Załogowy statek kosmiczny nowej generacji

Głęboko kosmiczna wersja statku kosmicznego

Załogowy statek kosmiczny nowej generacji ( Chiński 新一代 載人 飛船 / 新一代 载人 飞船, Pinyin Xīn Yī Dài Zàirén Fēichuán ) to roboczy tytuł następcy modelu chińskiego statku kosmicznego Shenzhou . Istnieje częściowo wielokrotnego użytku wielozadaniowy statek kosmiczny w różnych konfiguracjach do transportu astronautów na ziemi lub na orbicie księżycowej i ich powrotu na Ziemię. W dłuższej perspektywie mógłby być również wykorzystywany do misji na powierzchnię Księżyca lub na Marsa , dzięki czemu podróżnicy kosmiczni na orbicie księżycowej lub ziemskiej zmieniliby się na inny statek kosmiczny lub dodatkowy moduł z własnym napędem do dalszego transportu. „Załogowy statek kosmiczny nowej generacji” może być również wykorzystywany jako bezzałogowy statek towarowy lub do jednoczesnego transportu ludzi i ładunku.

rozwój

Około 2010 roku osoby odpowiedzialne za załogowy program kosmiczny Chińskiej Republiki Ludowej po raz pierwszy zaproponowały w wewnętrznych dyskusjach opracowanie wszechstronnego statku kosmicznego, w którym można by latać z szeroką gamą misji w wersji podstawowej. Następnie 31 marca 2015 r. Zhang Bainan , główny inżynier głównego wydziału załogowych lotów kosmicznych Chińskiej Akademii Technologii Kosmicznych , wraz z kolegami z Acta Aeronautica et Astronautica Sinica przedstawili koncepcję załogowego wielozadaniowego statku kosmicznego nowa generacja do profesjonalnego świata. Przyjęto wówczas dwa typy: statek kosmiczny o masie startowej 14 ton do operacji na niskich orbitach okołoziemskich i - z dodatkowymi wyrzutniami - misje na asteroidy i na Marsa oraz statek kosmiczny o masie startowej 20 ton do wykorzystania w załogowych lądowaniach na Księżycu (byłby to dodatkowo wymagany moduł księżycowy ). W przypadku zmiany załogi w planowanej modułowej stacji kosmicznej , statek kosmiczny powinien być w stanie pomieścić do 6 osób. Aby wszystkie zaplanowane misje były możliwe, minimalnym wymogiem było, aby systemy podtrzymywania życia statku kosmicznego działały niezależnie przez 21 dni, a statek zadokowany do stacji kosmicznej lub - w przypadku misji na Marsa - moduł mieszkalny statku kosmicznego. złożone duże statki kosmiczne, pozostają w kosmosie do dwóch lat.

W 2017 roku rozpoczęto prace nad prototypem, który został publicznie ogłoszony przez Zhanga Bainana w marcu 2018 roku. W wywiadach inżynier ujawnił, że będzie to model wielokrotnego użytku. Nadaje się równie dobrze do lotów na Księżyc i Marsa. Jednocześnie zwrócił uwagę, że statki kosmiczne Shenzhou są obecnie produkowane masowo i będą używane przez długi czas w związku ze stacją kosmiczną, która ma zostać zbudowana. Na V konferencji na temat załogowych lotów kosmicznych w Xi'an 23./24. Październik 2018 - organizowane przez Politechniki w północno-zachodnich Chinach i Urzędu do załogowych lotów kosmicznych z tym Departament broni Rozwoju Centralnej Komisji Wojskowej (cmsa) - do załogowego statku kosmicznego nowej generacji wreszcie zaprezentowana publicznie po raz pierwszy w Szczegół. Po locie próbnym z pomniejszonym modelem statku kosmicznego w 2016 roku (patrz poniżej), prawdziwy prototyp został ukończony w grudniu 2019 roku.

Misje międzyplanetarne

W przypadku lotów na Marsa Zhang Bainan i jego koledzy opracowali koncepcję modułowego statku kosmicznego, który po Narodowym Kongresie Ludowym i Politycznej Konferencji Konsultacyjnej Chińczyków wydał 12 marca 2021 r. wspólną deklarację, wyrażającą oczekiwanie, że możliwe rozwiązania orbitowanie wokół Marsa byłoby możliwe do 2035 roku, aby zobaczyć, że został udoskonalony przez Chińską Akademię Technologii Pojazdów Wyrzutni . W systemie transportu kosmicznego do załogowej eksploracji Marsa , który został zaprezentowany publicznie 16 czerwca 2021 r. na konferencji Global Space Exploration Conference w Sankt Petersburgu , moduły napędu jądrowego nie są już wyrzucane jeden po drugim, jak kiedyś zamierzał Zhang. Bainan, ale pozostań częścią całej misji statku kosmicznego. Podróżnicy kosmiczni są sprowadzani na statek kosmiczny Mars w załogowym statku kosmicznym nowej generacji, gdzie przenoszą się do żywego modułu. Załogowy statek kosmiczny pozostaje zadokowany i zostaje przewieziony na Marsa jako dodatkowa przestrzeń mieszkalna i magazynowa. Po powrocie podróżnicy kosmiczni lądują na Ziemi z załogowym statkiem kosmicznym; statek kosmiczny marsjański pozostający na orbicie może w zasadzie przynajmniej częściowo zostać ponownie wykorzystany.

Aby powrócić z Księżyca lub Marsa, kapsuła kosmiczna musiała poradzić sobie z ponownym wejściem z prędkością 11,2 km/s. Kiedy powstały pierwsze plany nowego wielozadaniowego statku kosmicznego, Chiny nie miały jeszcze odpowiednich lekkich materiałów na ablacyjną osłonę termiczną . Osłony termiczne opracowane w latach 60. wykonane z tkanin z włókna węglowego nasączonych żywicą fenolową mogą wytrzymać bardzo wysokie temperatury, ale mają gęstość masową około 1,5 g / cm³, co oznaczałoby, że ochrona termiczna kapsuły powrotnej planowany rozmiar (o tym podwójna kapsuła powrotna statku kosmicznego Shenzhou) stanowiłby znaczną część całkowitej masy. Z tego powodu inżynierowie współpracujący z Zhang Bainan zaproponowali opracowanie tak zwanego „ aplatora z włókna węglowego impregnowanego fenolem” (PICA) wykonanego z włókien krótko ściętych , które mają gęstość masową tylko 0,27 g/cm³ i np. postać płytki - również w 2011 roku na kapsułki Mars Science Laboratory w NASA została wykorzystana. Przy takim samym działaniu chroniącym przed ciepłem materiał ten waży o 30% mniej.

Struktura i funkcjonalność

Statek kosmiczny nowej generacji ma średnicę 4,5 m. Wariant dla kosmosu bliskiego Ziemi ma 7,23 m długości i maksymalną masę startową 14 ton. W wariancie deep space długość wynosi około 9 m, a maksymalna waga to 23 tony. Oba warianty wykorzystują tę samą stożkową kapsułę powrotną, zbliżoną kształtem do statku kosmicznego American Dragon , ale inne moduły serwisowe . Moduł orbitalny, taki jak ten w statkach kosmicznych Shenzhou , który mógłby pozostać na orbicie jako platforma eksperymentalna po głównej misji, został zrezygnowany ze względu na koszty.

Cztery główne silniki modułu serwisowego pracują z hydroksyloaminą i kwasem azotowym jako utleniaczem (HAN) z paliwa monergolowego produkowanego przez Instytut 101 Akademii Technologii Silników Rakietowych na Ciekły . Ma to tę przewagę nad zwykłymi paliwami, że nie jest toksyczne. Ma niską temperaturę zamarzania, dużą gęstość i daje silnikom wysoki impuls właściwy . Zbiornik paliwa składa się z dwóch warstw, z wyściółką wewnętrzną wykonaną ze stopu aluminium i ścianką zewnętrzną wykonaną z tkaniny kompozytowej . W ten sposób można było zrealizować stosunkowo duży zbiornik napięcia powierzchniowego - wersję kosmiczną, największą ze wszystkich chińskich statków kosmicznych. Do kontroli położenia podczas lotu statek kosmiczny ma automatyczny system sterowania, który wykorzystuje silniki sterujące położeniem do utrzymania stabilnej pozycji względem ziemi we wszystkich trzech osiach i umożliwia bardzo precyzyjną zmianę orbity i manewry hamowania.

Te moduły słoneczne do zasilania statku kosmicznego na orbicie znajdują się w module serwisowym, który jest odłączony przed ponownym wejściem w atmosferę ziemską i spala się tam. Z drugiej strony drogie systemy elektroniczne są w miarę możliwości umieszczane w kapsule powrotnej, której rdzeń można ponownie wykorzystać po wylądowaniu w Mongolii Wewnętrznej . W tym celu zdejmowana zewnętrzna powłoka, która służy jako ochrona przed ciepłem podczas ponownego wchodzenia do atmosfery, jest usuwana, a wewnętrzna metalowa konstrukcja jest zaopatrzona w świeżą zewnętrzną powłokę . Kapsuła powrotna jest zbudowana w taki sposób, że może również wylądować na powierzchni wody. Plan długoterminowy zakłada wyznaczenie obszaru morskiego na Morzu Południowochińskim jako miejsca lądowania oraz rozbudowę kosmodromu Wenchang na Hainan w nowe centrum kosmiczne Chin.

W konfiguracji do przewozu ludzi statek kosmiczny może zabrać na orbitę ziemską lub na Księżyc do siedmiu podróżników kosmicznych; jeśli na pokładzie znajdują się tylko trzy osoby w kosmosie, można zabrać dodatkowe 500 kg ładunku. Bez półek ładunkowych, które są przymocowane po prawej stronie włazu wejściowego w konfiguracji połączonej, kabina ciśnieniowa statku kosmicznego oferuje przestrzeń wewnętrzną 13 m³, czyli nieco więcej niż statek kosmiczny Shenzhou ; jest rozkładany stół jadalny i oddzielna toaleta. W konfiguracji jako czysty zasilania statku, Changzheng-5 lub Changzheng-7 wyrzutnia może posiadać ładunek 4 ton na orbitę. To mniej niż statek kosmiczny z zaopatrzeniem Tianzhou , który jest już w służbie, o udźwigu 6,5 tony, ale w przeciwieństwie do Tianzhou, statek kosmiczny nowej generacji jest wielokrotnego użytku i może zawierać np. mikroorganizmy z eksperymentów przeprowadzonych na stacji kosmicznej lub wyprodukowane tam materiały wracają na ziemię o łącznej wadze do 2,5 tony w celu bliższego zbadania. Aby umożliwić do dziesięciu zastosowań - według obliczeń optimum ekonomiczne - kapsuła została wyposażona m.in. w poduszki powietrzne wspomagające lądowanie. Zmniejszają one siłę uderzenia do ułamka, a tym samym chronią statek kosmiczny.

W porównaniu do obecnego statku kosmicznego Shenzhou poprawiono również system radiowy. W Shenzhou kontakt radiowy z centrum kontroli misji zostaje utracony na pewien czas podczas ponownego wejścia w ziemską atmosferę. Przyczyną jest silnie podgrzane, a tym samym zjonizowane powietrze wokół kapsuły powrotnej, które osłania sygnały radiowe. Udoskonalone systemy komunikacji statku kosmicznego nowej generacji, dobrze chronione przez przepuszczalne dla fal radiowych okna chroniące przed ciepłem, mogą penetrować izolującą plazmę i utrzymywać kontakt ze stacjami naziemnymi podczas całego lądowania.

Podczas gdy statek kosmiczny Shenzhou posiada system ucieczki, który sprowadza statek w niebezpieczne sytuacje przed lub podczas startu w warunkach bezpieczeństwa i umożliwia lądowanie na spadochronie, to w wyrzutniach typu Changzheng 5 nie jest to możliwe i jego warianty są możliwe, ponieważ jest to owiewka w forma z- Własny Kármán-Ogive . Zamiast tego statek kosmiczny nowej generacji wykorzystuje silniki modułu serwisowego w trybie awaryjnym, które są uruchamiane po pierwszym otwarciu owiewki ładunku i odpaleniu statku kosmicznego przez wyrzutnię. Załogowy pocisk nowej generacji , który jest obecnie opracowywany , również nie ma pocisku ratunkowego. Zmniejsza to całkowitą wagę statku kosmicznego i zwiększa jego ładowność. W ulepszonej wersji zaprezentowanej 18 września 2020 r. na konferencji kosmicznej w Fuzhou , statek kosmiczny ma cztery boczne stateczniki na module serwisowym, podobnie jak CST-100 Starliner od Boeinga .

Testowanie

Lot próbny 2016

25 czerwca 2016 r., podczas pierwszego lotu wyrzutni Changzheng 7 z kosmodromu Wenchang na Hainan, na orbitę wprowadzono model nowej kapsuły powrotnej, zmniejszony do 0,63 razy. Model miał stożkowaty kształt o średnicy 2,6 m na szerokim końcu, wysokości 2,3 mi wadze 2,6 tony. Kapsułka składała się z trzech składników:

• Półkulista końcówka z komorą spadochronową, wyrzutnikami spadochronu, anteną do nawigacji satelitarnej i anteną do komunikacji przez izolującą plazmę po ponownym wejściu.
• Zewnętrzna ściana z ablacyjną osłoną termiczną podzieloną na cztery panele , która została przyklejona do formowanych paneli o strukturze plastra miodu i przykręcona do rozpórek wzmacniających właściwą ścianę kabiny. Na zewnątrz ściany znajdowały się małe silniki do kontroli położenia i czujniki przepływu powietrza.
• Metalowa płyta podstawy z siatkowym systemem nośnym pod spodem i osłoną termiczną pod spodem. Na płycie podłogowej wewnątrz kabiny zamontowano sprzęt do przetwarzania danych, urządzenia zasilające i pomiarowe przepływu powietrza. W dolnej części osłony termicznej znajdowały się czujniki pneumatyczne.

Celem testu było z jednej strony sprawdzenie zachowania się stożkowej kapsuły powrotnej podczas lotu po ponownym wejściu do atmosfery (statki kosmiczne Shenzhou wykorzystują kapsułę powrotną w kształcie dzwonu). W przypadku, gdyby kapsuła była skierowana do atmosfery jako tip-first, istniał naddźwiękowy spadochron stabilizacyjny, który podnosił kapsułę tak, aby mogła pęknąć szerokim końcem przewidzianym do tego celu. Chcieli także przetestować materiały użyte do budowy nowego statku kosmicznego, nie tylko ablator z włókna węglowego impregnowanego fenolem do osłony termicznej, ale także nowy stop, z którego wykonano samą kabinę. Materiał ten był zarówno mocniejszy, jak i lżejszy niż stop aluminiowo-magnezowy stosowany wcześniej w statkach kosmicznych . Wewnątrz kapsuły nie było żadnych systemów podtrzymywania życia, a liczne elementy elektroniczne do rozmieszczania spadochronów itp. zostały usunięte ze zwróconych statków kosmicznych Shenzhou i ponownie użyte po inspekcji.

W tym eksperymencie przetestowano tylko kapsułę powrotną. Rolę modułu serwisowego przejął dodatkowy górny stopień wyrzutni Changzheng 7, znany jako „ Yuanzheng 1A ”. Ten stopień, zasilany hipergoliczną mieszanką paliwową, może, w przeciwieństwie do zwykłych stopni rakietowych, być wystrzeliwany wielokrotnie i jest zwykle używany do podnoszenia satelitów na wyższe orbity. 10 minut po starcie o godzinie 20:00 czasu lokalnego Yuanzheng-1A z zamontowaną na nim kapsułą testową oddzielił się od wyrzutni i wszedł na orbitę okołoziemską o wymiarach 200 × 394 km, podobną do tej stosowanej w lotach załogowych. Po 13. orbicie, 26 czerwca 2016 roku o godzinie 15:04 czasu pekińskiego , Yuanzheng-1A zainicjował powrót na Ziemię z ponownym zapłonem.

Stopień rakietowy zmienił następnie swoje położenie tak, że dno kapsuły powrotnej było nachylone pod kątem 50 ° do poziomu. O 15:17 kapsuła powrotna oddzieliła się na wysokości 170 km od Yuanzheng-1A, który następnie został umieszczony na bezpiecznej orbicie. Kontrolę nad kapsułą przejęła sieć stacji naziemnych kontrolowanych w tym przypadku z kosmodromu Jiuquan . Na wysokości 20 km wyzwolił się spadochron stabilizacyjny, który ustawił kapsułę w prawidłowej pozycji. Został on następnie zrzucony, spadochron hamujący uruchomił się, co z kolei wyciągnęło główny spadochron z komory na górze kapsuły. O 15:41 kapsuła powrotna wylądowała - początkowo nieuszkodzona - na lądowisku Ostwind na pustyni Badain-Jaran niedaleko kosmodromu. O godzinie 23.00 odzyskana kapsuła dotarła do kosmodromu Jiuquan ciężarówką.

Lot próbny 2020

Pierwszy bezzałogowy lot testowy prawdziwego statku kosmicznego odbył się w maju 2020 roku. W tym celu wykorzystano 8,8 m długości i 21,6-tonowy prototyp wersji kosmicznej, który 5 maja 2020 r. do godziny 18:00 czasu lokalnego (10:00 UTC ) z pierwszą kopią wariantu pocisku Changzheng 5B z satelity Wenchang Uruchomiono Centrum Uruchomienia. 488 sekund, około 8 minut po starcie, statek kosmiczny wszedł na orbitę zgodnie z planem. W celu uzyskania jak największej masy startowej do testowania rakiety, moduł serwisowy statku kosmicznego został w pełni zatankowany. Technicy z Pekińskiego Centrum Kontroli Kosmicznej wykorzystywali to paliwo do stopniowego zwiększania orbity statku kosmicznego, nieco bardziej z każdą orbitą, aż w końcu osiągnięto wysoce eliptyczną orbitę o wymiarach 300 × 8000 km. Przeprowadzano tam eksperymenty kosmiczne, z których część była związana z planowaną stacją kosmiczną. W eksperymencie ze smarem badano m.in. zachowanie migracyjne cząstek ściernych w stanie nieważkości, testowano Ethernet według standardu TTE o szybkości transmisji 1000 megabitów/s, testowano drukarkę 3D do materiałów kompozytowych o długich włóknach , za pomocą którego sami podróżnicy kosmiczni powinni mieć możliwość samodzielnego drukowania części zamiennych, a także akustyczne urządzenie śledzące, które ignoruje odgłosy tła i może lokalizować dźwięki - symulowane w kapsule w różnych punktach - uderzenia i powietrza uciekającego przez możliwy wyciek. W dniu 8 maja 2020 r. około południa czasu lokalnego Centrum Kontroli Kosmicznej w Pekinie wydało polecenia sterujące, aby wejść na orbitę powrotną. O 12:21 statek kosmiczny zakończył manewry hamowania i dotarł na orbitę powrotną. Godzinę później, o 13:33, kapsuła powrotna oddzieliła się od modułu serwisowego.

Zjazd dwuczęściowy z hamowaniem atmosferycznym

Chińska stacja kosmiczna , której nowy statek kosmiczny jest początkowo przeznaczone do dostarczania będzie krążą tylko ziemię na wysokości 340-450 km. Przy długoterminowym planowanym powrocie z Księżyca statek kosmiczny spadnie jednak niekontrolowany z punktu Lagrange'a L ₁ , czyli z wysokości 326 000 km i dotrze tam z prędkością 40 320 km/h. Taki profil misji został przetestowany w 2014 roku z sondą Chang'e 5-T1 , ale był znacznie mniejszy i prostszy niż kapsuła powrotna nowego statku kosmicznego. Teraz, w realistycznych warunkach, należy podjąć próbę ponownego wejścia w ziemską atmosferę z dużą prędkością i pod stromym kątem natarcia - przy oddalaniu się od modułu serwisowego kapsuła początkowo wystrzeliła prosto w dół. Podobnie jak w 2014 roku przeprowadzono dwuczęściowe zniżanie z hamowaniem atmosferycznym , w którym kapsuła powrotna początkowo tylko na krótko zanurzyła się w wysokiej atmosferze , nieco zwolniła ze względu na opory przepływu atmosfery i po odzyskaniu wysokości, znowu, tym razem z mniejszą prędkością, gdyż nastąpiło ostateczne wejście w atmosferę. Na zewnętrznej stronie osłony termicznej występowały temperatury dochodzące do 1000°C. Dla porównania: podczas ponownego wchodzenia w ziemską atmosferę po powrocie z księżyca osłona termiczna narażona jest na działanie temperatur dochodzących do 3000 °C.

Kapsuła powrotna statku kosmicznego nowej generacji jest dwa razy cięższa od kapsuły Shenzhou , która wykorzystuje jedynie spadochron hamujący. Spadochron w Shenzhou jest już jednym z największych na świecie, a dalsze powiększanie jego powierzchni nie było możliwe. Wybrano więc rozwiązanie z dwoma zamiast jednego spadochronem stabilizacyjnym, trzema zamiast jednego spadochronu głównego, a zamiast rakiet hamulcowych sześcioma poduszkami powietrznymi rozmieszczonymi wokół zewnętrznej krawędzi kapsuły. Poduszki powietrzne nadmuchały się na pewną wysokość nad ziemią, a o 13:49 czasu lokalnego, 16 minut po oddzieleniu od modułu serwisowego jednorazowego użytku, kapsuła powrotna wylądowała na lądowisku Ostwind w kosmodromie Jiuquan. Gdy wiatr był stosunkowo silny, lądował na przewidzianym do tego płaskim terenie. Po wylądowaniu Chińska Akademia Technologii Kosmicznych określiła statek kosmiczny w komunikacie prasowym jako „formę zarodkową”, która teraz będzie dalej rozwijana w prawdziwie wielozadaniowy statek kosmiczny na podstawie danych zebranych podczas lotu testowego. Aby spojrzeć na to z innej perspektywy: po pierwszym locie testowym w 1999 r. na statku kosmicznym Shenzhou odbyły się trzy kolejne loty bezzałogowe, aż do 2003 r., kiedy Shenzhou 5 jako pierwszy Chińczyk wystartował w kosmos.

Wypalony rdzeń wyrzutni ponownie wszedł w atmosferę 11 maja 2020 r. o godzinie 15:33 czasu UTC po 102 orbitach nad afrykańskim wybrzeżem Atlantyku bez dalszej interwencji ze strony Pekińskiego Centrum Kontroli Kosmicznej. Przy długości 33 mi średnicy 5 m był to największy statek kosmiczny, który wszedł w ziemską atmosferę od czasu katastrofy radzieckiej stacji kosmicznej Salut 7 7 lutego 1991 roku. Ze względu na trudny do przewidzenia efekt hamowania wywierany przez zewnętrzne warstwy wysokiej atmosfery na stopień rakietowy, trudno było określić konkretne miejsce katastrofy.

Nie jest możliwe umieszczenie orbity w taki sposób, aby uniknąć przelotu nad gęsto zaludnionymi obszarami – i dlatego etap rakietowy przeleciał nad Nowym Jorkiem około 15 do 20 minut przed katastrofą . W końcu w wiosce na Wybrzeżu Kości Słoniowej z nieba spadł kawałek metalu o długości dziesięciu metrów.

Cztery dni później, 15 maja 2020 r., kapsuła powrotna dotarła z powrotem do Chińskiej Akademii Technologii Kosmicznych w Pekinie, gdzie kapsuła została po raz pierwszy zbadana pod kątem integralności strukturalnej. Równie ważne było jednak sprawdzenie układów elektronicznych, których większość na tym statku kosmicznym nie znajduje się w module serwisowym, ale w kapsule powrotnej. Kontrole miały na celu ustalenie, czy kapsuła użyta podczas tego lotu testowego może zostać ponownie wykorzystana w następnym teście. 29 maja 2020 r. wyładowano 988 ładunków, które 54 instytuty badawcze i 21 prywatnych firm wysłały statkiem kosmicznym do Pasa Van Allena, aby wystawić je na trudniejsze warunki niż było to możliwe w laboratoriach kosmicznych Tiangong z ich orbitami bliskimi Ziemi. w tym liczne nasiona roślin i mikroorganizmy wykorzystywane do produkcji oleju. Wywieszone flagi państw zostały przekazane ambasadorowi Pakistanu, drukarka 3D do centrum projektów i technologii wykorzystania kosmosu .

linki internetowe

• Film z otwarcia i rozładunku prototypu 29 maja 2020 r. (chiński)

Indywidualne dowody