回首中国载人航天30年，那些鲜为人知的故事
The following article is from 赛先生 Author 庞之浩
引 言
2022年12月4日，神舟十四号乘组安全返回地面，这标志着历时30年的中国载人航天工程终于成了当初制定的“三步走”发展战略的所有任务，成功建造了世界一流的大型空间站“天宫”。然而，在这些辉煌的背后充满了艰辛，有许多可歌可泣的故事，中国航天人在这一极具挑战的领域付出了巨大的心血和智慧。
今天，谨以此文，纪念中国载人航天那些“雄关漫道真如铁”的故事。
撰 文 | 庞之浩
方案之争
首先说说中国载人航天工程发展战略制定，这要从1986年起我国开始实施“863”计划谈起，因为它对我国如何发展载人航天技术有直接影响。
至今，人类共研制了两大类载人航天器，一大类是作为交通工具的宇宙飞船和航天飞机，其优点是可以天地往返，但体积小，运行时间短；另一大类是作为科研基地的空间站，其优点是体积大、寿命长和功能强，但不能进行天地往返。所以，空间站是开发太空资源的理想平台，但在建造空间站之前必须先突破和掌握载人天地往返运输技术，即研制出载人飞船或航天飞机。
为此，1986年11月中央下发了《高技术研究发展计划（“863”计划）纲要》。该纲要共列了七个发展领域，其中第二个便是航天技术领域（简称863-2），并规定了研究的两个主题项目，一是大型运载火箭及天地往返运输系统，二是空间站系统及其应用。
1987年4月，原国防科工委组织了“863”国家高技术航天领域专家委员会，成立了“863计划航天技术专家委员会”和两个主题项目专家组（分别简称863-204和863-205专家组），负责提出我国载人航天技术的发展途径和总体方案。
1987年4月，863-204专家组提出以招标方式选择在技术方面有优势的单位进行载人航天技术的概念研究和方案论证工作。在不到两个月的时间里，全国60多个单位一共提出了11种可供选择的技术方案，专家组经过筛选，确定对其中的5种方案进行进一步论证。在这5种方案中，有4种都是航天飞机方案，这是因为当时美国航天飞机“看起来很美”，例如，运载能力大，可载7至8人，还能携带30吨货物上天；可以部分重复使用，所以能大大降低成本；可靠性也比载人飞船高，因为航天飞机是在固定机场水平着陆，比载人飞船返回舱垂直着陆在某一区域似乎更安全。所以，刚开始有不少专家认为，要研制就研制最先进的载人天地往返运输器——航天飞机。为此，有以下4种航天飞机方案呼声较高。
※ 一是航天一院一部提出的天骄号小型航天飞机方案。其轨道器类似于美国航天飞机的缩小版，但是不带入轨时使用的主发动机，轨道器靠运载火箭送入轨道，后靠制动火箭返回，在大气层中滑翔后，像飞机一样在地面上着陆。其研制周期估计要15年。
天骄号小型航天飞机方案示意图
※ 二是航天八院805所和航空部640所共同提出的长城一号航天飞机方案。这是一种两级航天飞机的方案，其第一级由火箭组成，第二级是一台带主发动机的火箭飞机。它采用垂直起飞方式，从轨道上返回后以水平方式着陆，第二级火箭飞机可以重复使用。其研制周期大约需要20年。
※三是航天部北京11所提出的两级火箭飞机方案。这是一种一级和二级火箭飞机并联组合的方案。由于其第一级火箭飞机在完成助推任务后可以滑翔方式飞回地面，因此两级火箭飞机都能够重复使用。其研制周期预计需要25年。
两级火箭飞机方案
※ 四是航空部601所提出了H-2空天飞机方案。这是一种完全重复使用的方案，可以像飞机一样水平起落，在地面和地球轨道之间往返飞行。其研制难度更大。
空天飞机方案示意图
只有航天五院508所提出了载人飞船方案。这个方案是用火箭把飞船送入轨道，飞船靠制动火箭从轨道返回大气层，最后用降落伞着陆，类似于苏联的联盟号飞船。它在研制时间上能够保证在21世纪初期投入使用，研制费用在5种方案中也是最低的。根据我国的国情，基于在很长一段时间内载人航天运输任务的规模不会很大的判断，采用一次性使用的载人飞船方案在投资效益上比可重复使用的方案要好。载人飞船还可以为今后发展重复使用运输器起到技术探路的作用。空间站建成后，载人飞船还可作为救生船，长期停靠在空间站上。
“两弹一星”功勋科学家王希季院士手稿：五院承制飞船条件
当时著名的航天专家王希季就认为，美国航天飞机采用人货混装的方式，这样既不经济，也不安全，没有发展前景。其实，载人飞船和航天飞机两者最显著的不同，就是载人飞船没有机翼，升力小，采用半弹道式方法返回，气动力过载和落地误差都较大，只能在海面溅落或在荒原上径直着陆。所以载人飞船对航天员的要求很高，需长期训练。但正是由于载人飞船没有“翅膀”，结构相对简单，无需复杂的空气动力控制面，也没有着陆机构及相关装置，因此其可靠性和安全性较高，成本也低许多。
科学决策
中国载人航天发展的第一步怎么走，起点多高，与后续发展如何衔接这个看似简单的问题，却让中国的航天专家们苦苦思考和争论了将近4年之久。发展途径的选择不仅是个技术问题，而且涉及到国家财力、综合国力、人才培养和国际影响力，等等。
据悉，1989年，有一个论证组曾致函当时的航空航天部，认为搞飞船做一个扔一个，不但不能争光，还给国家抹黑，而航天飞机代表了国际航天发展潮流。航空航天部请示已退居二线的钱学森院士，钱老建议应将飞船方案也报中央。
钱学森当时倾向于载人飞船的技术方案。他认为，中国还是一个发展中国家，载人飞船是一种经济、技术难度都不很大的运输器，而且中国已经熟练掌握返回式卫星的回收技术，可用于载人飞船返回舱的回收，所以研制载人飞船符合中国的国情。可以用简单的办法走一段路，以保持中国在载人航天领域的发言权。
这一年，在北京市阜成路8号的航天大院里，航空航天部召开了载人飞船与小型航天飞机比较论证会。经过长时间的讨论，慢慢地，支持载人飞船方案的方阵赢得了越来越多的支持。著名航天专家任新民最初也倾向于航天飞机，但经过两三年的思考和探讨后，开始倾向于载人飞船，他认为航天飞机的造价和运行成本太高了，另外，载人飞船的安全性更可靠。
经过长时间的分析和思考，评判的天秤渐渐地向“飞船起步”倾斜。1989年7月，863-204专家组完成了《大型运载火箭及天地往返运输系统可行性及概念研究综合报告》。该报告提出充分利用我国返回式卫星回收技术，以较少的经费和较短的周期（在2000年左右）研制出初期的天地往返运输系统——多用途飞船，使得我国尽快突破载人航天技术，解决有无问题，满足初期空间应用的需要。
1989年7月20日，国家计委领导到508所了解情况，落实飞船论证组论证任务
1990年5月，863-2专家委员会最终确定了“投资较小，风险也小，把握较大”的载人飞船方案，即利用我国现有的长征二号E运载火箭进行改进，发射一次性使用的载人飞船，作为突破我国载人航天的第一步。
1991年6月，863-2专家委员会正式提出了《关于发展我国载人航天的意见》，其中包括：载人飞船工程的四大任务和七个系统；工程研制的经费、进度和组织实施的建议；等等。至此，我国载人航天以飞船起步的发展途径取得了专家们的一致同意。
实践证明，我国载人航天工程从载人飞船起步的决策是非常科学并符合我国国情的，它使我国载人航天发展少走了一大段弯路，节省了一大笔资金。当时，其实好几个国家都曾研制航天飞机，但只有美国航天飞机投入了实用。美国一共研制了6架航天飞机，发射了5架，飞行了135架次，但损失了2架，牺牲了14名航天员，耗资2000亿美元，相当于每次发射的成本达10多亿美元。结果美国也不得不承认航天飞机既贵、又不安全，最后只能让航天飞机于2011年提前退役，并重新开始研制新型载人飞船了。
1992年8月1日，李鹏总理召开中央专委会，听取了可行性论证情况的汇报。与会者一致同意论证组提出的中国载人航天分三步走的意见。1992年8月25日，中央专委向党中央、国务院、中央军委呈上了《关于开展我国载人飞船工程研制的请示》，在该请示中建议我国载人航天工程计划分三步走，并且建议第一艘无人飞船要争取1998年、确保1999年首飞。
1992年9月21日，江泽民总书记主持召开中共中央政治局第十三届常委会第195次会议。会议听取了原国防科工委和航空航天部的汇报，并审议中央专委提交的《关于开展我国载人飞船工程研制的请示》。该会议正式批准中国载人飞船工程立项上马。在这次会议上，江总书记明确指出，要下决心搞载人航天，这对我国的政治、经济、科技等都有重要意义。中国载人航天，由此掀开了崭新的一页。
当载人航天工程正式启动后，以江泽民同志为核心的党的第三代领导集体，对其倾注了满腔的热忱和无限的关爱。江总书记对载人航天工程多次作出重要指示，提出了“一丝不苟，分秒不差”的八字方针。江总书记明确指示，载人航天工程系统复杂，协作要求高，要全国一盘棋，统一指挥，大力协同。在载人航天工程立项初期，江泽民同志曾题词：“发展载人航天 开发空间资源”。
当得知我国载人航天工程前期准备工作连获喜讯时，江总书记十分欣慰，亲笔为正在制造的第一艘试验飞船题名：“神舟”。在1998年11月视察北京航天城时，江泽民同志说：“就是前几天，你们让我写飞船的名字‘神舟’，就赶紧写了。虽然字写得不好，但有一个愿望实现了，就是将来能跟你们一起上天了。”2002年3月，江泽民同志为长征二号F运载火箭题名“神箭”。
飞船构型
现在，大家都知道，我国“神舟”飞船采用三舱式构型，即返回舱居中、轨道舱在前、推进舱在后的三舱串联模式。但是，在刚开始时曾提出过多种载人飞船方案。“神舟”飞船的构型是由它所承担的任务决定的。当时中国载人飞船工程的任务是在确保安全可靠的前提下，要完成以下四项基本任务：突破载人航天基本技术；进行空间对地观测、空间科学和技术实验；提供初期的天地往返运输器；为载人空间站工程大系统积累经验。
刚开始我国载人飞船也有多种方案：A. 轨道舱留轨方案；B. 柔性通道方案；C. 硬通道方案；D. 大底开口方案；E. 在轨旋转方案
研制根据上述任务，在载人飞船立项论证中最后形成了三种方案：一是返回舱在前端的由返回舱、轨道舱、推进舱组成的三舱方案；二是返回舱在前端的由返回舱、推进舱组成的两舱方案；三是返回舱居中的由轨道舱、返回舱、推进舱组成的三舱方案，即目前“神舟”的方案。
后经过论证认为：虽然方案一和方案二有利于发射段的大气层内救生，即在发射段进行大气层内应急救生时，位于飞船前端的返回舱可少分离一次，由逃逸飞行器直接带走，但方案一有明显的缺陷：航天员要从返回舱进入轨道舱很麻烦，需要在返回舱大底开口或另外建立通道才行，这样会降低了返回舱的防热性能和在轨密封的可靠性，例如，若在返回舱大底开口，返回舱在返回再入大气层时就很危险。方案二的不足是没有轨道舱，需将食物、饮水和实验设备等放在返回舱里，这样就要求把返回舱的直径设计的更大，然而用当时的技术难以保证大直径返回舱安全回收着陆。载人飞船返回时，为减速、防热及结构，其返回舱的质量越小越好，这也是载人飞船采用分舱式设计原因。因此，方案二也不行。经过综合考虑，方案三是最佳的，它可在确保安全、可靠前提下能较好完成预定的四项基本任务。
返回舱的外形设计也很重要，通常采用无翼的大钝头旋转体，目前有球形，有漏斗形，有钟形等。“神舟”飞船返回舱采用结构简单、易于实现的钟形。不过，我国正在研制的新一代载人飞船的返回舱采用流畅的倒锥型钝头体气动外形。这是因为采用倒锥型外形空气升力更大，能在高速返回时依靠空气阻力减速，使飞船可以更加平稳、精准地落地。另外，新一代载人飞船采用两舱构型，但直径比“神舟”大，目的是把内部加压空间都集中在一个舱段内，以便明显增加航天员的舒适度，多搭乘航天员，降低成本，提高可靠性。其原因除了有返回舱外形改变以外，还由于其返回舱防热结构采用了耐烧蚀的新型轻质防热材料，它在重量比“神舟”的降低超过30%的基础上，防热效率还是“神舟”的3倍。另外，新一代载人飞船的返回舱在返回时采用群伞气动减速和气囊着陆缓冲技术，所以可将重约6吨的返回舱速度由近200米/秒平稳减速至零。
其实，在研制和发射“神舟”系列载人飞船的过程中，并不是一帆风顺的，经常遇到意外的问题需要解决，其中有些是鲜为人知的。例如：航天员座椅缓冲装置是作为返回舱落地前反推发动机点火反推的备份。由于神舟一号到神舟四号飞船不载人，其座椅缓冲装置的缓冲性能未得到太大的关注。神舟五号载人飞船发射之前，飞船专家发现座椅缓冲装置采用的拉刀式缓冲方案不能满足航天员安全所需的指标要求，过载较大，这时离计划发射神舟五号的时间已不足3个月了。为了确保航天员的绝对安全，有关领导毅然决定更改方案，采用性能更好的胀环式缓冲方案。经过航天五院专家49天的拼搏，终于在2003年9 月15日通过了评审，准时送到发射场进行了更换，并成功地经受了飞行考验。
再举一个例子。2005年10月17日，神舟6号飞船的返回舱安全着陆，实际着陆点距离瞄准的理论着陆点仅偏差1.7千米。它为什么着陆地这么准呢？一个重要原因是航天五院502所的专家采用了一项控制返回舱着陆点的“风修正技术”。简单的说就是返回舱上的制导导航和控制分系统可根据当时着陆场上空的风速大小和方向，来控制返回舱的开伞时间，这就大大消除高度为10千米以下风场对返回舱着陆点的影响。
目前有两种主要的返回制导方法，一种是基于标准弹道的返回制导方法，即按照事先计算好的路径，偏离了就修正；另一种则是基于落点预报的返回制导方法，即始终瞄准终点进行全局性调整。我国从神舟十二号起到神舟十四号，都采用第二种进行近地轨道高速直接式再入返回，并都以高精度再入返回的佳绩实证了我国自适应预测制导方法的稳健性与成熟性。第二种方法比第一种方法更加灵活、精度更高、适应性更好，自适应预测制导性能非常好，代表了国际先进技术的发展趋势。502所研发的预测制导的自适应控制方案，还能够使飞船返回过程中经历“黑障”区时可辨识空间环境对它的影响，实时制定出新的升力控制的策略，从而可保证返回舱着陆的精度和整个过程的安全性。
啃硬骨头
空间交会对接技术是载人航天活动中公认的难题，尤其是控制参数的设计更是难中之难。我国第一次空间交会对接是神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器对接，但鲜为人知的是，在它们对接的前一天，航天五院502所解永春团队的方案才获得专家评审通过。
2011年年初，神舟八号交会对接任务已进入倒计时。但恰在此时，随着仿真试验的进程，交会对接控制系统的技术问题不断暴露出来。在一次测试试验中，飞船姿态控制出现了振荡现象。当时，飞船的控制参数纯靠人的经验用手工进行调试，参数确定了之后，还得进行大量的打靶仿真。仿真试验是航天器上天的通行证，打靶必须每次都通过，才能确保交会对接万无一失。但当时解永春团队在针对太空恶劣工况的打靶仿真中，做了近千次的试验，有几次通不过。
在交会对接技术研制过程中，吴宏鑫院士是技术指导专家。吴院士鼓励解永春把她博士论文中的“黄金分割系数”理论应用到飞船控制参数设计上。但眼看着离发射日期越来越近，解永春团队打靶依然没有过关，上级领导把吴院士找来坐镇指挥。吴宏鑫院士私下里让他的一个硕士生做了仿真试验，看看究竟问题出在哪里，结果表明，这个理论方法是对的。
当时，离神舟八号第一次交会对接只有两天时间了。有的领导提出，仿真试验再不通过就换人。吴宏鑫院士说，不能换人，我相信解永春是能够做出来的，做不出来我负责。解永春说，恰恰是在吴院士狠狠批评她之后的那天晚上，就想出了很好的办法。2011年10月31日，就在神舟八号飞船发射的前一天，解永春的参数设计方案通过了专家组评审。
其实，在载人航天技术中还有不少奥秘。例如，载人飞船返回舱再入大气层时，航天员是坐在“倒座”上，即航天员乘坐的座椅方向是与飞船的飞行方向相反的。这是为什么呢？这是因为返回舱在再入过程中一直处于“刹车”减速状态，采用“倒座”可以使航天员的头部和上身紧压在带有赋形坐垫的座椅靠背上，这样航天员能承受较大的过载。
另外，返回舱回收着陆时采用多级开伞方式，这又是为什么呢？这是为了降低开伞对航天员和降落伞装置结构的冲击载荷，如果直接打开主伞，主伞会因为下降速度太快被空气崩破。航天五院508所设计师们为飞船量身定制了一套三级开伞程序，它先打开两个伞衣面积为24平方米的串联引导伞，再由引导伞拉出一顶减速伞，减速伞先呈半张满状态，经8秒时间的减速后，解除收口状态，然后完全张满。减速伞工作一段时间后与返回舱分离，同时拉出1200平方米的主伞，主降落伞也同样先采取收口措施，分两次展开。这样，可使降落伞各级开伞过载均控制在5g以下，最终把返回舱的速度减至5～6米/秒。这一系列动作可成功将飞船返回舱从高铁的速度降到普通人跑步的速度，保证整个开伞过程的过载处于航天员体感可承受的范围。航天员也正因为感受到这一连贯动作的晃动，才能确认回收系统工作正常。
返回舱的伞衣先呈半张满状态
还有一件鲜为人知的事。我国载人航天着陆场的选择是从1992年3月到1996年10月期间进行的，最后终于选出了符合中国国情的载人航天着陆场，但其过程比较曲折。
1993年2月12日，着陆场系统方案组召开了第一次会议。根据“神舟”飞船的轨道倾角，最初飞船主着陆址选在中原开封至驻马店以东长约200千米，宽约100千米的地区内。在评审会上，这个方案得到了有七八个院士参加的评审组专家的认可。
后来经过多次研究论证，着陆场的“四项基本原则”出炉：一是着陆场的位置应选择在飞船飞行地面轨迹尽可能多次通过，或利用返回舱在大气层飞行所具有的横向机动能力使其可达到的地区；二是场地要大，既可以满足返回舱正常着陆，又要考虑应急降落或降落出现一些偏差时返回舱也能落在着陆场中的因素；地势平缓，三是大的斜坡不应超过15°，无高山沟壑，少高大树木，地表足够坚硬，最好没有大型工业设施、铁路、高压线、大水库、居民区；四是雷电、大风、冰雹少，云层高度比较适宜，能见度好。
在多轮讨论后，专家的目光又落在了我国中北部的开阔草原。为了探明这里作为飞船返回舱主着陆场的可行性，科研人员数次进入草原大漠，踏遍了那里的土地，以科学、翔实的资料论证了着陆的可行性。我国最终选择了内蒙中部四子王旗地区作为主着陆场。考虑到气象相关性小、地势平坦开阔、返回机会多、测控设备可充分利用等因素，我国选择了距离主着陆场1000千米的酒泉卫星发射中心东南部地区为副着陆场，也叫东风着陆场。
中国载人航天的有趣故事数不胜数，但由于篇幅有限，这里只能挂一漏万、点到为止了。从明年起，我国空间站将进入到为期至少10年的发展与应用阶段，将有望取得具有重大科学价值的研究成果和有重大战略意义的应用成果。雄关漫道真如铁，而今迈步从头越。中国载人航天永远值得期待。
制版编辑 | Livan
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