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中国未来载人飞船总体方案论证简介
前言
随着我国航天事业的蓬勃发展，载人航天因为其先进性及能完成多种航天任务也必将得到大力发展，本文我国就未来载人飞船的总体结构规划方案作一定系统工程论证。
载人航天系统分为：载人飞船航天系统，航天飞机航天系统和空间站航天系统。其中，航天飞机航天系统是美国曾大力发展的航天系统，其优点是可重复利用，但过于昂贵。我国要大力发展的就是载人飞船与空间站系统，而载人飞船这是载人飞船系统的核心。
载人飞船是一种运行期较短，仅能一次性使用的返回型载人航天器。其用途主要是：1.进行绕地轨道飞行，试验各种载人航天技术，如轨道交会对结和航天员在轨道上出舱，进入太空活动；2.考察轨道上失重和空间辐射等因素对人体的影响，发展航天医学；3.为空间站接送人员和运送物资;4.进行军事侦查和地球资源勘测;5.进行临时性的天文观测。
飞船总体设计
(一).飞船主要技术指标
1.飞船成员人数及载荷
飞船作为空间站的天地往返运输系统,考虑到我国未来空间站可能的规模,飞船成员人数可定为3人。而有效载荷考虑到其仅作为载人用，上行120kg，下行30-50kg已足够。
2.飞船长度,最大直径及总质量
我国现有火箭中最大的是"长征3-乙",其低地轨道运载能力在10吨以上,火箭整流罩最大直径为4米。考虑到飞船外部设备，其最大直径定为2.8米。飞船在包括交会对接装置时的长度为8米左右，总重量为8吨。
（二）.飞船构形和总体布局
1．布局方案选择
飞船由返回舱，轨道舱，服务舱组成。
轨道舱是航天员进行科学试验，进餐，体育锻炼，睡觉和休息的地方。
返回舱是飞船的坐舱，它与轨道舱一起，构成飞船的居住舱。在飞船的发射段，在轨道上进行飞船的基本控制程序，在返回过程以及在着陆后的某些等待情况，航天员都是躺在返回舱内。
服务舱在飞船发射前与运载火箭相连，其前端与其他舱段相连。主要作用是为飞行任务提供服务。
考虑飞船的轨道舱,返回舱,服务舱的布局方案时，注意到飞船与空间站对接后要求有人员通道，因此对接机构不能在服务舱段上，所以服务舱不可以居前。具体的布局方案有以下几种:
（1）.返回舱在前,轨道舱居中, 服务舱在后。优点是：所需救生火箭（逃逸塔）尺寸较小，缺点是：要在返回舱底部大开口以和轨道舱连接，而且在对接时的密封性要求很严格，以保证航天员的安全。
( 2）．轨道舱在前，而服务舱居中。其弥补了方案1的缺点，同时却需要较大的逃逸塔，不利于火箭的气动外形。（此方案为俄罗斯“联盟”号的布局方案） (3)．取消轨道舱，只由返回舱作为航天员的居住舱。（此即美国“阿波罗”飞船的布局方案）
比较以上几种方案，第1种对返回舱防热结构，承力结构要求有极为成熟的技术，而且返回舱开口处的密封要求及严格，同时 在进行风险估计时成熟因子会取得较高而使失败概率提高，其可靠度也会因此而降低，因此忽略此方案；第3种则使得航天员的活动有效容积减少，而且飞船直径增大，将使火箭整流罩增大，恶化气动外形，也忽略此方案。所以，我们选择方案2。
2.部分分系统方案设计
(1).对接机构的选择
目前，适用于载人航天器的对接方案有两种：①"杆--锥"式结构,此即“联盟” 号的方案，即在飞船（主动机构）上安装导向撞杆及接头，在被动机构上安装接收锥及其它系统，接收锥用于引导主动机构与其姿态的调整。此方案目前已发展较为成熟，经过
”联盟“号多次对接考验，可靠性高,完全可以满足机械和电子系统接口的连接刚度要求；缺点是：主，被动机构无法互换，缺乏通用性；对接机构的杆，锥位于机构中央，对来往空间通道有一定影响。②异体同构/周边对接机构，此方案可弥补前一种方案的缺点，但有其自身缺点：a.对操作精度要求高,不利于手动对接；b.机构过于复杂,因而也使重量过大,这在航天中是比较忌讳的。
从以上分析中，结合我国的情况，我们选择第一种方案，可满足一般情况下的任务要求。
（2）.对接测量机构的选择
根据原苏联"联盟"和美国"阿波罗"号的经验,在对接过程中有4个阶段: ①地面导引阶段:飞船在地面控制下完成若干次轨道机动至其能捕获空间站为止,此范围一般为100多公里至几十公里,可采用微波雷达,可获得对接另一方的距离,速度,角度,角速度的信息。②自动寻的阶段：当飞船上的敏感器捕获到对接目标时，其交会控制系统将飞船引导到距目标附近某一点，距离在1公里以内，此过程中，
要用到中程敏感器，可选用激光雷达。③接近阶段：飞船从建立的初始瞄准点开始机动到对接轴上，同时降低俩飞行器的相对速度，此阶段可用光学成象敏感器。④逼近阶段：从两个飞行器对接轴对准到对接机构开始接触，此阶段可采用宇航员手动对接，需要目视光学设备，自动对接时可利用位置敏感器。在4个阶段中，每个阶段同时都有两种不同原理的敏感器可以使用，互为备份，因此其冗余度大，测量精度高。
（3）．返回舱返回过程中姿态调整发动机的布置
返回舱的外壁，应布置8台姿态控制发动机，用于飞船再入过程保持返回舱的姿态和控制升力矢量的方向。其中，有4台用于滚转控制，2台用于偏航控制，另2台用于俯仰控制，以保证飞船具有合适的气动升力及要求的着陆精度。
除以上所叙，在飞船外部还有一些设备：5个舷窗，其中，轨道舱有4个，用于航天员对外观察；返回舱1个，供航天员进行天文导航和定位；另有用于连接3个舱段气路，液路，电路的连接系统；还有一个密封作舱门，位于轨道舱侧面，当飞船--运载火箭位于发射台时，宇航员从这里进入飞船，同时，飞船在轨道运行时，航天员从这里进出飞船作出舱活动；在轨道舱的外表面，有突出状的散热装置，舱的侧面有2列太阳能列阵，舱底部有一台主变轨发动机，两台备用发动机及一些小推力的姿态控制发动机。 至此为止，我们已讨论了飞船的整体布局及部分分系统方案，
出于知识与经验的关系，很难做到更为详细的讨论，仅能就此对中国未来的载人飞船作此论证。
参考书目
《系统可靠性与维修性的分析与设计》
《空间交会对接技术》
“载人航天技术”选修课之讲义
宇航学院“冯如杯”参赛项目
（作品简介）
中国未来载人飞船模型
及总体方案论证
作者：杨宇 罗明昌
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