不過Dragon V2飛船未來可能會試驗動力減速著陸。
縱觀美俄兩國的新一代載人飛船，進度最快的就是美國的“獵戶座”了。2015年12月5日，“獵戶座”飛船完成了首次太空飛行測試任務，這次任務在返回階段模擬了未來“獵戶座”在完成深空任務後高速再入大氣層的過程，驗證了飛船的防熱系統在高速再入情況下的可靠性，第二次飛行試驗為2018年，“獵戶座”首次由SLS火箭發射升空，首次載人飛行將在2021年實現。
美俄這幾型新一代載人飛船雖然存在著各種各樣的差異，但是卻有很多的共同的特點。從總體佈局看，均選擇了大艙體直徑兩艙佈局，簡化了總體架構，提升了內部容積。從載重量上看，各型飛船最大載員人數較上一代載人飛船擴展了一倍，均達到了6～7人，基本達到了航天飛機的載員水平（航天飛機單次任務載員人數最多為8人，一般情況下都是6～7人），如減少載員人數，也可以攜帶大量貨物，而且還具備了較強的下行貨物運輸能力（也就是從空間向地面運輸載荷）。從經濟性上看，都強調了可重複使用這一特點，以節省運行成本。
我國載人航天技術起步較晚，研製週期相對較長，以至於“神舟”飛船剛成熟定型，美俄兩國的新一代載人飛船便已經完成了方案設計，甚至開始了原型飛船的製造與實驗工作。
向“航天強國”進發
我國“神舟”系列載人飛船從開始研製已經晚了美俄等航天大國近30年, 但我國正加緊研製步伐，也取得了舉世矚目的成就。此次新一代載人飛船試驗船的發射成功意味著我國離航天強國又近了一步，“胖五”三兄弟，加油！
2016年升空的“神舟”7號飛船返回艙。除外層防熱結構外，裡層的金屬結構在經歷些必要的檢測後可重複使用。未來的返回艙將是這臺展品的1.6倍大小。與前一代返回艙不同的“倒錐”外形，此外形滿足從月球返回遭遇的第二宇宙速度的衝擊。
本文部分內容摘取自《航空知識》2016年
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