Nave espacial tripulada de nova geração

Versão do espaço profundo da nave espacial

Nave espacial tripulada da nova geração ( chinesa 新一代 載人 飛船 / 新一代 载人 飞船, Pinyin Xīn Yī Dài Zàirén Fēichuán ) é o título provisório do modelo sucessor da nave chinesa Shenzhou . Existe uma espaçonave polivalente parcialmente reutilizável em diferentes configurações para o transporte de astronautas em um solo , ou órbita lunar e para seu retorno à Terra. A longo prazo, ele também poderia ser usado para missões à superfície da lua ou a Marte , por meio das quais os viajantes espaciais na lua ou na órbita terrestre mudariam para outra espaçonave ou um módulo adicional com seu próprio impulso para transporte posterior. A “nave tripulada da nova geração” também pode ser usada como uma nave de carga não tripulada ou para o transporte simultâneo de pessoas e carga.

desenvolvimento

Por volta de 2010, os responsáveis ​​pelo Programa Espacial Tripulado da República Popular da China propuseram pela primeira vez em discussões internas que uma espaçonave versátil deveria ser desenvolvida em que uma ampla gama de missões pudesse ser feita com uma versão básica. Então, em 31 de março de 2015, Zhang Bainan , engenheiro-chefe do departamento de vôo espacial tripulado principal da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial , juntamente com alguns colegas da Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, apresentou o conceito de uma nave espacial polivalente tripulada do nova geração para o mundo profissional. Naquela época, dois tipos foram assumidos: uma espaçonave com peso de decolagem de 14 toneladas para operações em órbitas terrestres baixas e - com lançadores adicionais - missões para asteróides e a Marte, e uma nave espacial com peso de decolagem de 20 toneladas para uso em pousos tripulados na lua (além disso, seria necessário um módulo lunar ). Para a troca de tripulação na planejada estação espacial modular , a nave deve ser capaz de transportar até 6 pessoas. Para tornar possíveis todas as missões planejadas, o requisito mínimo era que os sistemas de suporte de vida da espaçonave funcionassem de forma independente por 21 dias e a nave, ancorada em uma estação espacial ou - no caso de uma missão a Marte - o módulo vivo de um nave espacial composta grande , permanecer no espaço por até dois anos pode.

Em 2017, iniciou-se o desenvolvimento de um protótipo, anunciado publicamente por Zhang Bainan em março de 2018. Em entrevistas, o engenheiro revelou que seria um modelo reutilizável. É igualmente adequado para voos para a lua e Marte. Ao mesmo tempo, ele apontou que as espaçonaves Shenzhou estavam agora sendo produzidas em massa e permaneceriam em uso por um longo tempo em conexão com a estação espacial a ser construída. Na 5ª conferência sobre voo espacial tripulado em Xi'an em 23/24. Outubro 2018 - organizado pela Universidade Politécnica de Noroeste da China e do Escritório para Manned Spaceflight do Departamento de Armas Desenvolvimento da Comissão Militar Central (CMSA) - a nave espacial tripulada da nova geração foi finalmente apresentado ao público pela primeira vez em detalhe. Depois de um voo de teste com um modelo em escala reduzida da nave espacial em 2016 (veja abaixo), um protótipo real foi concluído em dezembro de 2019.

Missões interplanetárias

Para voos para Marte, Zhang Bainan e seus colegas projetaram um conceito de nave modular que, após o Congresso Nacional do Povo e a Conferência Consultiva Política do Povo Chinês divulgou uma declaração conjunta em 12 de março de 2021, expressou a expectativa de que possíveis soluções para orbitar Marte seria possível em 2035 ver foi refinado pela Academia Chinesa de Tecnologia de Veículos de Lançamento . No sistema de transporte espacial para exploração tripulada de Marte , que foi apresentado ao público em 16 de junho de 2021 na Conferência de Exploração Espacial Global em São Petersburgo , os módulos de propulsão nuclear não são mais descartados um após o outro, como antes pretendia Zhang Bainan, mas continuam a fazer parte de toda a missão da nave espacial. Os viajantes espaciais são trazidos para a espaçonave de Marte na espaçonave tripulada da nova geração, onde são transferidos para um módulo vivo. A espaçonave tripulada permanece ancorada e é levada a Marte como espaço adicional de moradia e armazenamento. Após seu retorno, os viajantes espaciais pousam com a espaçonave tripulada na Terra; a nave espacial de Marte que permanece em órbita pode, em princípio, pelo menos parcialmente ser reutilizada.

Para retornar da lua ou de Marte, a cápsula espacial teve que lidar com a reentrada a uma velocidade de 11,2 km / s. Quando surgiram os primeiros planos para a nova nave multifuncional, a China ainda não tinha materiais leves adequados para um escudo térmico ablativo . Os escudos térmicos desenvolvidos na década de 1960 feitos de tecidos de fibra de carbono embebidos em resina fenólica podem suportar temperaturas muito altas, mas têm uma densidade de massa em torno de 1,5 g / cm³, o que significaria que a proteção térmica para uma cápsula de reentrada do o tamanho planejado (cerca do dobro da cápsula de retorno da espaçonave Shenzhou) teria representado uma proporção significativa do peso total. Por esse motivo, os engenheiros que trabalham com Zhang Bainan sugeriram o desenvolvimento de um chamado " ablator de fibra de carbono impregnado com fenol " (PICA) feito de fibras de atalho que tem apenas uma densidade de massa de 0,27 g / cm³ e, por exemplo - em forma de ladrilho - também em 2011 na cápsula do Laboratório de Ciências de Marte da NASA foi usado. Com o mesmo efeito de proteção térmica, esse material pesa 30% menos.

Estrutura e funcionalidade

A espaçonave da nova geração tem um diâmetro de 4,5 m. A variante para o espaço próximo à Terra tem 7,23 m de comprimento e um peso máximo de decolagem de 14 toneladas. Na variante do espaço profundo, o comprimento é de cerca de 9 me o peso máximo é de 23 toneladas. Ambas as variantes usam a mesma cápsula de retorno cônica, semelhante em forma à nave espacial American Dragon , mas com módulos de serviço diferentes . Um módulo orbital como o das espaçonaves Shenzhou , que poderia permanecer em órbita como plataforma experimental após a missão principal, foi dispensado por motivos de custo.

Os quatro motores principais do módulo de serviço trabalham com o combustível monergólico hidroxilamina e ácido nítrico como oxidante (HAN) produzidos pelo Institute 101 da Academy for Liquid Rocket Engine Technology . Isso tem a vantagem sobre os combustíveis usuais de não ser tóxico. Possui baixo ponto de congelamento, alta densidade e dá aos motores um alto impulso específico . O tanque de combustível consiste em duas camadas, com um revestimento interno feito de liga de alumínio e uma parede externa feita de um tecido de material composto . Desta forma, um tanque de tensão superficial relativamente grande poderia ser realizado - a versão para o espaço profundo a maior de todas as espaçonaves chinesas. Para controle de atitude durante o vôo, a espaçonave possui um sistema de controle automático que usa propulsores de controle de atitude para manter sua posição estável em relação à Terra em todos os três eixos e permite mudanças de órbita de alta precisão e manobras de frenagem.

Os módulos solares para alimentar a espaçonave em órbita também estão localizados no módulo de serviço, que é desconectado antes de retornar à atmosfera terrestre e queimar lá. Sistemas eletrônicos caros, por outro lado, são alojados na cápsula de retorno sempre que possível, cujo núcleo pode ser reutilizado após o desembarque na Mongólia Interior . Para isso , é retirada a casca externa removível, que serve de proteção contra o calor ao reentrar na atmosfera, e a estrutura metálica interna é dotada de um novo revestimento externo. A cápsula de retorno é construída de tal forma que também pode pousar na superfície da água. O plano de longo prazo é designar uma área marítima no Mar do Sul da China como local de pouso e expandir o Cosmódromo de Wenchang em Hainan no novo centro espacial da China.

Em sua configuração como um transportador de pessoas, a espaçonave pode trazer até sete viajantes espaciais para a órbita terrestre ou para a lua; se apenas três viajantes espaciais estiverem a bordo, um adicional de 500 kg de carga pode ser levado. Sem as prateleiras de carga, que estão fixadas à direita da escotilha de entrada na configuração combinada, a cabine pressurizada da espaçonave oferece um espaço interno de 13 m³, que é um pouco mais do que a espaçonave Shenzhou ; há uma mesa de jantar dobrável e um banheiro separado. Na configuração de uma nave espacial de suprimento puro , um lançador Changzheng-5 ou Changzheng-7 pode carregar uma carga útil de 4 toneladas em órbita. Isso é menos do que a espaçonave de abastecimento de Tianzhou , que já está em serviço, com sua capacidade de lançamento de 6,5 toneladas, mas ao contrário de Tianzhou, a espaçonave de nova geração é reutilizável e pode, por exemplo, conter microorganismos de experimentos realizados na estação espacial ou os materiais produzidos ali são levados de volta à terra com um peso total de até 2,5 toneladas para um exame mais detalhado. Para possibilitar até dez utilizações - segundo cálculos o ótimo econômico - a cápsula foi equipada com airbags como auxílio de pouso, entre outras coisas . Isso reduz a força de impacto a uma fração e, portanto, protege a nave.

Em comparação com a nave espacial Shenzhou atual, o sistema de rádio também foi melhorado. Em Shenzhou, o contato de rádio com o centro de controle da missão é perdido por um certo tempo durante a reentrada na atmosfera terrestre. A causa é o ar fortemente aquecido e, portanto, ionizado ao redor da cápsula de retorno, que protege os sinais de rádio. Os sistemas de comunicação aprimorados da nave de nova geração, bem protegidos por janelas de proteção contra o calor permeáveis ​​ao rádio, podem penetrar no plasma isolante e manter contato com as estações terrestres durante toda a descida.

Enquanto a espaçonave Shenzhou, possui um sistema de escape de lançamento que coloca a nave em situações perigosas antes ou durante o lançamento em segurança e permite um pouso de paraquedas, isso é em lançadores do tipo Changzheng 5 não e suas variantes são possíveis, pois esta é uma carenagem no forma de um próprio Kármán-Ogive . Em vez disso, a espaçonave de nova geração usa os motores do módulo de serviço em uma emergência, que são acionados depois que a carenagem de carga útil foi aberta pela primeira vez e a espaçonave decolou pelo lançador. O míssil tripulado de nova geração , atualmente em desenvolvimento , também não possui míssil de resgate. Isso reduz o peso geral da nave e aumenta sua capacidade de carga. Em uma versão aprimorada apresentada em 18 de setembro de 2020 em uma conferência espacial em Fuzhou , a espaçonave tem quatro aletas estabilizadoras laterais no módulo de serviço, semelhantes ao CST-100 Starliner da Boeing .

Testando

Voo de teste 2016

Em 25 de junho de 2016, no primeiro voo do lançador Changzheng 7 do Cosmódromo Wenchang em Hainan, um modelo da nova cápsula de retorno, reduzido em tamanho para 0,63 vezes, foi colocado em órbita. O modelo tinha formato cônico com diâmetro de 2,6 m na extremidade larga, altura de 2,3 me peso de 2,6 toneladas. A cápsula consistia em três componentes:

• Ponta hemisférica com câmara de pára-quedas, ejetores de pára-quedas, antena de navegação por satélite e antena para comunicação através do plasma isolante na reentrada.
• Uma parede externa com o escudo térmico ablativo dividido em quatro painéis , que foram colados a painéis moldados com uma estrutura em favo de mel e aparafusados ​​às escoras de reforço da própria parede da cabine. Do lado de fora da parede, havia pequenos motores para controle de atitude e sensores para o fluxo de ar.
• Uma placa de base de metal com um sistema de suporte de treliça por baixo e o escudo térmico por baixo. Os equipamentos de processamento de dados, a fonte de alimentação e os dispositivos de medição do fluxo de ar foram montados na placa de piso, no interior da cabine. Havia sensores pneumáticos na parte inferior do escudo térmico.

O objetivo do teste era, por um lado, testar o comportamento de vôo da cápsula de retorno cônica quando ela reentrou na atmosfera (as espaçonaves Shenzhou usam uma cápsula de retorno em forma de sino). No caso de a cápsula cair na atmosfera, havia um pára-quedas supersônico de estabilização que levantaria a cápsula de modo que ela pudesse quebrar com a extremidade larga fornecida para esse propósito. Eles também queriam testar os materiais usados ​​na construção da nova nave espacial, não apenas o ablator de fibra de carbono impregnado com fenol para o escudo térmico, mas também a nova liga com a qual a própria cabine foi feita. Este material era mais forte e mais leve do que a liga de alumínio-magnésio usada anteriormente em naves espaciais . Não havia sistemas de suporte de vida dentro da cápsula, e vários componentes eletrônicos para lançar os paraquedas, etc., foram removidos das espaçonaves Shenzhou devolvidas e reutilizados após a inspeção.

Apenas a cápsula de retorno foi testada neste experimento. A função do módulo de serviço foi assumida pelo estágio superior adicional do lançador Changzheng 7, conhecido como " Yuanzheng 1A ". Este estágio, alimentado por uma mistura de combustível hipergólico , pode, ao contrário dos estágios regulares de foguetes, ser disparado várias vezes e é normalmente usado para elevar os satélites a órbitas mais altas. 10 minutos após a decolagem, às 20h, horário local, o Yuanzheng-1A com a cápsula de teste montada separou-se do lançador e entrou em uma órbita próxima à Terra de 200 × 394 quilômetros, semelhante à usada em voos tripulados. Após a 13ª órbita, em 26 de junho de 2016 às 15h04, horário de Pequim , o Yuanzheng-1A iniciou o retorno à Terra com uma ignição renovada.

O estágio do foguete então mudou sua posição de modo que a parte inferior da cápsula de retorno foi inclinada em 50 ° em relação à horizontal. Às 15h17, a cápsula de retorno separou-se a uma altitude de 170 km do Yuanzheng-1A, que foi então colocado em uma órbita segura. A rede de estações terrestres controladas , neste caso, do Cosmódromo de Jiuquan assumiu o controle da cápsula. A uma altitude de 20 km, o pára-quedas de estabilização disparou, colocando a cápsula na posição correta. Este foi então lançado fora, o pára-quedas de freio acionado, que por sua vez puxou o pára-quedas principal para fora de sua câmara no topo da cápsula. Às 03:41 a cápsula de retorno pousou - inicialmente ilesa - no local de pouso Ostwind no deserto Badain-Jaran não muito longe do cosmódromo. Às 23h, a cápsula recuperada chegou ao Cosmódromo de Jiuquan de caminhão.

Voo de teste 2020

Um primeiro voo de teste não tripulado da nave real ocorreu em maio de 2020. Para isso, foi usado um protótipo de 8,8 m de comprimento e 21,6 toneladas da versão do espaço profundo que em 5 de maio de 2020 às 18:00 hora local (10:00 UTC ) com a primeira cópia da variante do míssil Changzheng 5B do Satélite Wenchang Lançado centro tornou-se. 488 segundos, cerca de 8 minutos após a decolagem, a espaçonave entrou em órbita conforme planejado. A fim de obter a maior massa de lançamento possível para testar o veículo lançador, o módulo de serviço da nave foi totalmente reabastecido. Os técnicos do Centro de Controle Espacial de Pequim usaram esse combustível para aumentar gradativamente a órbita da espaçonave, um pouco mais a cada órbita, até que uma órbita altamente elíptica de 300 × 8000 km fosse finalmente alcançada. Experimentos de ciência espacial foram realizados lá, alguns dos quais relacionados à estação espacial planejada. Em um experimento de lubrificante, por exemplo, o comportamento de migração de partículas de abrasão em gravidade zero foi pesquisado, uma Ethernet de acordo com o padrão TTE com uma taxa de transmissão de 1000 megabits / s foi testada, uma impressora 3D para material composto de fibra longa foi testada, com o qual os próprios viajantes espaciais devem ser capazes de imprimir suas próprias peças de reposição, bem como um dispositivo de rastreamento acústico que ignora ruídos de fundo e pode localizar os ruídos - simulados na cápsula em vários pontos - de um impacto e do ar escapando por um possível vazamento. Em 8 de maio de 2020, por volta do meio-dia, horário local, o Centro de Controle Espacial de Pequim deu os comandos de controle para girar para a órbita de retorno. Às 12h21 a nave completou as manobras de frenagem e alcançou a órbita de retorno. Uma boa hora depois, às 13h33, a cápsula de retorno se separou do módulo de serviço.

Descida de duas partes com frenagem atmosférica

A estação espacial chinesa , que a nova espaçonave se destina inicialmente a fornecer, só orbitará a Terra a uma altitude de 340-450 km. Com um retorno de longo prazo planejado desde a lua, no entanto, a nave vai cair sem controle de Lagrange ponto L ₁ , ou seja, de uma altitude de 326.000 km, e chegar lá a uma velocidade de 40.320 km / h. Esse perfil de missão foi testado em 2014 com a sonda Chang'e 5-T1 , mas era muito menor e mais simples do que a cápsula de retorno da nova espaçonave. Agora, em condições realistas, uma tentativa deve ser feita para reentrar na atmosfera terrestre em alta velocidade e em um ângulo de abordagem íngreme - ao se separar do módulo de serviço, a cápsula inicialmente disparou direto para baixo. Como em 2014, foi realizada uma descida em duas partes com frenagem atmosférica , na qual a cápsula de retorno inicialmente mergulhou brevemente na alta atmosfera , desacelerou um pouco devido à resistência ao fluxo da atmosfera e, após ter recuperado altitude, novamente, agora em uma velocidade mais lenta, para a reentrada final na atmosfera decolou. Temperaturas de até 1000 ° C ocorreram do lado de fora do escudo térmico. Para efeito de comparação: ao reentrar na atmosfera terrestre após retornar da lua, o escudo térmico é exposto a temperaturas de até 3000 ° C.

A cápsula de retorno da nave espacial de nova geração é duas vezes mais pesada que a cápsula Shenzhou , que usa apenas um pára-quedas de freio. O pára-quedas Shenzhou já é um dos maiores do mundo e não foi possível ampliar mais sua superfície. Uma solução foi, portanto, escolhida com dois em vez de um pára-quedas de estabilização, três em vez de um pára-quedas principal e, em vez dos foguetes de freio, seis airbags dispostos ao redor da borda externa da cápsula. Os airbags inflaram a uma certa distância acima do solo e, às 13h49, horário local, 16 minutos após se separarem do módulo de serviço não reutilizável, a cápsula de retorno pousou no local de pouso do Ostwind, no Cosmódromo de Jiuquan. Quando o vento estava relativamente forte, ele pousou na área plana prevista para ele. Após o pouso, a Academia Chinesa de Tecnologia Espacial descreveu a espaçonave em um comunicado à imprensa como "forma embrionária", que agora seria desenvolvida em uma verdadeira espaçonave multiuso com base nos dados coletados durante o vôo de teste. Para colocar em perspectiva: após o primeiro vôo-teste em 1999, mais três vôos não tripulados aconteceram na espaçonave Shenzhou, até 2003, quando a Shenzhou 5 se tornou a primeira chinesa a decolar para o espaço.

O estágio central queimado do lançador reentrou na atmosfera em 11 de maio de 2020 às 15h33 UTC, após 102 órbitas sobre a costa atlântica africana sem intervenção adicional do Centro de Controle Espacial de Pequim. Com um comprimento de 33 me um diâmetro de 5 m, esta foi a maior espaçonave que entrou na atmosfera da Terra desde a queda da estação espacial soviética Salyut 7 em 7 de fevereiro de 1991. Em vista do efeito de frenagem difícil de prever exercido pelas camadas externas da alta atmosfera no palco do foguete, o local específico da queda foi difícil de determinar.

Não é possível colocar a órbita de forma que o sobrevoo sobre áreas densamente povoadas seja evitado - e assim a fase do foguete sobrevoou a cidade de Nova York cerca de 15 a 20 minutos antes do acidente . No final, uma peça de metal de dez metros de comprimento caiu do céu em um vilarejo da Costa do Marfim .

Quatro dias depois, em 15 de maio de 2020, a cápsula de retorno voltou à Academia Chinesa de Tecnologia Espacial em Pequim, onde foi examinada pela primeira vez quanto à integridade estrutural. No entanto, era tão importante verificar os sistemas eletrônicos, muitos dos quais nesta nave não estão localizados no módulo de serviço, mas na cápsula de retorno. As verificações tinham como objetivo determinar se a cápsula usada neste voo de teste pode ser reutilizada para o próximo teste. Em 29 de maio de 2020, as 988 cargas úteis que 54 institutos de pesquisa e 21 empresas privadas enviaram por espaçonave para o Cinturão de Van Allen para expô-los a condições mais difíceis do que eram possíveis nos laboratórios espaciais de Tiangong com suas órbitas próximas à Terra foram descarregadas, incluindo numerosas sementes de plantas e microorganismos usados ​​para a produção de óleo. As bandeiras dos países hasteadas foram entregues ao embaixador do Paquistão, a impressora 3D do centro de projetos e tecnologias para o uso do espaço .

Links da web

• Vídeo de abertura e descarregamento do protótipo em 29 de maio de 2020 (chinês)

Evidência individual