中國航天60周年（三）：載人航天鑄輝煌

中國航天60周年（三）：載人航天鑄輝煌

2016年，我國載人航天活動又進(jìn)入了高峰期。9月15日，天宮-2空間實(shí)驗室順利升空，10月17日又成功發(fā)射了神舟-11載人飛船。2017年4月，還將發(fā)射我國首艘貨運(yùn)飛船天舟-1，實(shí)現(xiàn)與天宮-2對接，驗證在軌加注技術(shù)，從而完成我國載人航天工程第二步第二階段任務(wù)，為第三步建造空間站奠定更堅實(shí)的基礎(chǔ)。

載人航天是航天技術(shù)向更高階段的發(fā)展，可以完成更復(fù)雜的太空開發(fā)工作，大大提高航天活動的效率，在地外星球建立基地，意義十分遠(yuǎn)大。然而，由于該技術(shù)特別復(fù)雜，投資和風(fēng)險也很大，因此，至今只有蘇聯(lián)/俄羅斯、美國和中國獨(dú)立掌握了載人航天技術(shù)。經(jīng)過幾十年的努力，我國載人航天事業(yè)取得了輝煌的成就，在全球產(chǎn)生了巨大的影響。

1　總體概述

載人航天是當(dāng)今高技術(shù)中最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，能體現(xiàn)一個國家的綜合國力和整體科技水平，通過航天員的直接操作，可以更好地開發(fā)太空資源。

20世紀(jì)70年代初，我國曾擬研制曙光號兩艙式載人飛船，包括研制航天食品等。但由于當(dāng)時的政治環(huán)境、經(jīng)濟(jì)能力和工業(yè)基礎(chǔ)等條件不成熟，所以中途下馬了。

我國早期研制的航天食品

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，1992年9月21日，黨中央批準(zhǔn)實(shí)施載人飛船工程。自此，我國的載人航天工程正式啟動。

途徑選擇

我國載人航天工程最終的目標(biāo)是研制體積大、壽命長和功能強(qiáng)的空間站，它是開發(fā)太空的理想平臺，但本身不能天地往返。所以在此之前，必須先研制航天飛機(jī)或載人飛船作為空間站的天地往返運(yùn)輸器。我國專家通過深入論證表明，雖然航天飛機(jī)技術(shù)十分先進(jìn)，但是該技術(shù)過于復(fù)雜，投資和風(fēng)險太大，因此，根據(jù)我國的國情和國力，遵照“有所為、有所不為”和“有限目標(biāo)、突出重點(diǎn)”的“863”高技術(shù)研究發(fā)展的指導(dǎo)思想，專家們最后一致同意從宇宙飛船起步，這樣還能最大限度地利用我國返回式衛(wèi)星的成熟技術(shù)。實(shí)踐證明，當(dāng)時的決策非常正確。

考慮到我國在火箭和返回式衛(wèi)星方面已擁有相當(dāng)堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和豐富的研制經(jīng)驗，以及可借鑒國外研制載人飛船的經(jīng)驗，我國決定一步到位，越過一艙式飛船、兩艙式飛船，從當(dāng)時最先進(jìn)的載人飛船起步，直接研制三艙式載人飛船，并起了一個動聽的名字—“神舟”。

發(fā)展戰(zhàn)略

我國載人航天工程采用“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。

第一步是研制載人飛船，把航天員送入太空，并在完成預(yù)定任務(wù)后安全返回地面，實(shí)現(xiàn)我國載人航天的歷史性突破，掌握載人航天的最基本技術(shù)。這一步已通過2003年和2005年先后發(fā)射的神舟-5、6載人飛船圓滿完成。

第二步是突破和掌握航天員太空行走、空間交會對接兩項關(guān)鍵技術(shù)，然后發(fā)射空間實(shí)驗室和貨運(yùn)飛船。這些是建造空間站的前提。這一步通過2008年神舟-7航天員翟志剛完成太空行走拉開了序幕，并分2個階段實(shí)施。

第一階段除突破了太空行走技術(shù)外，還在2011年通過發(fā)射天宮-1目標(biāo)飛行器和神舟-8無人飛船實(shí)現(xiàn)了自控交會對接；在2012年、2013年又通過分別發(fā)射神舟-9、10載人飛船與天宮-1實(shí)現(xiàn)了自控和手控對接，并先后送2名女航天員上天。這4次航天發(fā)射使我國獨(dú)立掌握了空間交會對接技術(shù)，還驗證了組合體飛行技術(shù)，并使“神舟”載人飛船定型。至此，第二步第一階段結(jié)束。

神舟-5載人飛船在軌飛行示意圖

此后，我國載人航天進(jìn)入第二步第二階段，將在2016年、2017年分別發(fā)射天宮-2空間實(shí)驗室、神舟-11載人飛船和天舟-1貨運(yùn)飛船，這2艘飛船先后與天宮-2對接，主要任務(wù)是驗證航天員中期在軌駐留技術(shù)、在軌加注技術(shù)和未來空間站的部分新技術(shù)，并進(jìn)行較大規(guī)模的科學(xué)實(shí)驗。

第三步是在2020年左右建成長期載人的大型空間站，開展大規(guī)模、長期有人照料的空間應(yīng)用。我國空間站采用積木式構(gòu)型，由從2018年起先后發(fā)射的3個20噸級艙段對接組成T字形，“天和”核心艙居中，“問天”實(shí)驗艙-1、“夢天”實(shí)驗艙-2分別對接于兩側(cè)。

我國空間站按長期載3人狀態(tài)設(shè)計，每半年由載人飛船實(shí)施人員輪換，由貨運(yùn)飛船進(jìn)行推進(jìn)劑和物資補(bǔ)給。為此，要突破四大關(guān)鍵技術(shù)∶推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)、物化式再生生保技術(shù)、電源技術(shù)和空間機(jī)械臂技術(shù)。

它將在軌運(yùn)營10年以上，成為我國空間科學(xué)和新技術(shù)研究試驗的重要基地，并開展科普教育和國際合作，獲取具有重大科學(xué)價值的研究成果和重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果。

目前，我國載人航天工程由航天員系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、飛船系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控通信系統(tǒng)、著陸場系統(tǒng)、空間實(shí)驗室系統(tǒng)等組成。今后，還將有貨運(yùn)飛船系統(tǒng)、空間站系統(tǒng)等。這里主要介紹由中國空間技術(shù)研究院抓總研制的“神舟”載人飛船和“天宮”飛行器。

2　“神舟”飛船

總體概述

“神舟”飛船由軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙3個艙和1個附加段或?qū)涌诮M成（前2個為壓力密封艙），總長近9m，總質(zhì)量約8t，乘員人數(shù)3人。飛船有效載荷的質(zhì)量∶入軌時不小于300kg，返回時約100kg。飛船的可靠性為0.97，航天員的安全性為0.997。飛船的飛行時間∶自主飛行7天，?？匡w行180天。

“神舟”載人飛船系統(tǒng)由飛船系統(tǒng)總體和13個分系統(tǒng)組成，它們是∶結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、環(huán)境控制與生命保障、熱控、電源、推進(jìn)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制、數(shù)據(jù)管理、測控與通信、回收著陸、儀表與照明、應(yīng)急救生、乘員、有效載荷。在以上13個分系統(tǒng)中，乘員分系統(tǒng)和有效載荷分系統(tǒng)分別屬于航天員系統(tǒng)和空間應(yīng)用系統(tǒng)的裝船部分。這些分系統(tǒng)涉及物理、醫(yī)學(xué)和環(huán)境等數(shù)十種學(xué)科領(lǐng)域，所以，飛船具有技術(shù)多樣性和研制復(fù)雜性。

技術(shù)狀態(tài)

為適應(yīng)不同階段的任務(wù)變化，“神舟”系列載人飛船先后有三種技術(shù)狀態(tài)。

一是初期試驗技術(shù)狀態(tài)。其特點(diǎn)是把飛船軌道艙留軌利用進(jìn)行空間應(yīng)用，所以軌道艙上安裝有1對太陽電池翼和獨(dú)立的姿態(tài)控制系統(tǒng)。為了增加空間應(yīng)用試驗的有效載荷，有的在軌道艙前面增加1個附加段。神舟-5、6飛船就采用這種技術(shù)狀態(tài)。

安裝、檢測神舟-7的艙載復(fù)壓氣瓶

二是出艙活動試驗技術(shù)狀態(tài)。其特點(diǎn)是為了完成航天員空間出艙活動任務(wù)，軌道艙不再留軌利用，因而取消太陽電池翼和姿態(tài)控制系統(tǒng)。但是軌道艙除具備生活艙功能外，還兼有出艙活動用的氣閘艙功能，用于突破太空行走技術(shù)。航天員從軌道艙的側(cè)艙門出艙。軌道艙貯運(yùn)了艙外航天服，配置軌道艙泄復(fù)壓系統(tǒng)、出艙支持設(shè)備和艙外行走扶手。神舟-7采用這種技術(shù)狀態(tài)。

三是天地往返運(yùn)輸器技術(shù)狀態(tài)。其特點(diǎn)是在軌道艙的前端裝有一套交會用的軌道測量、運(yùn)動控制設(shè)施和對接用的對接機(jī)構(gòu)，用于完成與其他飛行器的交會對接。由于軌道艙不留軌利用，所以沒有太陽電池翼和獨(dú)立的姿態(tài)控制系統(tǒng)。神舟-8以后的所有“神舟”飛船都采用這種技術(shù)狀態(tài)，用于與天宮-1、2進(jìn)行交會對接試驗，以及作為神舟-9、10、11航天員的天地往返運(yùn)輸器，今后還為我國空間站運(yùn)送往來的人員。

技術(shù)特點(diǎn)

首先，飛船起點(diǎn)很高。作為我國第一代載人飛船，“神舟”采用了當(dāng)時最先進(jìn)，目前仍比較先進(jìn)的三艙式構(gòu)型，一次可乘3名航天員。

其次，可“一船多用”。國外的載人飛船在返回后，其軌道艙一般廢棄在軌道上，而“神舟”飛船的軌道艙具有“留軌利用”的功能，艙內(nèi)的儀器設(shè)備能在無人值守的情況下，像科技衛(wèi)星一樣自主地工作半年左右，因此能發(fā)揮“余熱”。

第三，性能比較先進(jìn)。例如，采用了信息技術(shù)的最新成果，從自動化控制、制導(dǎo)與導(dǎo)航到數(shù)據(jù)管理，從應(yīng)對故障的冗余設(shè)計到液晶顯示設(shè)備，“神舟”的電子技術(shù)和智能化水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先。其太陽電池翼能自動對準(zhǔn)太陽，保證飛船的充足供電，而國外類似飛船或使用一次性電池，或太陽電池翼供電水平較弱。

第四，防熱技術(shù)高超。其返回艙表面積是22.4m2，使用的防熱材料總質(zhì)量約500kg。俄羅斯“聯(lián)盟”飛船返回艙表面積是17m2，但它的防熱材料質(zhì)量達(dá)700kg。

第五，降落傘面積大。“神舟”的降落傘是世界上最大的單頂降落傘，1200m2。整個傘鋪在地上有小半個足球場大小，可疊起來卻只有一個小提包大，質(zhì)量僅約90kg。

“神舟”飛船采用了多項新技術(shù)，其中10多項關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。它使我國的載人飛船技術(shù)達(dá)到或優(yōu)于國際第3代載人飛船的水平。

定型產(chǎn)品

從神舟-8起，我國第一代載人飛船已基本定型，并有交會對接功能，可小批量生產(chǎn)，因而能提高可靠性、縮短研制周期。其對接機(jī)構(gòu)采用導(dǎo)向板內(nèi)翻式的“異體同構(gòu)周邊”式構(gòu)型，對接后形成直徑0.8m的航天員轉(zhuǎn)移通道；改進(jìn)了手控設(shè)備，增加了8臺平移發(fā)動機(jī)和4臺反推發(fā)動機(jī)，使飛船可向前、平移（包括上下運(yùn)動）和后退，對接時運(yùn)行更自由，同時提供緊急避撞的動力，可及時返回撤離。

神舟-10進(jìn)行力學(xué)試驗

為了安全，航天員乘返回艙落地時要提升座椅，以便減少落地時的沖擊力。從神舟-9起，飛船返回艙內(nèi)航天員坐椅下的提升裝置由壓縮空氣取代了燃?xì)狻?/p>

由于交會對接對飛船的控制能力提出了更高的要求，定型后的“神舟”上配備了運(yùn)算能力更大的計算機(jī)，對控制系統(tǒng)能力進(jìn)行了升級。

為滿足交會對接和返回需求，飛船載有1t推進(jìn)劑，同時配備應(yīng)急電池。定型后的飛船艙外攝像機(jī)采用了擴(kuò)頻通信方案，大大提高了圖像傳輸質(zhì)量。

另外，為提高飛船的性能及安全性、可靠性，對定型后飛船的部分系統(tǒng)也進(jìn)行了改進(jìn)。比如，飛船在前期可獨(dú)立飛行5～7天的基礎(chǔ)上，具有與空間站對接后停靠180天的能力；推進(jìn)艙上的太陽電池翼發(fā)電能力比此前的試驗性飛船增加了50%，由1.2kW增加到1.8kW；改進(jìn)了降落傘和著陸緩沖系統(tǒng)，增加了牽頂傘，可在預(yù)定高度先后打開引導(dǎo)傘、減速傘（副傘）、牽頂傘、主傘，進(jìn)一步提高了整個回收系統(tǒng)的可靠性。

在神舟-9、10的任務(wù)中，為了解決女航天員的適體性問題，對女航天員所使用的艙內(nèi)航天服、座椅等做了修改，增加了女航天員專用的艙內(nèi)服裝備件包，包內(nèi)專門配備了1套供女航天員專用的艙內(nèi)壓力服和大小便收集裝置，還有女性專用衛(wèi)生用品包?？紤]到女航天員上天的需要，對大小便收集器的高度和相對位置也進(jìn)行了局部修改，并為女航天員準(zhǔn)備了巧克力、甜食和補(bǔ)血食品等。

發(fā)展歷程

1999年11月20日，我國用長征-2F火箭發(fā)射了神舟-1無人試驗飛船，考核了載人航天工程總體設(shè)計方案的可行性和關(guān)鍵技術(shù)的可靠性。該飛船是初樣電性船，采用最小配置，僅有與飛船返回系統(tǒng)緊密相關(guān)的9個分系統(tǒng)，軌道艙也沒有留軌試驗。飛行試驗表明，我國已基本掌握了飛船艙段分離、調(diào)姿和制動、返回升力控制、防熱和著陸回收等關(guān)鍵技術(shù)，“神舟”飛船和長征-2F火箭性能優(yōu)良，新建的載人航天發(fā)射場和測控網(wǎng)具有先進(jìn)水平。

2001年1月10日發(fā)射的神舟-2是我國第一艘無人正樣飛船。其技術(shù)狀態(tài)與載人飛船基本一致，飛船上的13個分系統(tǒng)均參加了飛行試驗。這次飛行重點(diǎn)考核了環(huán)境控制與生命保障、應(yīng)急救生2個分系統(tǒng)的功能；首次進(jìn)行了軌道艙留軌運(yùn)行；在軌道艙進(jìn)行了空間生命科學(xué)、空間材料、空間天文、空間物理四大領(lǐng)域的實(shí)驗；首次裝載了太空“模擬人”。

“模擬人”由人體代謝模擬裝置、擬人生理信號設(shè)備和形體假人組成，能夠定量模擬航天員在太空中的重要生理活動參數(shù)，并隨時受到地面指揮中心的監(jiān)控。以“模擬人”這種無生命載荷取代動物，在飛船內(nèi)模擬、檢驗飛船載人狀態(tài)，這在世界上是首創(chuàng)。

2002年3月25日發(fā)射的神舟-3無人試驗飛船的技術(shù)狀態(tài)與載人狀態(tài)完全一致。它全面完善了逃逸與應(yīng)急救生功能，首次進(jìn)行了待發(fā)段與上升段的逃逸救生系統(tǒng)試驗，而且明確界定了“漏逃”和“誤逃”的界線，提高了載人航天的安全性和可靠性。我國載人火箭和飛船的成功率已達(dá)97%，另外3%依靠逃逸系統(tǒng)來彌補(bǔ)，足以確保航天員的生命安全。這次飛行還首次進(jìn)行了天地話音傳輸試驗。

2002年12月30日發(fā)射的神舟-4是我國最完善的無人試驗飛船，也是考核最為全面、最接近載人技術(shù)狀態(tài)的最后一次演練。備用著陸場、陸地和海上應(yīng)急救生等系統(tǒng)都參加了此次飛行試驗和考核。進(jìn)一步完善了逃逸和應(yīng)急救生功能，增加了自主應(yīng)急返回功能，設(shè)計了8種救生模式，以保證在不同階段出現(xiàn)意外時，都能使航天員安全返回。飛船上安裝了自動和手動兩套應(yīng)急救生裝置，萬一自動裝置出現(xiàn)故障，儀表顯示故障，船上的手動系統(tǒng)可以“抵擋”。神舟-4飛船還提高了整船偏航機(jī)動能力，改善了艙內(nèi)載人環(huán)境。

神舟-5載人飛船在內(nèi)蒙古主著陸場成功著陸后，楊利偉自主出艙

2003年10月15日發(fā)射的神舟-5是我國第一艘載人飛船，運(yùn)送我國首名航天員楊利偉進(jìn)行了世界載人航天歷史上的第241次飛行，使楊利偉成為世界上第428位進(jìn)入太空的航天員。該飛船于2003年10月16日返回，標(biāo)志著我國成為世界上第3個能獨(dú)立開展載人航天活動的國家。神舟-5與神舟-4基本相似，但對航天員座椅的安全性和舒適性進(jìn)一步改進(jìn)，同時設(shè)置了多種安全救生模式和百余種故障對策方案，以確保航天員的安全。它證明了我國飛船具備了載人航天飛行的條件。其實(shí)，神舟-5原定載2人上天，但出于穩(wěn)妥起見，最后只載1人上天。其上的座椅緩沖器也由神舟-1～4的拉刀式改為脹環(huán)式，為楊利偉安全返回又多加了一道保險。

2005年10月12日，神舟-6送費(fèi)俊龍和聶海勝進(jìn)入太空。其主要變化是∶人數(shù)從1人增加到2人；天數(shù)從1天增加到5天；活動范圍擴(kuò)大到全船，首次打開返回艙艙門進(jìn)入軌道艙進(jìn)行工作和生活；首次讓2位航天員脫下艙內(nèi)航天服，換穿了工作服，進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗和技術(shù)試驗；首次全面啟動了環(huán)控生保系統(tǒng)，創(chuàng)造了更加舒適的環(huán)境，例如，對軌道艙進(jìn)行了改進(jìn)，放置了食品柜、熱飯用的電加熱器、睡袋和太空馬桶；航天食品的種類也從神舟-5的二三十種增加到四五十種。神舟-6任務(wù)的順利完成，為后來的航天員出艙活動、航天器的交會對接等打下了基礎(chǔ)。根據(jù)神舟-5航天員楊利偉的建議，科研人員對神舟-6的座椅緩沖器又進(jìn)行了改進(jìn)，使航天員在落地時的反作用力更小了。

2008年9月25日，神舟-7送翟志剛、劉伯明、景海鵬進(jìn)入太空，翟志剛完成了太空行走任務(wù)。此行實(shí)現(xiàn)了三大突破∶一是首次實(shí)現(xiàn)了空間出艙活動；二是首次滿載3名航天員；三是首次從1個航天器上釋放另一個航天器。另外，該飛船首次與天鏈-1中繼衛(wèi)星進(jìn)行了中繼鏈路試驗。對神舟-7軌道艙改進(jìn)是這次任務(wù)的一大亮點(diǎn)，滿足了空間出艙活動需要。翟志剛出艙穿的“飛天”牌國產(chǎn)艙外航天服是另一大亮點(diǎn)。神舟-7任務(wù)的完成，使我國成為世界上第三個獨(dú)立掌握空間出艙活動技術(shù)的國家。

神舟-7航天員翟志剛出艙時揮動國旗

2011年11月1日，神舟-8無人飛船升空。2天后，它與先發(fā)射的天宮-1目標(biāo)飛行器實(shí)現(xiàn)了我國首次空間無人自控交會對接。神舟-8裝有自動測量系統(tǒng)和對接機(jī)構(gòu)，并具備在目標(biāo)飛行器上?？恳欢〞r間的能力。為此，研發(fā)了基于無線電和光學(xué)的高精度相對測量設(shè)備、“異體同構(gòu)周邊”式對接機(jī)構(gòu)、平移發(fā)動機(jī)組以及自控和手控技術(shù)，并對電源等分系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了性能、可靠性和工作壽命。從神舟-8起，我國飛船不僅具備了交會對接功能，并基本定型，可提供人員的天地往返運(yùn)輸服務(wù)。

2012年6月16日，神舟-9飛船送景海鵬、劉旺和劉洋進(jìn)入太空。此行驗證了自控和手控交會對接技術(shù)以及組合體載人環(huán)境支持技術(shù)等。通過這些項目的驗證，“神舟”飛船首次全面真正完成了載人天地往返運(yùn)輸任務(wù)，天宮-1也首次應(yīng)用空間載人飛行的短期駐留支持技術(shù)完成了預(yù)定任務(wù)。它實(shí)現(xiàn)了多個第一∶首次實(shí)現(xiàn)手控交會對接；首次考核了飛船手控系統(tǒng)；首次飛行了13天；首次向在軌航天器進(jìn)行了人員和物資的運(yùn)輸與補(bǔ)給；首次打開了天宮-1艙門，使航天員訪問在軌航天器；首次考核了天宮-1支持保障航天員的能力；首次安排了我國女航天員執(zhí)行任務(wù)；首次安排了我國航天員二上太空；首次在軌用自行車鍛煉身體；首次進(jìn)行了天地雙向視頻通話；首次在太空接收了地面郵件，等等。

2013年6月11日，神舟-10送聶海勝、張曉光和王亞平進(jìn)入太空。它和以前飛船最大的區(qū)別是首次進(jìn)行了應(yīng)用性飛行和繞飛。所謂應(yīng)用性飛行就是完成正常的天地往返運(yùn)輸任務(wù)。此前，我國發(fā)射“神舟”的主要目的是考核和驗證飛船，每次發(fā)射的飛船都有一些變化。與神舟-9相比，神舟-10沒有新的、大的技術(shù)變化，只做了一些小調(diào)整，其技術(shù)狀態(tài)基本固化。神舟-10的任務(wù)已不再是試驗飛船本身，而是投入正常運(yùn)營，完成運(yùn)輸任務(wù)，為天宮-1提供人員和物資運(yùn)輸服務(wù)。與神舟-9相比，神舟-10略有改進(jìn)，例如，更加舒適，完善了艙內(nèi)生活垃圾處理，根據(jù)航天員的口味對航天食品進(jìn)行個性化定制，優(yōu)化了航天員的工作程序和作息安排（增加了工作時間余量）；在軌維修，進(jìn)行了一些相關(guān)試驗；女航天員王亞平為地面青少年進(jìn)行了我國首次、世界第二次太空授課，產(chǎn)生了巨大影響；飛船首次繞飛天宮-1，為未來與空間站對接做準(zhǔn)備。

2016年10月17日，神舟-11送景海鵬和陳冬進(jìn)入太空。該飛船的任務(wù)是∶執(zhí)行人員和物資天地往返任務(wù)； 進(jìn)一步驗證改進(jìn)型飛船性能；確保航天員安全返回地面。

3　“天宮”飛行器

2011年9月29日，我國長征-2F T1運(yùn)載火箭成功發(fā)射了天宮-1目標(biāo)飛行器，2016年9月15日用長征-2F T2成功發(fā)射了天宮-2空間實(shí)驗室。

任務(wù)不同

天宮-1目標(biāo)飛行器的任務(wù)是∶作為交會對接的目標(biāo)；實(shí)現(xiàn)組合體控制和管理；實(shí)現(xiàn)航天員的在軌駐留、生活和工作，開展科學(xué)實(shí)驗；進(jìn)行空間技術(shù)試驗。

與天宮-1相比，相當(dāng)于小型空間站的天宮-2空間實(shí)驗室外形沒變，但“內(nèi)心”不同，裝載量提高、內(nèi)部環(huán)境更好、機(jī)械臂可開展艙外維修、可對接貨運(yùn)飛船進(jìn)行補(bǔ)給， 尤其是有很多為空間站建設(shè)研發(fā)的新型設(shè)備， 在這次任務(wù)中都將進(jìn)行測試。它主要完成三大任務(wù)∶①驗證航天員在軌中期駐留技術(shù)，進(jìn)行在軌維修技術(shù)試驗；②與貨運(yùn)飛船對接，驗證推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)；③開展大規(guī)?？臻g科學(xué)和應(yīng)用實(shí)驗。它是我國第一個具備太空補(bǔ)加功能的載人航天器，圍繞其三大任務(wù)開展了很多新的設(shè)計工作。

為了滿足航天員中期駐留需要，天宮-2對載人宜居環(huán)境做了重大改善，具備支持2名航天員在軌工作、生活30天的能力。

天宮-2配備了在軌維修技術(shù)驗證裝置、機(jī)械臂操作終端在軌維修試驗設(shè)備，專門搭建了在軌維修的一套（驗證）系統(tǒng)。首次搭載了機(jī)械臂操作終端試驗器，第一次開展我國人機(jī)協(xié)同太空在軌維修試驗，為以后空間站任務(wù)提供技術(shù)儲備。同天宮-2一起升空的伴隨小衛(wèi)星，將進(jìn)行分離釋放，并對天宮與飛船的對接進(jìn)行近距離成像觀測。值得一提的是，天宮-2的系統(tǒng)設(shè)計是模塊化的，也就是說它出現(xiàn)問題時可以快速更換和在軌維修，這在國內(nèi)空間領(lǐng)域?qū)儆谑讋?chuàng)。

我國未來的空間站是長期在軌飛行的，其上的推進(jìn)劑會不斷消耗，所以要進(jìn)行補(bǔ)加。天宮-2的任務(wù)之一就是要掌握這項技術(shù)，即通過和貨運(yùn)飛船交會對接，把貨運(yùn)飛船的推進(jìn)劑補(bǔ)加到天宮-2上，這項技術(shù)難度還是比較大。為了滿足推進(jìn)劑補(bǔ)加驗證試驗需要，對天宮-2推進(jìn)分系統(tǒng)進(jìn)行了適應(yīng)性改造，增加了推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng)，采用全新的貯箱設(shè)計。它與貨運(yùn)飛船將首次應(yīng)用推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)，使我國成為繼俄羅斯之后第二個在軌應(yīng)用補(bǔ)加技術(shù)的國家，技術(shù)研究成果可直接應(yīng)用于后續(xù)空間站工程。

天宮-1與飛船的對接高度約343km。為了驗證空間站技術(shù)，天宮-2與飛船的對接高度為393km，這是未來我國空間站運(yùn)行的軌道高度。天宮-2上搭載了更為先進(jìn)的設(shè)備。

天宮-1進(jìn)行總裝

兩艙功能

“天宮”由實(shí)驗艙和資源艙組成，其中前者是控制艙，也是航天員的工作艙和生活艙，由密封艙和非密封艙組成；后者是非密封艙。

實(shí)驗艙的密封艙有專用睡眠區(qū)、鍛煉區(qū)、實(shí)驗區(qū)、儀表區(qū)，有較多實(shí)驗設(shè)備，可用筆記本上網(wǎng)、聽CD和收電子郵件。天宮-1上只有電子郵件上行功能，而天宮-2增加了郵件下行能力。天宮-2提供60人天在軌駐留支持∶如果進(jìn)駐3個人，可在里生活20天，如果進(jìn)駐2個人，可在里生活30天。神舟-9的3名航天員在天宮-1里駐留了10天，神舟-10的3名航天員在天宮-1里駐留了12天；神舟-11的2名航天員預(yù)計將在天宮-2里駐留30天。實(shí)驗艙的非密封艙安裝了航天應(yīng)用設(shè)備或空間實(shí)驗設(shè)備。

密封艙內(nèi)有獨(dú)立的睡眠區(qū)，里面有獨(dú)立的照明系統(tǒng)，中間的折疊小桌板用來擺放書籍和電腦；有一個鍛煉用的自行車和橫管，它們設(shè)在睡眠區(qū)的一側(cè)，并被稱為健身區(qū)，每個區(qū)域旁邊都設(shè)有數(shù)量不等的手腳限位器；艙內(nèi)的10余個軟包通過一個大布袋被整齊地固定在實(shí)驗艙的艙壁上，每個大小不一的軟包各司其責(zé)地為航天員的“空居”生活保駕護(hù)航，比如，負(fù)責(zé)安全的有防毒面具包、滅火器包等；負(fù)責(zé)生活的有清潔用品包、食品包、內(nèi)衣包等；負(fù)責(zé)實(shí)驗的有乘員設(shè)備包、工具包等。

洞察天宮-1實(shí)驗艙內(nèi)部

資源艙為“天宮”提供動力和電能，進(jìn)行姿態(tài)控制、軌道控制。非密封艙安裝科學(xué)實(shí)驗設(shè)備。

艙段設(shè)計

“天宮”實(shí)驗艙前端安裝的通信設(shè)備、交會測量設(shè)備和對接機(jī)構(gòu)是“天宮”與飛船聯(lián)通的關(guān)鍵所在，用于支持與載人飛船實(shí)現(xiàn)交會對接。對接后，對接機(jī)構(gòu)可以形成直徑0.8m的密封轉(zhuǎn)移通道。通信設(shè)備采用空空通信機(jī)；交會測量設(shè)備主要包括全球衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、微波雷達(dá)、激光雷達(dá)、光學(xué)成像敏感器、乘員光學(xué)瞄準(zhǔn)器等；對接機(jī)構(gòu)采用先進(jìn)的“異體同構(gòu)周邊”式。

“天宮”的實(shí)驗艙直徑3.35m，長6.4m，包括前錐段、圓柱段和后錐段，是飛行器的控制艙，也是航天員的工作艙和生活艙。前錐段、圓柱段是密封艙，可保證航天員的生活和工作條件。后錐段為非密封艙。它的內(nèi)部四壁是機(jī)柜，里面有各種設(shè)備、操作臺、儀表板和睡眠的艙室，中間有一個2.2m高、1.8m寬、4m長的通道，是航天員運(yùn)動、工作和生活的場所。

“天宮”的資源艙與“神舟”飛船的推進(jìn)艙類似，為直筒形非密封艙，直徑2.25m，長3.2m。艙外安裝了由一對4塊太陽電池板組成的太陽電池翼以及直徑約1m的中繼衛(wèi)星天線，太陽電池翼展開后總長18.4m，發(fā)電效率高達(dá)27%～28%，與國際先進(jìn)水平相差無幾，以后可用于空間站。艙內(nèi)主要裝有推進(jìn)劑貯箱、鎳氫蓄電池以及環(huán)境控制用氣瓶等設(shè)備，姿態(tài)控制系統(tǒng)的6個控制力矩陀螺也裝在資源艙。其上的整個電源分系統(tǒng)質(zhì)量比飛船減輕了40%。尾部裝有2臺490N軌控發(fā)動機(jī)，周圍還有4臺150N備用發(fā)動機(jī)和多臺姿控發(fā)動機(jī)等裝置。

關(guān)鍵技術(shù)

由于“天宮”的設(shè)計壽命為2年，是長期在低軌道運(yùn)行的載人航天器，所以如何能保障它在惡劣的太空環(huán)境中長壽命工作是一項技術(shù)難關(guān)。天宮-1現(xiàn)已超期服役約3年，它表明，天宮-1艙體的密封性很好，所帶資源足以供應(yīng)航天員的需要。

要使天宮-神舟對接組合體平穩(wěn)運(yùn)行，“天宮”的姿態(tài)控制系統(tǒng)十分重要。飛船是靠發(fā)動機(jī)進(jìn)行姿態(tài)控制，衛(wèi)星是靠動量輪進(jìn)行姿態(tài)控制，“天宮”采用力矩陀螺作為姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即利用動量交換原理，通過改變角動量方向來產(chǎn)生控制力矩。其優(yōu)點(diǎn)是精度和可靠性很高，壽命8年，此技術(shù)可用于未來的空間站。

“天宮”實(shí)驗艙側(cè)壁加有特殊的防護(hù)板，具有吸收和彈射的功能，能遮擋微小碎片對飛行器的撞擊，而其自身2～3mm厚的金屬外衣，也能起到很好的防護(hù)作用。萬一出現(xiàn)5mm的漏孔，“天宮”可維持艙壓不小于70kPa約80min，為航天員贏得充足的逃生時間。如果遇到較大的空間碎片，地面將向“天宮”發(fā)出指令，改變其飛行軌道及速度，避開危險物后再回到預(yù)定的軌道繼續(xù)飛行。

“天宮”壽命末期，將在地面控制下主動離軌，隕落在南太平洋無人區(qū)，這樣既能不成為空間垃圾而影響其他航天器，也不會對地面造成危害。

4　其他系統(tǒng)

航天員系統(tǒng)

航天員系統(tǒng)由航天員選拔訓(xùn)練、航天服和航天飲食等組成。在發(fā)射“天宮”時，航天員在太空工作、生活和實(shí)驗所需產(chǎn)品，部分隨“天宮”上天，待航天員進(jìn)入“天宮”后啟用，它包括鍛煉器材、各類服裝鞋襪、睡袋、食品、診療箱、醫(yī)學(xué)實(shí)驗設(shè)備等。在航天員乘飛船與“天宮”對接時，還會攜帶一部分產(chǎn)品上天?！疤鞂m”沒有一次帶上所有產(chǎn)品是因為火箭運(yùn)力有限，另外也有產(chǎn)品壽命的考慮，比如做實(shí)驗用的細(xì)胞，在長期無人條件下難以存活，所以要跟人一起帶上天。

神舟-9航天員景海鵬、劉旺、劉洋進(jìn)行手控交會對接訓(xùn)練

由于航天員在“天宮”中的駐留時間比以往的“神舟”任務(wù)明顯延長。長時間在失重環(huán)境下生活會造成肌肉萎縮、骨丟失等癥狀，所以，“天宮”帶上了太空鍛煉器材，例如，用于鍛煉下肢肌肉的功率自行車和跑臺；用于鍛煉肩部和背部肌肉的拉力器等。

“天宮”上還有一些醫(yī)學(xué)實(shí)驗裝置，其中骨丟失對抗儀能以不同頻率、不同力度敲打航天員腿部的骨頭，對航天員施加外力刺激；神經(jīng)肌肉刺激儀可對航天員進(jìn)行電脈沖刺激，以防止長期飛行造成的肌肉萎縮；質(zhì)量測量儀能在失重條件下“稱量”人體質(zhì)量，反映航天員飛行期間體重的變化。

“天宮”還攜帶了廢物回收利用設(shè)備，對再生式生命保障技術(shù)進(jìn)行了驗證。其上的電解制氧裝置可將純水制成氧氣，動態(tài)水氣分離裝置可把航天員的尿液進(jìn)行水氣分離。它裝有心電記錄裝置、醫(yī)監(jiān)生化檢測裝置等醫(yī)監(jiān)設(shè)備，可對航天員身體狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。航天員隨身攜帶的心電記錄裝置能24h連續(xù)記錄心電數(shù)據(jù)，而且不受測控弧段的限制。航天員會24h穿著生理信號測試背心，它可采集心電、呼吸、體溫、血壓四大生理信號。

隨“天宮”進(jìn)入太空的航天食品包括蔬菜、水果、肉類和復(fù)水湯等成品菜肴，也有蛋白、脂肪、淀粉等單體成分，但這些都不能吃，是實(shí)驗品。真正能吃的航天食品要等航天員隨載人飛船帶上天。實(shí)驗用的航天食品要跟隨對接的“神舟”載人飛船返回地面，研究人員要觀察它們在太空長期運(yùn)行后會發(fā)生哪些變化。我國專家已在地面存儲了同批次的航天食品，用于對比研究。

航天員在“天宮”里睡覺、鍛煉、工作，在飛船里吃飯、方便（天宮-2-神舟-11組合體飛行時，改為在天宮-2里吃飯）。食品加熱器、大小便收集裝置等航天員生活必備裝置被隱藏于艙體內(nèi)。

我國航天食品約有50余種，食譜每4天一輪換。以往用應(yīng)急電源熱飯，現(xiàn)在用太陽電池翼電源熱飯。一日三餐，每餐均配有主食、副食、復(fù)水蔬菜、點(diǎn)心、調(diào)味品、水果、飲料等幾大類。

航天醫(yī)學(xué)專家為航天員準(zhǔn)備了航天藥箱、航天小藥包和個人急救小藥包三類藥物。

應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)是利用“神舟”或“天宮”的空間實(shí)驗支持能力，開展對地觀測、環(huán)境監(jiān)測等活動，進(jìn)行材料科學(xué)、生命科學(xué)、空間天文和流體科學(xué)等研究。

我國太空食品加熱裝置

其中在天宮-1上，航天員開展了多項空間醫(yī)學(xué)科學(xué)實(shí)驗，還進(jìn)行了對地觀測、空間材料科學(xué)和空間環(huán)境探測三個方面的應(yīng)用。

天宮-2上的科學(xué)實(shí)驗數(shù)量、種類等更多，其中包括地球科學(xué)研究、生命科學(xué)研究和基礎(chǔ)物理實(shí)驗等一些新的實(shí)驗，共有14項應(yīng)用載荷，是載人航天歷次任務(wù)中應(yīng)用項目最多的一次，包括5個方面。

1）基礎(chǔ)物理∶空間冷原子鐘實(shí)驗、空地量子密鑰分配與激光通信試驗；

2）空間天文∶伽瑪暴偏振探測；

3）微重力流體物理和空間材料科學(xué)∶液橋熱毛細(xì)對流研究、綜合材料空間生長研究、兩相流體實(shí)驗及關(guān)鍵技術(shù)驗證；

4）空間生命科學(xué)研究∶高等植物生長研究、微重力對細(xì)胞增殖和分化影響研究；

5）與全球變化相關(guān)的對地觀測與空間地球科學(xué)∶利用多角度和寬波段成像儀、三維成像微波高度計、多波段紫外臨邊成像光譜儀開展相關(guān)研究。

火箭系統(tǒng)

運(yùn)載火箭的可靠性是影響航天員安全最主要的因素。發(fā)射我國“神舟”飛船的長征-2F是在長征-2E基礎(chǔ)上增加了故障檢測系統(tǒng)和逃逸救生系統(tǒng)（逃逸救生塔），火箭飛行的可靠性達(dá)97%，航天員的安全性達(dá)99.7%。

為了實(shí)現(xiàn)交會對接，需使飛船精確入軌，因此，對發(fā)射“神舟”的長征-2F又進(jìn)行了更改，例如，采用了迭代制導(dǎo)，它比以前的攝動制導(dǎo)更為先進(jìn)，只要為火箭指定目標(biāo)即可，火箭沿著軌道飛向預(yù)定目標(biāo)的時候，通過實(shí)時迭代計算的方式來不斷修正軌道，不斷逼近目標(biāo)，從而確保實(shí)現(xiàn)最高的軌道精度。

實(shí)施交會對接任務(wù)要求飛船在零窗口發(fā)射。零窗口是根據(jù)發(fā)射前“天宮”的軌道參數(shù)來確定的，目的是將飛船發(fā)射到與“天宮”共面的軌道上?！吧裰邸北仨氃凇疤鞂m”軌道面經(jīng)過發(fā)射點(diǎn)后的某一時刻準(zhǔn)時點(diǎn)火起飛，誤差小于1s， 否則就需要消耗很多的推進(jìn)劑來修正兩者之間的軌道面偏差。另外，發(fā)射必須采用自動點(diǎn)火，如果采用手動點(diǎn)火，會有1～3s的反應(yīng)時間。

裝有逃逸塔的長征-2F載人運(yùn)載火箭騰空

以往交會對接任務(wù)時采取定點(diǎn)瞄準(zhǔn)發(fā)射方式，讓飛船和目標(biāo)飛行器相互靠近。發(fā)射神舟-11時轉(zhuǎn)為動態(tài)瞄準(zhǔn)，調(diào)整飛船發(fā)射窗口。這是因為未來空間站體量大，不可能為對接而調(diào)整自己的姿態(tài)或軌道高度，這樣太耗費(fèi)燃料。

測控通信系統(tǒng)

目前，我國的載人航天測控網(wǎng)包括北京航天飛行控制中心、西安衛(wèi)星測控中心、3顆天鏈-1數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、16個國內(nèi)外陸基測控站、3艘海上測控船以及連接它們的通信網(wǎng)。3顆天鏈-1衛(wèi)星可提供約100%的軌道覆蓋率，以及百兆以上的高數(shù)據(jù)傳輸速率。

“天宮”與“神舟”圍繞地球飛行時，1個地面測控站捕獲它們的時間為約6min，而1顆中繼衛(wèi)星可連續(xù)跟蹤它們約50min，實(shí)現(xiàn)約40%的連續(xù)測控通信覆蓋，2顆中繼衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)約70%的連續(xù)測控通信覆蓋，3顆中繼衛(wèi)星使我國航天測控覆蓋率可以達(dá)到近100%。

天宮-2空間實(shí)驗室的測控任務(wù)將由遠(yuǎn)望-5測量船承擔(dān)，神舟-11飛船將由3艘測量船同時出海，分別在三大海域?qū)︼w船入軌階段通信、飛船太陽電池翼展開、中繼天線展開等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行測控。

中國遠(yuǎn)望號航天測控船

發(fā)射場系統(tǒng)

“神舟”飛船和“天宮”都是在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。這主要是更多地考慮了人的安全問題，如雷電天氣較少，有較好的空中和地面電磁環(huán)境；火箭發(fā)射方向上近百千米內(nèi)沒有高山密林和較集中的居民點(diǎn)等。

著陸場系統(tǒng)

目前，“神舟”飛船返回方式基本相同，搜救模式為“空中搜救航天員，地面處置返回艙”，實(shí)現(xiàn)“快速定位、快速到達(dá)、安全出艙”的目標(biāo)。為此，著陸場搜救分為空中和地面兩支力量，重點(diǎn)是要求快∶一是盡快掌握航天員的健康狀況；二是飛船著陸后，航天員重力適應(yīng)需要時間長，期間既要確保航天員醫(yī)療救援穩(wěn)妥可靠，又要確保現(xiàn)場處置正規(guī)有序；三是航天員后送轉(zhuǎn)運(yùn)銜接緊密。

空中有多種直升機(jī)（指揮機(jī)、通信機(jī)、搜救機(jī)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保機(jī)、醫(yī)療救護(hù)機(jī)），它們均安裝了導(dǎo)航衛(wèi)星接收系統(tǒng)，動態(tài)信息可實(shí)時傳回北京航天飛行控制中心，主要擔(dān)負(fù)搜索發(fā)現(xiàn)返回艙，第一時間把航天員送到安全的地方。在直升機(jī)搜救航天員的任務(wù)完成后，返回艙的處理和運(yùn)送任務(wù)就交給了由多輛特種車輛組成的地面車隊。飛船返回主著陸場并完成航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保工作后，航天員乘直升機(jī)至附近的軍用機(jī)場，然后轉(zhuǎn)乘專機(jī)前往北京。

神舟-10航天員張曉光、聶海勝、王亞平（從左至右）乘返回艙著陸自主出艙后揮手致意

5　未來展望

2017年4月，我國將用長征-7火箭發(fā)射我國第一艘貨運(yùn)飛船天舟-1與天宮-2空間實(shí)驗室對接，驗證推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)。貨運(yùn)飛船要求可靠、高效、經(jīng)濟(jì)、多功能，這樣能大幅度提高貨物的運(yùn)力，以滿足今后空間站較大的物資需求。

我國將于2018-2022年間陸續(xù)發(fā)射1個核心艙和2個實(shí)驗艙，每個艙質(zhì)量都是20噸級，它們在太空對接呈T字構(gòu)型空間站組合體。核心艙有5個對接口，可以對接1艘貨運(yùn)飛船、2艘載人飛船和2個實(shí)驗艙，另有一個供航天員出艙活動的出艙口。

人類在漫長的社會進(jìn)步中不斷擴(kuò)展自身的生存空間，人類活動范圍的每一次擴(kuò)展都會實(shí)現(xiàn)偉大的飛躍。隨著我國載人空間站工程啟動實(shí)施，我國將為和平利用和開發(fā)空間資源，擔(dān)負(fù)起更多的責(zé)任，做出新的更大貢獻(xiàn)。

東方/文

Development of China’s Human Spaceflight