神舟飞船轨道舱不再留轨，结局是再入大气烧掉，设计变更回归初心

　　轨道舱留轨利用一直以来是不少航天爱好者口中津津乐道的关于神舟飞船的一个设计优势，然而最近几年，关于轨道舱留轨利用的话茬却不再提了，这是为什么呢？
　　这是一个既简单，但展开来讲又有很多故事的话题，有着较为复杂的历史经纬。
　　神舟载人飞船遥测图像
　　上世纪八十年代下半叶，继曙光一号载人飞船计划之后，在863计划推动下，开展新一轮载人航天工程逐渐成为共识，但是具体选择何种技术途径实施载人航天工程在当时却有着较大的争论，为此成立了863计划航天领域专家委员会专门针对天地往返运输系统的不同方案进行深入研究和对比分析。
　　曙光一号载人飞船计划
　　专家们遴选出了被誉为五朵金花的5个天地往返运输方案，分别是完全重复使用的两级空天飞机、完全重复使用的两级火箭飞机、部分重复使用带主动力的航天飞机、不带主动力的小型航天飞机，以及载人飞船。
　　参与遴选的5个载人天地往返运输方案
　　经过一番大讨论之后，结合当时的技术条件、财力、研制进度等多种因素最终大家一致认为，带翼航天器是未来的发展方向，但不适合作为21世纪之初的天地往返运输方案，载人飞船方案因此脱颖而出。
　　在确定载人飞船方案后又对三种不同的飞船构型进行了论证对比，分别是：
　　航天科技五院的轨道舱在前、返回舱居中、推进舱在后的三舱方案；
　　航天科技八院的返回舱在前、推进舱在后的两舱方案；
　　航天科技一院的返回舱在前、轨道舱居中、推进舱在后的三舱方案。
　　航天科技五院的轨道舱在前三舱构型多用途载人飞船方案
　　航天科技八院的两舱载人飞船方案
　　航天科技一院的轨道舱居中设计方案主要考虑到在逃逸飞行时，逃逸飞行器只需携带返回舱逃逸的好处。但是轨道舱居中而返回舱大底又不能设置舱门，这就给航天员进入轨道舱带来了麻烦，需要在两舱之外专门配置一个通道，因此该方案没有被采纳。
　　航天科技八院的两舱方案直接取消了轨道舱，这样一来倒是可以降低航天科技一院研制逃逸飞行器的难度，在逃逸飞行时也只需携带一个返回舱。但是没有轨道舱的设计进一步压缩了在轨空间科学实验的规模，而为了满足少量空间实验需求还要扩大返回舱的规模，进而增加了大尺寸降落伞的研制难度，对接机构与对接观瞄装置的安装也是问题。
　　逃逸飞行器由航天科技一院抓总研制
　　最终，航天科技五院的轨道舱在前、返回舱居中、推进舱在后的三舱方案被定为正式的型号研制方案，也就是我们现在看到的神舟号载人飞船。
　　该方案之所以能够最终脱颖而出得益于多方面优势，比如上行运力最大化，人员活动空间最大化。
　　承运神舟载人飞船的长征2F载人火箭
　　载人航天工程立项之初就确定了三步走规划，第一步的核心内容是研制载人飞船，突破载人天地往返技术；第二步就是发展长期自主运行，短期有人照料的空间实验室；第三步是发展长期有人照料的载人空间站。
　　载人航天工程第一步突破的载人天地往返运输技术是实施一切载人航天活动的基础门槛，而载人航天工程也是大系统工程，要求每一个发展阶段环环相扣，在进行第一步工作时就要考虑到如何衔接第二步，乃至第三步。
　　神舟载人飞船的轨道舱就肩负起了这一衔接作用，具体而言就是进行一定规模的空间科学实验，这样一来也能使得投入产出最大化。
　　神舟一号无人飞船
　　神舟一号无人飞船是由地面电性测试船改装的入轨飞行产品，之所以要将它发射入轨，是为了搭上长征2F遥一火箭首飞测试班车，该飞船距离载人要求还有一段距离，主要是验证突破返回舱着陆地球的技术。
　　自神舟二号开始飞船就全面对标载人状态标准进行研制，其中轨道舱也被设计为像卫星一样可留轨独立运行的航天器。
　　神舟飞船轨道舱
　　与飞船返回舱对接的轨道舱有很多妙用，首先是增强了飞船独立运行的能力，比如扩大了航天员在轨活动空间（加压容积达到了6。7立方米），轨道舱还可以被用于搭载上行物资（在搭载3名航天员的同时可额外搭载300公斤重各类物资设备。），增强了航天员在轨自持能力，神舟六号飞行乘组进行的多人多天飞行任务就得益于轨道舱的这一优势。
　　同时轨道舱更便于布置各类附加载荷，比如神舟五号与神舟六号的轨道舱都有一个附加段，该附加段在后续任务中还可以用于安装对接设备。
　　神舟五号载人飞船轨道舱配置有大口径对地遥感光学观测设备
　　轨道舱留轨独立运行光有这些也是远远不够的，为此还必须加装轨道舱太阳翼，以满足能源需求，再有就是姿轨控动力系统以及制导与导航控制分系统。有了这些，轨道舱在独立运行期间就可以维持轨道与姿态，从而具备了独立运行半年时间的条件。
　　具备轨道舱留轨独立运行功能的神舟飞船有，神舟二号、神舟三号、神舟四号、神舟五号、神舟六号共计5艘飞船，在对地遥感应用试验、空间环境监测、地球环境监测等领域进行了大量的在轨工作，为载人航天工程的后续推进做出了贡献。
　　轨道舱具备留轨功能的神舟载人飞船在轨效果图
　　那么，为什么自神舟六号之后轨道舱留轨独立运行功能就不再提了呢？
　　这还得谈到载人航天工程的三步走规划，神舟飞船对应三步走规划也划分了三个不同的型号状态，即初期试验技术状态、出舱活动技术状态、天地往返运输技术状态。
　　神舟一号至神舟六号属于初期试验技术状态，神舟七号为验证突破航天员出舱活动技术是自成一体的出舱活动技术状态，自神舟八号开始就进入到了天地往返运输技术状态。
　　神舟七号载人飞船轨道舱具备气闸舱功能，自成一体。
　　天地往返运输技术状态正是研制神舟载人飞船的初心所在，而轨道舱的初心便是对接舱。
　　进入该状态后轨道舱主要用于安装航天器交会对接用的对接装置与观瞄设备，同时利用轨道舱的空间兼顾上行物资以及下行销毁废弃物的作用，该状态下的轨道舱将不再具备独立留轨运行功能，此前加装的太阳翼、姿轨控动力系统、制导与导航控制分系统将不再配置，其最终归宿是与返回舱分离后再入大气层烧掉。
　　自神舟八号开始，轨道舱不再具备留轨功能。
　　神舟十二号返回地球前分离轨道舱
　　进入新世纪以来，以载人龙飞船为代表的两舱构型飞船再次得到各航天大国的青睐，CST100载人飞船、雄鹰载人飞船、加甘扬载人飞船都被设计为两舱构型，这又是为什么呢？
　　波音公司CST100星际客机载人飞船
　　关于三舱构型与两舱构型的对比，此前笔者曾在一篇关于印度载人航天工程的文章中有过分析，但感觉还是有些意犹未尽。
　　历史上人类也不乏两舱构型飞船，比如搭载人类首位宇航员飞天的东方号载人飞船，以及双子座号载人飞船，用于天空实验室任务的阿波罗飞船也是两舱构型，甚至还有单舱构型的水星载人飞船。
　　带有火箭末级的东方号载人飞船模型
　　不同历史时期所对应的需求与技术水平不同，导致了不同构型载人飞船的问世。以两舱构型为例，20世纪的两舱构型返回舱规模小，人员活动空间小，可搭载的上行物资少。
　　21世纪的两舱构型突出特点恰好就是上述缺点的反转，即返回舱规模大、人员活动空间大，可搭载的上行物资多。
　　导致这一反转的主要因素是返回舱着陆能力的提升，使得返回舱可以有更大的空间满足各类需求，在上述优势基础上又具备了一项极具革新价值的功能，即返回舱的重复使用，进而极大程度降低了载人航天工程的运营成本。
　　载人龙飞船返回舱聚集了大量可带回地球并重复使用的高价值设备
　　比如载人龙飞船就尽可能将高价值设备集中于返回舱，比如，发射段逃逸用的超级天龙座发动机、用于姿轨控的天龙座发动机、用于交会对接的对接装置等设备均在返回舱。在这样的条件下该飞船返回舱仍然有9。3立方米的人员活动空间，这一数据超过了有返回舱与轨道舱两个加压舱的神舟飞船，后者的人员活动空间数据是6。7立方米。
　　龙飞船返回舱推式逃逸发动机测试
　　载人龙飞船返回舱内部空间较为宽裕
　　所以，载人龙飞船虽为两舱，但在更大规模的返回舱支持下，仍有着较强的在轨自持能力，该飞船独立运行时间长达10天，比神舟的7天独立运行时间还要长。按照计划，本月载人龙飞船就将执行一次商业航天太空游发射任务，此次任务不与国际空间站对接，独立飞行时间恰好就是10天。
　　为适应新时期载人航天运营需求，我们也布局了新一代载人天地往返运输装备的研制。十二年前，航天科技五院就开始着手研发新一代载人飞船，该型飞船的试验船已于两年前搭乘长征5B遥一大型运载火箭升空，成功实施了首飞任务。
　　新一代载人飞船试验船
　　新一代载人飞船同样采用返回舱在前、推进舱在后的两舱构型设计，该型飞船可谓是人类载人航天技术的集大成者，发射质量高达21。6吨，其中仅返回舱发射质量就达到了7吨（神舟飞船三舱合计发射质量约8吨），内部空间容积13立方米（这一数据是神舟飞船的两倍有余），居各国载人飞船之首，可搭载4至7名航天员执行近地轨道天地往返任务，返回舱上部可配置对接装置，以及保护对接装置的可展开可收拢的保护罩，返回舱具备重复使用能力。
　　新一代载人飞船返回舱可居住空间居各国飞船之首
　　除此之外，新一代载人飞船还应用了碳基微烧蚀防热烧蚀材料、世界最大推力的单组元HAN基无毒无污染姿控发动机、高速半弹道再入、自适应预测制导等一系列具有国际领先水平的高技术装备，可胜任近地轨道天地往返、载人月球、载人火星、载人小行星等任务。
　　为什么我国新一代载人飞船还要配置规模庞大的推进舱，而没有像SpaceX公司载人龙飞船那样将推进舱整合进返回舱呢？这是由两个方面决定的：
　　新一代载人飞船试验船返回舱
　　1。我国新一代载人飞船需要执行深空载人任务，它所需要的轨控任务量远超近地轨道版飞船，推进剂需求量更大，无法在返回舱整合；
　　2。载人龙飞船返回舱轨控发动机所使用的推进剂是有着剧毒属性的四氧化二氮与偏二甲肼，安全性问题不容忽视，该型飞船就曾在一次地面测试中暴露了此项问题。
　　载人飞船舱段数量的变化是基于技术进步的程度以及最终应用需求决定的，它不是一成不变的，比如未来如果要执行月球以远的载人深空任务，这就不是两舱飞船可以完全满足需求的，届时还会需要具有更为强大的物资储存能力的轨道舱。
　　新一代载人飞船试验船在轨飞行画面
　　神舟飞船三舱构型与当下两舱构型对比，后者的先进性已被诸多事实所证明，然而我们不能用今时今日的眼光去审视二十多年前诞生的神舟载人飞船。
　　在神舟载人飞船诞生的年代，其先进性是无可指摘的。主要是因为高起点，一步到位对标当时最为先进的联盟TM载人飞船。
　　神舟五号载人飞船
　　得益于长征2F载人火箭相较于联盟号火箭更强大的运力，神舟飞船发射质量可达8吨，比联盟号飞船大了将近1吨，使得我们的返回舱规模可以更大，返回舱最大直径达到了2。5米，联盟号飞船返回舱则是2。2米，人员身处其中的舒适性更佳，且可以搭载更多的有效载荷。
　　欧空局宇航员马天来华参加海上救生训练时就感慨道，我对中国宇宙飞船的空间大小颇感惊讶，它的直径比联盟号的太空舱大得多，太空舱里有这么大的空间，甚至还配有充气橡皮船，这在联盟号上是没有的（联盟号如果在海上降落，那么宇航员就只能在冰冷的海水中等待救援）。
　　欧空局宇航员马天来华参加海上训练（左）
　　神舟飞船的着陆精度也更高，这主要得益于降落伞开伞点精度更高，以及风修正技术的应用。神舟飞船太阳翼可实现对太阳单自由度驱动定向，而联盟号飞船太阳翼则是固定式，需要定向时只能通过整船姿态控制实现。神舟飞船在实施大气层外救生时可以利用飞船发动机实现定区降落，以缩小地面搜救区域，联盟号飞船则不具备此项能力。
　　神舟十三号载人飞船船箭分离画面
　　自神舟五号突破载人天地往返技术开始，至今我们已经将20人次航天员成功送入太空，接下来该型飞船还将在天宫空间站任务阶段继续建功立业，待新一代载人火箭进入应用阶段，届时它就可以功成身退，到那时近地版新一代载人飞船将开始新的征程。