我国神舟系列飞船的转型

2018-01-27 杨华星高莉等 中国物理学会期刊网

神舟系列飞船是中国自行研制，具有完全自主知识产权，达到或优于国际第三代载人飞船技术的飞船，采用富有创意的轨道舱留轨技术，具有起点高、具备留轨利用能力等特点。2016年，神舟十一号载人飞船圆满完成了33天在轨飞行试验，标志着我国载人飞船已经从研制初期的基本型飞船转变成为能适应多种在轨科学实验、多人天地往返的实用型飞船。

| 作者：杨华星高莉赵金才

中国最早进行载人航天工程的研究可以追溯到1960年代初。当时，国防部第五研究院院长钱学森就提出，中国要搞载人航天。1966年3月底，在国防科委的组织下，研制宇宙飞船的规划被提上日程。1970年7月，毛主席亲自批复了我国发展载人航天技术的报告。1971年4月，80多家单位、400多名航天专家云集北京，对发展我国载人航天技术问题进行了深入讨论，进一步明确了我国载人航天工程的发展设想。载人航天工程立项，国家将这个项目命名为“714工程”，时任国防科委副主任的钱学森将飞船命名为“曙光一号”，计划在1973年底发射升空。但是，在那个经济困难的“动乱时期”，该项目在开展了一段时间后，无论是在科研队伍、经验方面，还是在综合国力、工业基础方面都存在一定的困难，实施载人航天工程的条件还不具备，国家拿不出更多的钱来支持和发展载人航天事业。最终只能 “把载人航天的事暂停一下，先处理地球上的事”。1975年3月，国防科委正式宣布“曙光号”载人工程计划暂停。^[1]

尽管“714工程”未成功，但中国的空间技术在此后取得了长足的发展，并具备了返回式卫星、气象卫星、资源卫星、通信卫星等各种应用卫星的研制和发射能力。1986年3月3日，王淦昌、陈芳允、杨嘉墀、王大珩四位科学家联名向中共中央呈报了一份《关于跟踪世界战略性高技术发展》的建议。在此后的半年时间里，经过广泛、全面和极为严格的科学和技术论证后，中共中央、国务院批准了《高技术研究发展计划（863计划）纲要》。“863计划”的实施，使我国载人航天研究重新列入国家重点发展计划。1992年9月21日，中共中央政治局十三届常委会第195次会议讨论通过《中央专委关于开展我国载人飞船工程研制的请示》，正式批准实施我国载人航天工程，简称“921工程”，发射场定在酒泉卫星发射中心。^[2]

基本型载人飞船的起步

“921工程”初期，我国试验飞船几经论证，决定利用留轨技术开展各类科学实验，并明确了基本型载人飞船采用三舱模式，即轨道舱、返回舱、推进舱三舱构型。通过更换个别子系统或舱段功能，可满足不同飞行任务需求，实现“一船多用”。根据“三步走”的规划，我国载人航天工程将建造长期有人照看的空间站，为此必须突破和掌握交会对接技术。1994年，我国启动了对接机构预先研究工作，与载人飞船研制同步进行。

飞船轨道舱被称为“多功能舱”。航天员除了飞船发射升空和返回时在返回舱以外，在轨驻留期间都在轨道舱里。轨道舱集工作、餐饮、睡眠和卫生清洁等诸多功能于一体。舱内除备有食物、饮水和大小便收集器等生活装置外，还有空间应用和科学试验用的仪器设备。为了使轨道舱留轨实验期间依然能获得足够的电力，轨道舱的两侧安装了太阳能电池板翼，可提供整舱500瓦以上的电力。舱门上方有轨道舱的观察窗，便于航天员在轨观察。轨道舱留轨利用是中国飞船的一大特色，俄罗斯和美国飞船的轨道舱与返回舱分离后，一般是废弃不用的。

飞船返回舱又称为座舱，是航天员的“驾驶室”，是航天员往返太空时必须乘坐的舱段，整体为密闭结构，前端有舱门。飞船发射前，航天员从轨道舱的侧门进入，通过轨道舱与返回舱之间的通道进入返回舱。返回舱呈钟形，设计额定3名航天员在起飞、上升和返回阶段乘坐。轨道舱和返回舱均是密闭的舱段，内有环境控制和生命保障系统，确保舱内充满一个大气压力的氧氮混合气体，并将温度和湿度调节到人体适宜的范围，确保航天员在整个飞行任务过程中的生命安全。返回舱的底座重量轻且十分坚固，采用金属架层密封耐热烧蚀结构，确保返回舱返回地面进入大气层时不被高温烧毁。

飞船推进舱又称为仪器舱，安装了推进系统、电源和供配电系统、轨道制动等设备。推进舱上装有的一对太阳能电池翼可光伏发电并具备对日定向功能，整船发电能力满足1500瓦供电需求，发电量是联盟号的三倍。推进舱的尾部是飞船的推进系统。主推进系统由4台2500牛双组元轨控发动机组成，它们位于推进舱底部正中。在推进舱侧裙内四周又分别布置了8台150牛姿控发动机和16台25牛小姿控发动机。

飞船附加段也称为过渡段，里面主要是用于交会对接的对接机构。在载人飞行及交会对接前，还可装有用于空间探测的各种科学仪器，如神舟二号飞船附加段安装了三个相互垂直并可伸出的天线。

经过7年的论证、攻关、研制和试验，最终确定了基本型载人飞船的总体参数和技术指标。1999年11月20日6时30分，中国第一艘试验飞船神舟一号发射升空，飞船在轨正常运行1天后（绕地球约14圈），安全着陆于内蒙古预定区域。神舟一号试验飞船的成功发射和返回，实现了空间往返的重大突破，是中国航天史上的重要里程碑。根据载人飞行任务风险控制的原则，要求连续三艘无人试验飞船成功完成飞行任务，才能载人飞行。为此，载人航天工程从2000年至2002年先后发射神舟二号、神舟三号、神舟四号三艘无人试验飞船，并在完成各项试验和技术验证后对载人飞行任务进行风险评估，最终确认神舟五号飞船执行我国首次载人飞行。

基本型载人飞船的技术改进与突破

神舟二号试验飞船示意图

基本型载人飞船神舟六号示意图

神舟一号无人试验飞船着重考核了整个载人航天工程总体设计方案的可行性，特别是验证了飞船系统的舱段分离、调姿制动、升力控制、防热、回收着陆等5大关键技术 ^[3]。这是神舟系列飞船的第一次飞行试验，飞船由地面试验用的电性能试验飞船改装而成，采用了最低配置，仅装配了确保飞船成功返回、准确着陆的八个分系统，有效载荷、乘员、仪表照明三个分系统只是部分设备参加了试验，涉及航天员安全的应急救生分系统没有参加试验。飞船的轨道舱没有进行留轨试验，留轨电源的太阳能电池翼是结构件。

神舟二号飞船是我国第一艘按载人飞行要求而采用全系统配置的正样无人试验飞船，可开展留轨科学实验，飞船的轨道舱上安装有附加段。与神舟一号试验飞船相比，神舟二号飞船的系统结构有了新的扩展，技术性能有了新提高，飞船技术状态与载人飞船基本一致。整船高约8米，起飞质量约8吨，额定乘员3名。神舟二号针对神舟一号飞船在舱内环境控制、系统配合等方面存在的不足做了改进。其任务是重点考核环境控制与生命保障、应急救生两个分系统的功能，进一步检验飞船系统与其他系统的协调性。轨道舱在主任务完成后继续留轨开展大量的科学试验，这在国际上是史无前例的，为我国多个科学技术领域提供了难得的在轨验证条件。

神舟三号飞船的任务是优化性能，增加载人有关设备，进一步完善航天员安全措施。飞船上装有的人体代谢模拟装置、拟人生理信号设备以及形体假人，能够定量模拟航天员在太空中的重要生理活动参数。经飞行试验，生理信号和代谢指标参数正常，验证了与载人飞行直接相关的座舱内环境控制和生命保障系统。神舟三号进行空间试验的有效载荷达44件之多，包括卷云探测仪、中分辨率成像光谱仪、地球辐射收支仪、太阳紫外线光谱监视仪、太阳常数监测仪器、大气密度探测器、大气成分探测器、飞船轨道舱窗口组件、细胞生物反应器、多任务位空间晶体生长炉、空间蛋白质结晶装置、固体径迹探测器、微重力测量仪、有效载荷公用设备等。

神舟四号飞船完善了应急救生系统功能，增加了航天员手动控制系统，增强了整船偏航机动能力。同时，设计人员充分考虑航天员座椅使用、出舱进舱、操作是否方便舒适等因素，改善了舱内载人环境，并全面通过医学和工效学评价标准的考核，为航天员创造出安全舒适的工作与生活环境。

从神舟一号到神舟四号，我国无人试验飞船完成了载人飞行前的各项技术验证，逐一解决每次飞行任务发现的问题，各项技术不断完善改进，直至最后一艘无人试验飞船神舟四号的配置、功能和技术状态与载人飞船完全一致。此后在神舟四号飞船的基础上，设计人员对航天员乘坐座椅的安全性和舒适性作了进一步改进和完善，同时设置了多种安全救生模式和约100种故障对策方案，确保了航天员的安全。

2003年10月15日9时整，我国第一艘载人试验飞船神舟五号发射圆满成功。飞船被送入近地点200公里，远地点350公里的椭圆轨道，初始轨道倾角42.4°。飞船实施变轨后，进入距地面343公里的圆轨道。神舟五号在轨运行1天后，于2003年10月16日安全着陆在内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗北部红格尔苏木草场，航天员杨利伟健康地走出返回舱。神舟五号任务的顺利完成标志着中国首次载人航天飞行试验获得圆满成功，中国成为世界上第三个掌握了载人航天技术的国家。神舟五号最大限度地减少了返回舱内的实验项目及仪器，留出更多空间供航天员活动和执行科学观察任务，此次任务主要是考察航天员在太空环境中的适应性，并对我国航天员在轨工作的心理状态进行了初步研究。航天员杨利伟在轨状态出色，超出了飞行任务前的预期，尤其是短期封闭环境对航天员心理的影响为后续的多人多天任务提供了宝贵的飞行数据。为此，设计了可缓解狭小环境的枯燥及社会隔离感的心理支持模式，甚至在后续的飞船中增加了电子邮件、上传新闻娱乐等心理健康保障措施。

基本型飞船从无人飞船到载人飞船取得突破的技术主要有7项。

返回再入升力控制技术为提高返回舱的落点精度、保证落点调整能力和降低返回再入过载，神舟飞船首次使用了不同于弹道返回式卫星的升力控制技术。

环境控制与生命保障技术为保证航天员在空间生存和生活，飞船具备特有的环境控制和生命保障功能，保证航天员从发射前进入座舱起到着陆后离开座舱的全任务期间，座舱内环境适合于航天员生存。

着陆缓冲技术飞船单独配置了着陆缓冲发动机、座椅缓冲器等设备。正常情况下，着陆缓冲发动机可将返回舱的降落速度降为2米/秒以下，保证着陆过载不超过4克。

应急救生技术飞船设置有独立的救生措施，配备了应急救生系统。救生技术包括发射段逃逸救生技术和在轨段逃逸救生技术。在轨飞行阶段，飞船具备在地面支持和航天员参与下应急返回和自主应急返回地面的功能。

回收着陆技术飞船在返回式卫星基础上，能适应返回舱在应急返回和发射段各种逃逸救生状态下的要求。飞船采用降落伞和着陆缓冲发动机软着陆，能够在平均风速不大于15米/秒的条件下正常着陆。

整船热控和再入防热技术为适应在轨运行和返回过程中内、外热负荷变化的能力，飞船采用主动热控手段和烧蚀防热技术。

完备的测控通信技术以S波段（1.55~3.4吉赫）为主，甚高频（VHF，30~300兆赫）、高频（HF，3~30兆赫）、C波段（4.0~8.0吉赫）为辅的多种传输信道相互备份。国内首次实现了测距、话音传输等多功能综合应用。^[4]

实现了多人多天航天飞行的神舟六号飞船有着灵活变化的特点，通过配置调整，航天员首次进入轨道舱并参与了有效载荷的科学实验。神舟六号任务的圆满完成标志了我国真正有人参与的航天活动开始，我国载人航天工程第二步工作开启。作为最后一艘留轨实验的基本型飞船，其轨道舱创记录地在轨运行707天（设计寿命180天），完成了大量在轨试验和对地观测任务。

适应载人空间站的完美转型

出舱型载人飞船神舟七号示意图

改进型标准载人飞船神舟八号示意图

太阳能电池板示意图

根据中国载人航天“三步走”发展战略方针，中国将建造长期有人照看的载人空间站。为此，基本型载人飞船需要转型，满足航天员出舱太空行走和空间交会对接的需求。

神舟七号飞船是第一艘出舱活动作业的载人飞船，其轨道舱增加了气闸舱功能，实现了3人满额空间飞行，并突破出舱活动技术。2008年9月27日，16时41分，神舟七号载人飞船指挥长翟志刚在航天员刘伯明、景海鹏的协助和配合下，身着我国自主研发的“飞天”舱外航天服顺利出舱，实施中国首次空间出舱太空行走活动。

突破出舱活动技术是我国载人航天发展规划第二步第一阶段的两大目标之一。舱外航天服能够支持舱载和自主两种工作模式，具备压力防护、热防护、工效保障、服内环控和生命保障，以及无线通信等功能 ^[5]。神舟七号同时验证了天基通信技术，实现了中继高速数据传输，提高测控与通信覆盖率。它首次在轨释放了科学实验微小卫星并获得了载人飞船在轨飞行全景图像和视频；开展了特殊材料在轨暴露实验，航天员出舱后将材料带回飞船，返回地面后对其进行检测，验证了特殊材料耐空间环境效应的能力。在伴飞卫星上首次应用神舟八号飞船和货运飞船将使用的高效太阳能电池、锂离子电池等关键产品。飞行结果表明，基本型飞船已成功转变为出舱型载人飞船，实现了“神舟”系列载人飞船“一船多型”和“一船多用”的技术跨越。此外，以泄复压系统、舱外服支持系统为代表的一大批新技术成果和工程经验可应用于我国空间站研制。^[6]

神舟八号飞船是第一艘空间交会对接飞船，原来的轨道舱附加段变成前期同步研制的导向瓣内翻的异体同构周边式主动对接机构，原来的有效载荷分系统变为对接机构分系统，返回舱增加了手控交会对接控制功能，推进舱增加了平移发动机。神舟八号在前期具备57天自主飞行能力的基础上，已具备停靠180天的能力。飞船采用神舟七号微小卫星在轨应用——磷化镓铟/砷化镓/锗（GaInP2/GaAs/Ge）太阳能电池，发电能力提高了50%。飞船的降落伞系统和着陆缓冲系统也进行了改进。至此，基本型飞船转变成为改进型标准载人飞船，具备了与目标飞行器（天宫一号）交会对接和天地往返运输的能力。

载人飞船在转型的过程中，解决了多个领域的众多技术难题，例如对接机构分系统。对接机构分系统结构复杂，主被动对接机构主要有5个控制单机，18个用来执行指令产生动力的电机和电磁拖动机构，118个测量动作、位置、温度的传感器，291个传递力齿轮，759个轴承组合，11 000个紧固件，数以万计的导线、接插件以及密封圈、吸收撞击能量的材料、热控材料等，整个系统的技术攻关和研制周期长达16年。

从2011年到2013年，神舟八号、神舟九号和神舟十号飞船先后与天宫一号目标飞行器完成6次交会对接任务。神舟九号和神舟十号完成的载人交会对接任务，标志着改进型标准载人飞船与运载火箭等系统已构建成功能完备的载人天地往返运输系统。

为适应空间站长期多轮载人天地往返需求，神舟十一号飞船在神舟十号飞船的基础上，完成了多项技术改进。例如，原先采用的电荷耦合器件（CCD）成像敏感器改为识别目标敏感度更高的光腔衰荡光谱（CRDS）光学敏感成像传感器；舱内配置优化可以储备更多的食物、饮水，满足长期驻留需求；热控优化改进消除了由于返回舱组合体连续偏航引起的温度过低、设备结露的风险。光伏发电系统的太阳能电池翼的结构材料，原先选用的是进口的碳纤维复合材料，因碳纤维复合材料遭到禁运，随即开展国产化技术攻关。先后进行了力学、真空热试验等多项鉴定试验，历时3年，研制出适用于载人飞船的刚性基板，彻底解决未来空间站和载人飞船太阳能电池翼的材料来源问题。

神舟十一号载人飞船与空间实验室对接的轨道高度变成393公里。任务期间，进行了4项在轨试验，包括宽波束中继在轨测试、变轨控制测试、太阳能电池翼偏置角跟踪太阳、微生物控制等适应空间站人员物资天地往返运输的验证试验。神舟十一号飞船的2名航天员在轨驻留达到33天，比神舟十号在轨的15天增加了一倍多。飞船在驻留、应急、返回方面的保障能力比以往飞船更强，飞行结果表明，改进型标准飞船已经过渡成为应用型标准飞船，实现了适应空间站任务的转型。

杨华星，高级工程师；高莉，工程师；赵金才，研究员：上海宇航系统工程研究所，上海201109。

Yang Huaxing, Senior Engineer; Gaoli, Engineer; Zhao Jincai, Research Professor: Shanghai Aerospace System Engineering Research Institute, Shanghai 201109.

朱增良. 飞天梦圆. 北京：华艺出版社，2003: 200.
孙占鳌. 中国航天诗史. 发展，2013（8）: 51-53.
张柏楠, 戚发轫. 中国载人航天技术的历史性跨越. 航天器工程，2008, 17（5）: 5.
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关键词：神舟系列飞船载人航天留轨试验载人空间站 ■

本文刊载于《科学》杂志2017年第6期。

本文经授权转载自《科学杂志1915》微信公众号

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