Nave espacial tripulada de nueva generación

Versión de espacio profundo de la nave espacial.

Nave espacial tripulada de la nueva generación ( chino 新一代 載人 飛船 / 新一代 载人 飞船, Pinyin Xīn Yī Dài Zàirén Fēichuán ) es el título provisional del modelo sucesor de la nave espacial china Shenzhou . Se proporciona una nave espacial multipropósito parcialmente reutilizable en diferentes configuraciones para el transporte de astronautas en tierra , u órbita lunar y para su regreso a la Tierra. A largo plazo, también podría usarse para misiones a la superficie de la luna oa Marte , en las que los viajeros espaciales en la luna o en la órbita terrestre cambiarían a otra nave espacial o un módulo adicional con su propio impulso para el transporte posterior. La "nave espacial tripulada de la nueva generación" también se puede utilizar como nave espacial de carga no tripulada o para el transporte simultáneo de personas y carga.

desarrollo

Alrededor de 2010, los responsables del Programa Espacial Tripulado de la República Popular de China propusieron por primera vez en discusiones internas que se debería desarrollar una nave espacial versátil en la que se pudiera volar una amplia gama de misiones con una versión básica. El 31 de marzo de 2015, Zhang Bainan , ingeniero jefe del departamento principal de vuelos espaciales tripulados de la Academia China de Tecnología Espacial , junto con algunos colegas de Acta Aeronautica et Astronautica Sinica presentaron el concepto de una nueva generación de naves espaciales tripuladas multipropósito. al mundo profesional. En ese momento, se asumieron dos tipos: una nave espacial con un peso de despegue de 14 toneladas para operaciones en órbitas terrestres bajas y, con lanzadores adicionales, misiones a asteroides y a Marte, y una nave espacial con un peso de despegue de 20 toneladas para su uso en alunizajes tripulados (esto sería adicionalmente un módulo lunar requerido). Para el cambio de tripulación en la estación espacial modular planificada , la nave espacial debería poder transportar hasta 6 personas. Para hacer posibles todas las misiones planificadas, el requisito mínimo era que los sistemas de soporte vital de la nave espacial funcionaran de forma independiente durante 21 días y la nave, acoplada a una estación espacial o, en el caso de una misión a Marte, al módulo viviente de una nave espacial. grandes naves espaciales compuestas, pueden permanecer en el espacio hasta dos años.

En 2017, comenzó el desarrollo de un prototipo, que fue anunciado públicamente por Zhang Bainan en marzo de 2018. En entrevistas, el ingeniero reveló que sería un modelo reutilizable. Es igualmente adecuado para vuelos a la luna y a Marte. Al mismo tiempo, señaló que las naves espaciales Shenzhou ahora se están produciendo en masa y permanecerán en uso durante mucho tiempo en relación con la estación espacial que se construirá. En la quinta conferencia sobre vuelos espaciales tripulados en Xi'an el 23/24. De octubre de 2018 - organizado por la Universidad Politécnica de noroeste de China y la Oficina de Vuelos Espaciales Tripulados de la Dirección de Desarrollo de Armas de la Comisión Militar Central (CMSA) - la nave espacial tripulada de la nueva generación fue finalmente presentada al público por primera vez en detalle. Después de un vuelo de prueba con un modelo reducido de la nave espacial en 2016 (ver más abajo), se completó un prototipo real en diciembre de 2019.

Misiones interplanetarias

Para los vuelos a Marte, Zhang Bainan y sus colegas diseñaron un concepto para una nave espacial modular que, luego de que la Asamblea Popular Nacional y la Conferencia Consultiva Política del Pueblo Chino emitieran una declaración conjunta el 12 de marzo de 2021, expresaban la expectativa de que posibles soluciones para orbitar Marte sería posible para 2035 ver cómo ha sido refinado por la Academia China de Tecnología de Vehículos de Lanzamiento . En el sistema de transporte espacial para la exploración tripulada de Marte , que se presentó al público el 16 de junio de 2021 en la Conferencia Global de Exploración Espacial en San Petersburgo , los módulos de propulsión nuclear ya no se descartan uno tras otro, como alguna vez pretendió Zhang. Bainan, pero siguen siendo parte de toda la misión de la nave espacial. Los viajeros espaciales son llevados a la nave espacial de Marte en la nave espacial tripulada de la nueva generación, donde se trasladan a un módulo viviente. La nave espacial tripulada permanece atracada y se lleva a Marte como espacio adicional para vivir y almacenar. Después de su regreso, los viajeros espaciales aterrizan con la nave espacial tripulada en la tierra; la nave espacial de Marte que permanece en órbita puede, en principio, reutilizarse al menos parcialmente.

Para regresar de la Luna o Marte, la cápsula espacial tuvo que hacer frente a la reentrada a una velocidad de 11,2 km / s. Cuando surgieron los primeros planes para la nueva nave espacial multipropósito, China aún no contaba con materiales livianos adecuados para un escudo térmico ablativo . Los escudos térmicos desarrollados en la década de 1960 hechos de tejidos de fibra de carbono empapados con resina fenólica pueden soportar temperaturas muy altas, pero tienen una densidad de masa de alrededor de 1,5 g / cm³, lo que habría significado que la protección térmica para una cápsula de reentrada del El tamaño planeado (aproximadamente el doble de la cápsula de retorno de la nave espacial Shenzhou) habría constituido una proporción significativa del peso total. Por esta razón, los ingenieros que trabajan con Zhang Bainan sugirieron desarrollar un llamado " ablador de fibra de carbono impregnado con fenol" (PICA) hecho de fibras de corte corto que solo tiene una densidad de masa de 0.27 g / cm³ y, por ejemplo, en forma de mosaico - también en 2011 en la cápsula del Laboratorio Científico de Marte de la NASA se utilizó. Con el mismo efecto de protección contra el calor, este material pesa un 30% menos.

Estructura y funcionalidad

La nave espacial de la nueva generación tiene un diámetro de 4,5 m, la variante para el espacio cercano a la Tierra mide 7,23 m de largo y tiene un peso máximo de despegue de 14 toneladas. En la variante de espacio profundo, la longitud es de alrededor de 9 my el peso máximo es de 23 toneladas. Ambas variantes usan la misma cápsula de retorno cónica, similar en forma a la nave espacial American Dragon , pero con diferentes módulos de servicio . Un módulo orbital como el de las naves espaciales Shenzhou , que después de la misión principal podría permanecer en órbita como plataforma experimental durante un período de tiempo más largo, se prescinde por razones de costo.

Los cuatro motores principales del módulo de servicio funcionan con el combustible monergólico hidroxilamina y ácido nítrico como oxidante (HAN) producido por el Instituto 101 de la Academia de Tecnología de Motores de Cohetes Líquidos . Esto tiene la ventaja sobre los combustibles por lo demás comunes de que no es tóxico. Tiene un punto de congelación bajo, una densidad alta y le da a los motores un impulso específico alto . El depósito de combustible consta de dos capas, con un revestimiento interior de aleación de aluminio y una pared exterior de tejido de material compuesto . De esta manera, se podría realizar un tanque de tensión superficial relativamente grande: la versión del espacio profundo, la más grande de todas las naves espaciales chinas. Para el control de actitud durante el vuelo, la nave espacial tiene un sistema de control automático que utiliza propulsores de control de actitud para mantener su posición estable en relación con la tierra en los tres ejes y permite cambios de órbita de alta precisión y maniobras de frenado.

Los módulos solares para la fuente de alimentación de la nave espacial en órbita también se encuentran en el módulo de servicio, que se desconecta antes de volver a entrar en la atmósfera terrestre y se quema allí. Los costosos sistemas electrónicos, por otro lado, se alojan en la cápsula de retorno siempre que sea posible, cuyo núcleo se puede reutilizar después de aterrizar en Mongolia Interior . Para ello , se quita la capa exterior extraíble, que sirve como protección contra el calor cuando se vuelve a entrar en la atmósfera, y se dota a la estructura metálica interior de una nueva piel exterior. La cápsula de retorno está construida de tal manera que también puede aterrizar en la superficie del agua. El plan a largo plazo es designar un área marítima en el Mar de China Meridional como lugar de aterrizaje y expandir el cosmódromo de Wenchang en Hainan al nuevo centro espacial de China.

En su configuración como monovolumen, la nave espacial puede llevar hasta siete viajeros espaciales a la órbita terrestre o la luna; si sólo hay tres astronautas a bordo, se pueden llevar 500 kg adicionales de carga. Sin los estantes de carga, que se adjuntan a la derecha de la escotilla de entrada en la configuración combinada, la cabina presurizada de la nave espacial ofrece un espacio interior de 13 m³, que es un poco más que la nave espacial Shenzhou ; hay una mesa de comedor plegable y un aseo. En la configuración como una nave espacial de suministro puro , un lanzador Changzheng-5 o Changzheng-7 puede llevar una carga útil de 4 toneladas a la órbita. Eso es menos que la nave espacial de suministro de Tianzhou , que ya está en servicio, con su capacidad de lanzamiento de 6,5 toneladas, pero a diferencia de Tianzhou, la nave espacial de nueva generación es reutilizable y puede, por ejemplo, contener microorganismos de experimentos llevados a cabo en la estación espacial o los materiales producidos allí se devuelven a la tierra con un peso total de hasta 2,5 toneladas para un examen más detenido. Para permitir hasta diez usos, según los cálculos el óptimo económico, la cápsula se equipó con airbags como ayuda al aterrizaje, entre otras cosas . Estos reducen la fuerza del impacto a una fracción y, por lo tanto, protegen la nave espacial.

En comparación con la nave espacial Shenzhou actual, el sistema de radio también se ha mejorado. En Shenzhou, el contacto por radio con el centro de control de la misión se pierde durante cierto tiempo durante el reingreso a la atmósfera terrestre. La causa es el aire fuertemente calentado y, por tanto, ionizado alrededor de la cápsula de retorno, que protege las señales de radio. Los sistemas de comunicación mejorados de la nave espacial de nueva generación, bien protegidos por ventanas de protección térmica radiopermeables, pueden penetrar el plasma aislante y mantener el contacto con las estaciones terrestres durante todo el descenso.

Mientras que la nave espacial Shenzhou, posee un sistema de escape de lanzamiento que lleva a la nave en situaciones peligrosas antes o durante el lanzamiento en seguridad y permite un aterrizaje en paracaídas, esto no es en lanzadores tipo Changzheng 5 y sus variantes son posibles, ya que se trata de un carenado en el forma de un propio Kármán-Ojiva . En cambio, la nave espacial de nueva generación utiliza los motores del módulo de servicio en caso de emergencia, que se activan después de que el carenado de carga útil se haya abierto por primera vez y el lanzador despegue la nave espacial. El misil tripulado de la nueva generación , que se encuentra actualmente en desarrollo , tampoco tiene un misil de rescate. Esto reduce el peso total de la nave espacial y aumenta su capacidad de carga. En una versión mejorada presentada el 18 de septiembre de 2020 en una conferencia espacial en Fuzhou , la nave espacial tiene cuatro aletas estabilizadoras laterales en el módulo de servicio, similar al CST-100 Starliner de Boeing .

Pruebas

Vuelo de prueba 2016

El 25 de junio de 2016, en el primer vuelo del lanzador Changzheng 7 desde el cosmódromo de Wenchang en Hainan , se puso en órbita un modelo de la nueva cápsula de retorno, de tamaño reducido a 0,63 veces. El modelo tenía una forma cónica con un diámetro de 2,6 m en el extremo ancho, una altura de 2,3 my un peso de 2,6 toneladas. La cápsula constaba de tres componentes:

• Una punta hemisférica con cámara de paracaídas, eyectores de paracaídas, antena de satélite de navegación y antena para comunicación a través del plasma aislante al reingresar.
• Una pared exterior con el escudo térmico ablativo dividida en cuatro paneles , que se pegó a paneles moldeados con una estructura de panal y se atornilló a los puntales de refuerzo de la pared de la cabina real. En el exterior de la pared había pequeños motores para el control de actitud y sensores para el flujo de aire.
• Una placa base de metal, debajo de un sistema de vigas de celosía y debajo del escudo térmico. El equipo de procesamiento de datos, la fuente de alimentación y los dispositivos de medición del flujo de aire se montaron en la placa del piso, dentro de la cabina. Había sensores neumáticos en la parte inferior del escudo térmico.

El objetivo de la prueba era, por un lado, probar el comportamiento de vuelo de la cápsula de retorno cónica cuando reingresaba a la atmósfera (las naves espaciales de Shenzhou utilizan una cápsula de retorno en forma de campana). En el caso de que la cápsula cayera primero a la atmósfera, había un paracaídas de estabilización supersónico que erigiría la cápsula para que pudiera frenar con el extremo ancho provisto para este propósito. También querían probar los materiales utilizados en la construcción de la nueva nave espacial, no solo el ablador de fibra de carbono impregnado de fenol para el escudo térmico, sino también la nueva aleación de la que estaba hecha la cabina. Este material era más resistente y ligero que la aleación de aluminio y magnesio que se utilizaba anteriormente en las naves espaciales . No había sistemas de soporte vital dentro de la cápsula, y numerosos componentes electrónicos para desplegar los paracaídas, etc., se habían retirado de las naves espaciales Shenzhou devueltas y se habían reutilizado después de la inspección.

En este experimento solo se probó la cápsula de retorno. La función del módulo de servicio fue asumida por la etapa superior adicional del lanzador Changzheng 7, conocido como " Yuanzheng 1A ". Esta etapa, impulsada por una mezcla de propulsores hipergólicos , puede, a diferencia de las etapas regulares de cohetes, dispararse varias veces y normalmente se usa para elevar satélites a órbitas más altas. Diez minutos después del despegue a las 8 p.m. hora local, el Yuanzheng-1A con la cápsula de prueba montada en él se separó del lanzador y entró en una órbita cercana a la tierra de 200 × 394 kilómetros, similar a la utilizada en vuelos tripulados. Después de la decimotercera órbita, el 26 de junio de 2016 a las 3:04 p.m. hora de Beijing , el Yuanzheng-1A inició el regreso a la Tierra con un encendido renovado.

La etapa del cohete luego cambió su posición de modo que la parte inferior de la cápsula de retorno se inclinara 50 ° con respecto a la horizontal. A las 3:17 p.m., la cápsula de retorno se separó a una altitud de 170 km del Yuanzheng-1A, que luego se colocó en una órbita segura. La red de estaciones terrestres controladas en este caso desde el cosmódromo de Jiuquan tomó el control de la cápsula. A una altitud de 20 km, se activó el paracaídas de estabilización, lo que llevó la cápsula a la posición correcta. Luego se quitó esto, se activó el paracaídas de frenado, que a su vez sacó el paracaídas principal de su cámara en la parte superior de la cápsula. A las 3:41 p.m., la cápsula de regreso aterrizó, inicialmente sin daños, en el sitio de aterrizaje de Ostwind en el desierto de Badain-Jaran, no lejos del cosmódromo. A las 11 p.m., la cápsula recuperada llegó al cosmódromo de Jiuquan en camión.

Vuelo de prueba 2020

Un primer vuelo de prueba no tripulado de la nave espacial real tuvo lugar en mayo de 2020. Para ello, se utilizó un prototipo de 8,8 m de largo y 21,6 toneladas de la versión del espacio profundo que el 5 de mayo de 2020 a las 18:00 hora local (10:00 UTC ) con la primera copia de la variante del misil Changzheng 5B del satélite Wenchang. Lanzamiento del Centro de lanzamiento se convirtió en. 488 segundos, aproximadamente 8 minutos después del despegue, la nave entró en órbita según lo planeado. Con el fin de obtener la mayor masa de lanzamiento posible para probar el vehículo de lanzamiento, el módulo de servicio de la nave espacial se repostó por completo. Los técnicos del Centro de Control Espacial de Beijing utilizaron este combustible para aumentar gradualmente la órbita de la nave espacial, un poco más con cada órbita, hasta alcanzar una órbita altamente elíptica de 300 × 8000 km. Allí se llevaron a cabo experimentos de ciencia espacial, algunos de los cuales estaban relacionados con la estación espacial proyectada. En un experimento con lubricantes, por ejemplo, se investigó el comportamiento de migración de las partículas de abrasión en condiciones de ingravidez, se probó una Ethernet según el estándar TTE con una velocidad de transmisión de 1000 megabits / s, se probó una impresora 3D para material compuesto de fibra larga , con el que los propios viajeros espaciales deberían poder imprimir sus propios repuestos, así como un dispositivo de seguimiento acústico que ignore los ruidos de fondo y pueda localizar los ruidos - simulados en la cápsula en varios puntos - de un impacto y el aire que se escapa por un posible fuga. El 8 de mayo de 2020, alrededor del mediodía, hora local, el Centro de Control Espacial de Beijing dio los comandos de control para girar hacia la órbita de retorno. A las 12:21 pm la nave espacial completó las maniobras de frenado y alcanzó la órbita de regreso. Una buena hora después, a la 1:33 p.m., la cápsula de retorno se separó del módulo de servicios.

Descenso en dos partes con frenado atmosférico

La estación espacial china , que la nueva nave espacial está destinada inicialmente a abastecer, solo orbitará la Tierra a una altitud de 340 a 450 km. Sin embargo, con un regreso planeado a largo plazo de la luna, la nave espacial caerá sin control desde el punto L ₁ de Lagrange , es decir, desde una altitud de 326.000 km, y llegará allí a una velocidad de 40.320 km / h. Este perfil de misión se probó en 2014 con la sonda Chang'e 5-T1 , pero era mucho más pequeño y simple que la cápsula de retorno de la nueva nave espacial. Ahora, en condiciones realistas, se debe intentar volver a ingresar a la atmósfera terrestre a alta velocidad y en un ángulo de aproximación pronunciado; al separarse del módulo de servicio, la cápsula inicialmente se disparó hacia abajo. Al igual que en 2014, se llevó a cabo un descenso en dos partes con frenado atmosférico , en el que la cápsula de retorno inicialmente solo se sumergió brevemente en la atmósfera alta , ralentizada un poco por la resistencia al flujo de la atmósfera y, después de haber recuperado altitud, de nuevo, ahora a menor velocidad, ya que despegó el reingreso definitivo a la atmósfera. Se produjeron temperaturas de hasta 1000 ° C en el exterior del escudo térmico. A modo de comparación: al volver a entrar en la atmósfera terrestre después de regresar de la luna, el escudo térmico se expone a temperaturas de hasta 3000 ° C.

La cápsula de retorno de la nave espacial de nueva generación es dos veces más pesada que la cápsula Shenzhou , que usa solo un paracaídas de frenado. El paracaídas de Shenzhou ya es uno de los más grandes del mundo y no ha sido posible ampliar más su superficie. Por lo tanto, se eligió una solución con dos en lugar de un paracaídas de estabilización, tres en lugar de un paracaídas principal, y en lugar de los cohetes de frenado, seis airbags dispuestos alrededor del borde exterior de la cápsula. Las bolsas de aire se inflaron a cierta distancia sobre el suelo y, a la 1:49 p.m.hora local, 16 minutos después de separarse del módulo de servicio no reutilizable, la cápsula de retorno aterrizó en el lugar de aterrizaje de Ostwind en el cosmódromo de Jiuquan. Cuando el viento era relativamente fuerte, aterrizó en la superficie plana que se le proporcionó. Después del aterrizaje, la Academia China de Tecnología Espacial describió la nave espacial en un comunicado de prensa como "forma embrionaria", que ahora se desarrollaría aún más en una verdadera nave espacial multipropósito basada en los datos recopilados durante el vuelo de prueba. Para ponerlo en perspectiva: después del primer vuelo de prueba en 1999, se realizaron tres vuelos no tripulados más en la nave espacial Shenzhou, hasta 2003, cuando el Shenzhou 5 se convirtió en el primer chino en despegar al espacio.

La etapa central quemada del lanzador volvió a entrar en la atmósfera el 11 de mayo de 2020 a las 3:33 p.m. UTC después de 102 órbitas sobre la costa atlántica africana sin más intervención del Centro de Control Espacial de Beijing. Con una longitud de 33 my un diámetro de 5 m, esta fue la nave espacial más grande que entró en la atmósfera terrestre desde el accidente de la estación espacial soviética Salyut 7 el 7 de febrero de 1991. En vista del efecto de frenado difícil de predecir ejercido por las capas exteriores de la alta atmósfera en la etapa del cohete, el lugar específico del accidente fue difícil de determinar.

No es posible colocar la órbita de tal manera que se evite el sobrevuelo sobre áreas densamente pobladas, por lo que la etapa del cohete sobrevoló la ciudad de Nueva York unos 15 a 20 minutos antes del accidente . Al final, una pieza de metal de diez metros de largo cayó del cielo en un pueblo de Costa de Marfil .

Cuatro días después, el 15 de mayo de 2020, la cápsula de retorno llegó a la Academia China de Tecnología Espacial en Beijing, donde se examinó por primera vez la integridad estructural de la cápsula. Sin embargo, era igualmente importante comprobar los sistemas electrónicos, la mayoría de los cuales no se encuentran en el módulo de servicio de esta nave espacial, sino en la cápsula de retorno. Las comprobaciones estaban destinadas a determinar si la cápsula utilizada en este vuelo de prueba se puede reutilizar en la siguiente prueba. El 29 de mayo de 2020, se descargaron las 988 cargas útiles que 54 institutos de investigación y 21 empresas privadas habían enviado por nave espacial al Cinturón de Van Allen para exponerlos a condiciones más difíciles de las que eran posibles en los laboratorios espaciales de Tiangong con sus órbitas cercanas a la Tierra. incluyendo numerosas semillas de plantas y microorganismos utilizados para la producción de aceite. Las banderas de los países que volaron fueron entregadas al embajador de Pakistán, la impresora 3D del centro de proyectos y tecnologías para el uso del espacio .

enlaces web

• Video de la apertura y descarga del prototipo el 29 de mayo de 2020 (chino)

Evidencia individual