神舟系列載人飛船簡介



神舟系列飛船採用三艙佈局，目前的使用記錄表明它是一種合理的結構，也能夠滿足未來載人空間站的需求。



與天宮一號進行對接的神舟八號想象圖，按照計劃，今年的神舟八號任務結束後，神舟系列才算完成基本定型。

神舟系列載人飛船的基本設計

中國自921載人工程正式啓動以來，一步一個腳印踏踏實實地推進載人航太技術的發展。1999年完成神舟飛船首次發射，2003年神州五號任務進行了首次載人飛行，2005年神州六號任務實現雙人載人飛行，2008年神舟七號任務實現多人載人飛行和出艙行走。到了今年三四季度，天宮一號目標飛行器和神舟八號飛船將陸續發射，進行首次交會對接試驗。在神舟八號與天宮一號完成空間交會對接試驗後，神舟系列載人飛船才算基本定型。

神舟載人飛船設計上爲三艙式結構，從前到後分別爲軌道艙、返回艙和推進艙，其最大直徑分別爲2.2米、2.4米和2.8米。神舟飛船的軌道艙呈圓柱形，空間比返回艙更大，從神舟六號飛船起，太空人除了升空和返回時，其他時間都在軌道艙內生活和工作。在返回艙分離再入後，軌道艙仍可獨立進行半年的軌道飛行，這段時間可以進行對地遙感、空間環境探測和一系列自動化的太空實驗。返回艙呈鍾形結構，是飛船的控制中心，也是太空人再入返回的座艙。由於體積緊湊，現有技術下可以做到比太空梭高得多的整體結構強度，使太空人再入時有更高的安全係數。推進艙又稱動力艙或是服務艙，呈圓柱形用於安裝推進系統發動機和推進劑，飛船的電源、通信以及生命保證系統和環境控制，所有神舟飛船推進艙外都有太陽翼，用於提供電力供應。

神舟八號任務後將完成基本定型

2008年發射的神舟七號飛船全長9.19米，質量約爲8噸。比起之前的神舟系列飛船，神舟七號的最大改變是將軌道艙改爲氣閘艙，用於支援太空人出艙活動。神舟系列載人飛船的主要功能是向空間站輸送人員、及少量物資，所以預料之後的神舟飛船會保留氣閘艙設計，用作太空人出艙、太空人轉移到空間站的中間艙段，並兼備存放少量向空間站輸送物資的艙段。

今年第四季度發射的神舟八號飛船還會增加與空間站對接的“異體同構周邊”對接裝置（APAS），及對接時所需的跟蹤測量設備。“異體同構周邊”中“異體同構”的意思是，對接的兩個航天器所安裝的對接機構有著相同的構造，“周邊”是指對接機構安裝在來往通道的周邊。比起俄羅斯聯盟號載人飛船所採用的“針錐”式對接裝置，“異體同構周邊”對接裝置的優點是航天器既可作主動方，也能作被動方，這一點對空間救援特別重要。儘管增加了對接機構，但神舟八號不再攜帶神舟七號上的伴隨小衛星，所以其長度估計與神舟七號差不多、甚至略短。

需要強調指出的是，神舟八號任務之後，神舟系列載人飛船才算正式完成研製試驗過程、基本定型，從1992年至2011年總共花費約20年時間。神舟九號應該是正式的量産型載人飛船，具備標準的運輸3人飛行7天，並進行空間交會對接的能力。

中國未來的貨運飛船



天宮一號空間站模型，未來的中國貨運飛船將直接使用天宮一號的總體佈局，可節省設計和建造成本。

作爲第三個自主掌握載人航太技術的國家，中國還將發展空間實驗室和貨運飛船，爲未來空間站的建設奠定技術的基礎。今年三季度發射的天宮一號目標飛行器最大直徑3.35米，長度9米以上，質量約8.5噸。目前官方有關貨運飛船的介紹較爲簡單，技術細節並不清楚。但根據原載人航太工程總設計師、工程院院士王永志在《實施中國載人空間站工程推動載人航太事業科學發展》一文中的論述，貨運飛船和空間站艙段將充分利用空間實驗室的研製成果，再綜合其他資料分析，中國的貨運飛船應該是以天宮系列空間實驗室爲基礎改進而來。

根據介紹，中國貨運飛船總質量約13噸，貨運能力在5.5~6噸之間，具備爲空間實驗室和空間站補給推進劑、補充液態水和空氣，並提供廢棄物存放空間。中國貨運飛船也應具備類似歐空局自動轉移飛行器、俄空局進步貨運飛船那樣爲空間站調整軌道的能力。

俄羅斯聯盟載人飛船和進步貨運飛船



蘇聯/俄羅斯聯盟載人飛船，出自偉大的設計師科羅廖夫之手，是當今最爲成功的載人飛船家族。



進步貨運飛船設計基於聯盟系列，雖然歷經改進，其運力在目前已經顯得力不從心。

說起中國載人航太工程的載人/貨運飛船，俄羅斯是繞不過去的話題。通過1996年簽訂的《中華人民共和國政府和俄羅斯聯邦政府關於在載人航太領域進行合作的協定》以及一系列更早的合作協定，中國載人航太921工程得到了大量瞭解借鑒俄羅斯載人航太技術的機會，對神舟飛船的設計可能起到了很大的影響。俄羅斯載人航太系統目前使用的飛船主要是聯盟系列載人飛船和進步系列貨運飛船，均使用傳統的針-錐(Probe-Drogue)對接裝置。

聯盟號載人飛船

聯盟飛船經歷數十年的發展，已經發展到聯盟TMA和TMA-M型號，聯盟TMA-M飛船在電子設備上進行了升級，更換了老舊的電腦，整體質量降低了70千克，第一艘飛船TMA-01M於2010年10月8日發射。聯盟TMA-M飛船長度約7米，最大直徑2.7米，起飛質量7220千克，3人時攜帶170千克載荷，最大著陸質量2900千克。飛船設計飛行壽命14天，空間站駐留壽命200天。

進步號貨運飛船

進步飛船自1978年首次以來也經歷一次次升級，目前的飛船型號爲進步M-01M飛船，這是2008年後啓用的型號，長度約7.2米，最大直徑2.7米，起飛質量約7.2噸，最大上行貨物運載量約2.6噸。進步系列貨運飛船除了運輸補給品、推進劑和水給空間站，還有提升空間站軌道高度的能力。在歐空局的自動轉移飛行器服役前，國際空間站的軌道調整基本依賴於進步號貨運飛船完成。

中俄載人/貨運飛船對比

中國神舟系列載人飛船雖然在設計時對俄羅斯聯盟飛船有所參照，但神舟飛船的尺寸和重量均有所增加。神舟飛船全長9.13米、最大直徑2.8米、質量約8噸；而聯盟飛船長度約7.2米，最大直徑2.7米，起飛質量約7.2噸。尺寸、質量增加使得神舟飛船擁有更寬敞的載人和設備佈置空間，另外神舟是新設計的飛船，各類設備的體積和重量都會比聯盟有所縮小。

中國貨運飛船則要比俄羅斯進步號貨運飛船先進得多。中國貨運飛船改進自天宮系列空間實驗室，全長9米以上、最大直徑3.35米、質量13噸、最大上行貨物運載量達到6噸。而俄羅斯進步號貨運飛船是以聯盟號載人飛船爲基礎，長度約7.2米，最大直徑2.7米，起飛質量約7.2噸，最大上行貨物運載量約2.6噸，運載能力要弱得多。



目前中美俄主要的客貨運飛船和太空梭的尺寸與性能比較。太空梭在任何一項性能上都遙遙領先與它的競爭對手們。不過由於發射成本高昂和兩次機毀人亡的事故後，太空梭早早退出了歷史舞臺。

歐洲ATV和日本HTV貨運飛船



歐空局的ATV貨運飛船除了能攜帶7.6噸的物資，還自帶4.6噸推進劑，用於幫助國際空間站變軌。



日本HTV貨運飛船，對介面採用美國的CBM標準，直徑遠大於俄式設計，可向空間站內輸送大件貨物。

雖然進步系列貨運飛船在俄羅斯載人航太史和國際空間站的發展史上起到了至關重要的作用，但進步貨運飛船本身基於聯盟飛船改進而來的原始設計還是太老舊了，性能也不盡人意。

歐洲ATV貨運飛船

歐空局獨立啓動了自動轉移飛行器(ATV)貨運飛船的研製，ATV的對接裝置大量使用了俄羅斯針-錐對接裝置的硬體，但在感測器和交會對接演算法上有大量自己的特色。更重要的是ATV使用阿麗亞娜5火箭發射，最大起飛質量高達20.75噸，最大上行貨運能力高達7667千克。ATV可運載的貨物包括普通加壓貨物，水和空氣以及常溫推進劑，在7667千克的最大貨運能力中包括5500千克的加壓貨物，840千克的水、100千克的空氣和860千克的偏二甲肼-四氧化二氮推進劑。ATV貨運飛船還有提升空間站軌道的能力，本身自帶高達4600千克的混肼-混合氧氮(MMH-MON)推進劑用於推進國際空間站。

雖然ATV飛船建造加上發射費用的高達數億歐元的價格極其昂貴，但對比它的貨運能力之後費效比並不比俄羅斯進步飛船低，如果考慮到4.6噸的推進劑用於空間站變軌，綜合費效比恐怕更爲出色。何況ATV是歐空局自己的專案，積累了自身的工程技術和使用經驗，並具備發展爲載人飛船的潛力。

日本HTV貨運飛船

類似於歐空局，日本宇宙研究開發機構(JAXA)也研製了自己的貨運飛船H-II火箭轉移飛行器(HTV)，日本原定使用液體助推器的H-IIA系列火箭發射HTV，不過最後在可靠性和預算限制的壓力下改用4枚固體助推器的H-IIB火箭。HTV貨運飛船對接使用美國研製的通用對接裝置(CBM)標準，在交會對接的感測器、通訊和演算法上使用自己的設計。CBM對接裝置的內部直徑要遠大於俄羅斯的針-錐對接裝置，因此可以運輸更大的加壓貨物，如國際標準有效載荷機櫃(ISPR)。

由於H-IIB火箭高達16.5噸的國際空間站圓軌道發射能力，HTV的最大發射質量也是16.5噸。HTV貨運飛船的運載能力也相當出色，截止HTV-2飛船已經具備了高達6噸的上行貨運能力，尤其是HTV使用模組化設計分爲加壓貨艙和非加壓貨艙，具備大件非加壓貨物的運送能力，是太空梭退役後非加壓貨物運輸的唯一選擇，並和進步飛船、ATV一起支撐起國際空間站貨運的重任。根據JAXA的規劃，HTV任務到2015年後將升級HTV飛船爲HTV-R，具備攜帶貨物返回地面的能力，不過目前尚未選定確切的方案。

美國發展多款新型載人/貨運飛船



美國私營航太公司SpaceX的龍式載人飛船，計劃替代太空梭向國際空間站運送人員，一次可搭乘7人。



龍式飛船的貨運型號，可向國際空間站運送6噸物資，並可攜帶3噸物資返回地球。



SpaceX公司的兩型飛船示意圖，二者基本使用同樣的基礎構架，採用該公司自製的Falcon 9火箭發射，具有很大的成本優勢。

美國亞特蘭蒂斯號太空梭已經在7月21日返回地面，完成了最後一次太空梭任務，美國迎來載人航太空窗期。俄羅斯媒體對此宣傳太空梭時代結束，聯盟時代開始，自然令美國人群情激昂。美國航太網nasawatch的評論提到：“用不了多久，美國飛船就可以做一切聯盟飛船可以做的工作，而且又好又便宜。(All too soon, American spacecraft will do everything Soyuz does - and more - and will do so much better - and cheaper)。”

龍式與天鵝座貨運飛船

美國人當然不是憑空生出的信心，在太空梭退役前美國航空航天局就啓動了商業貨運和商業載人航太的專案，2008年已經與SpaceX和Orbital公司簽訂了商業貨運合同，目前商業載人航太專案的進展也相當順利。SpaceX公司將爲國際空間站貨運補給提供龍式（Dragon）貨運飛船，龍式飛船使用SpaceX研製的獵鷹9（Falcon 9）火箭發射，全長6.1米最大直徑3.7米，自重約4噸，但最大上行貨運能力高達6噸，下行貨運能力高達3噸，這實在是一個非常高的指標。

軌道科學公司的貨運飛船爲天鵝座(Cygnus)，天鵝座飛船自身質量爲3.5噸，標準運載能力2噸、加強版達到2.7噸，使用軌道科學公司正在研製的金牛座2火箭發射。這兩種貨運飛船都將使用CBM標準對接裝置，從而具備更大尺寸的加壓貨物運載能力。

載人飛船有4家企業投入競爭

目前商業載人航太專案的競爭還沒有決出最後的勝負，不過現在看來SpaceX的載人龍式飛船、波音公司的CST100飛船、內華達山脈公司的升力體飛船追夢者(Dream Chaser)都非等閒之輩，技術上尤其是龍式和CST100並沒有多大問題，追夢者則要攻克全升力體飛船的再入飛行控制問題。這些載人飛船都具備了6人左右的載人能力，完全可以滿足國際空間站乘員組往返的需求。

除此之外，美國航空航天局仍在研製自己的多用途載人飛船(MPCV)，MPCV飛船實際上是原來星座計劃中獵戶座飛船的繼續發展，在尺寸、質量和性能上基本保持一致，將用於美國航空航天局的載人深空探測如登陸小行星、載人登月和載人火星環繞飛行，同時作爲國際空間站的緊急逃生飛船使用。MPCV飛船自重約20噸，具備運載6人往返國際空間站或是運載4人前往月球的能力，未來將用重型德爾塔4火箭測試發射。

中國難以參與國際空間站專案



聯盟火箭的原型，蘇聯/R-7家族至今已進行了約1740次發射，其中聯盟系列火箭在執行載人發射中從未失過手，這種成熟度還不是中國長征2F的7射7成所能比較的。

中國載人/貨運飛船缺乏過人之處

對比世界現有和即將出現的各種載人和貨運飛船，神舟載人飛船和貨運飛船的性能都並不出衆。

在載人飛船方面，雖然神舟飛船要比老舊的聯盟飛船先進，但載荷性能基本一致，而且進行定型的神舟八號飛船尚未發射，可靠性還沒有進行充分驗證，完全無法和聯盟飛船上百次飛行任務相比。在聯盟飛船可以正常執行任務的情況下，神舟飛船將很難獲得機會。而比較先進性，神舟飛船就遠遠不如美國正在研製的4種載人飛船——龍式、CST100、MPCV和追夢者了。這4款飛船都具備6人左右的載人能力，一次飛行任務可輸送一個完整的國際空間站乘員組，而神舟飛船則要2次。

貨運飛船方面，中國貨運飛船的上行貨運能力與歐洲ATV、日本HTV、美國龍式貨運飛船大致相當，高於俄羅斯的進步飛船和美國的天鵝座飛船。但中國貨運飛船要2015年甚至更晚才能首次發射，研製進度大大落後於Dragon和天鵝座，更不要說已經投入使用的ATV、HTV。

中國難以參與國際空間站專案

所以，換位思考一下，雖然美國太空梭退役了，但美、歐、俄、日現有和正在研製的載人/貨運飛船，完全可以滿足國際空間站運作的要求。中國載人/貨運飛船並沒有過人之處，想以承擔天地運輸任務的方式參與到國際空間站專案中去，是很難實現的。

另外，中國載人航太在可靠性上還需要得到進一步證明，長征2F火箭雖然7次發射7次成功，但它的原型長征2E火箭7發2敗的發射成功率並不高，絕不能掉以輕心，這方面中國運載火箭與創下133次連續成功發射記錄的俄羅斯聯盟號火箭實在有太大差距。

而相比載人航太飛行器技術，中國在空間科學研究方面，無論是理論研究或是實驗設備，都遠遠落後於國際先進水平，以研製新實驗艙段參與國際空間站專案是更難實行的方式。



與太空梭相比，太空船可能非常簡陋。本質上它就是一個大容器，擁有足夠強度、並安裝了必要設備，甚至大多是一次性的。不過，簡單的往往是最爲有效的，它們承擔了載人航太行動中大部分搬運工作，如今，太空梭的歷史已經謝幕，而飛船的家族依然繁榮。

結語

中國神舟系列載人飛船在發展之初曾借鑒俄羅斯成熟的載人航太技術，但青出於藍勝於藍，神舟載人飛船的技術水平比起聯盟飛船有所提高，而貨運飛船各項指標均明顯優於俄羅斯進步號貨運飛船。

但神舟飛船至少要等神舟八號發射、與天宮一號進行首次空間交會對接試驗後，才能完成基本定型。中國飛船起步晚、發射次數過少，所以即便美國太空梭退役，也不太可能參與到國際空間站任務中去。與此同時，美國、歐洲、日本也在發展多款先進載人、貨運飛船，中國神舟、以及未來的貨運飛船在技術上難以與之競爭。