“神舟號(hào)”載人飛船總體方案設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展

李頤黎

“神舟號(hào)”載人飛船總體方案設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展

李頤黎

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

文章介紹了中國(guó)“神舟號(hào)”載人飛船系統(tǒng)1992年～1995年總體設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，該發(fā)展包括了四個(gè)階段，即：載人飛船系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證階段，載人飛船系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性方案復(fù)審階段，載人飛船系統(tǒng)方案論證階段和載人飛船系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段。文章論述了“神舟號(hào)”載人飛船總體主要方案和技術(shù)狀態(tài)的確定，包括載人飛船艙段組成的論證與設(shè)計(jì)、載人飛船軌道艙留軌利用方案的論證、載人飛船應(yīng)急救生方案的論證和設(shè)計(jì)、載人飛船降落傘方案的論證和設(shè)計(jì)、返回艙構(gòu)型和總體布局設(shè)計(jì)。最后，文章給出了“神舟號(hào)”飛船總體方案設(shè)計(jì)取得的成果。

載人飛船 “神舟號(hào)”載人飛船

0 引言

2022年是中國(guó)載人航天工程實(shí)施30周年。載人飛船工程是中國(guó)載人航天工程的第一步，“神舟號(hào)”載人飛船見(jiàn)證了中國(guó)載人航天事業(yè)獨(dú)立自主、自力更生，從無(wú)到有、從小到大的拼搏奮斗歷程。“神舟號(hào)”載人飛船為中國(guó)載人航天事業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

本文主要是介紹載人飛船工程中的“神舟號(hào)”載人飛船系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的優(yōu)化，總體方案設(shè)計(jì)解決的問(wèn)題和取得的主要成果。

1 載人飛船總體方案的設(shè)計(jì)進(jìn)展

“神舟號(hào)”載人飛船的總體方案形成，主要經(jīng)歷了從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證到方案設(shè)計(jì)四個(gè)研制階段。

1.1 載人飛船系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證階段（1992年1月～9月）

1992年1月8日，中央專(zhuān)門(mén)委員會(huì)決定開(kāi)展中國(guó)載人飛船工程（代號(hào)“921”工程）可行性論證工作。1992年1月20日，航空航天工業(yè)部黨組確定由中國(guó)空間技術(shù)研究院承擔(dān)載人飛船工程中的載人飛船系統(tǒng)（代號(hào)“921–3”系統(tǒng)）的研制和可行性論證工作。這個(gè)消息給研究院，特別是從事多年載人飛船研究論證人員，以極大的鼓舞和鞭策，為之奮斗多年的載人飛船工程立項(xiàng)終于有了良好的開(kāi)端。

1992年1月初，國(guó)防科工委發(fā)出了關(guān)于進(jìn)行載人飛船工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證工作的通知。為完成論證工作，國(guó)防科工委成立了以王永志為組長(zhǎng)的中國(guó)載人飛船工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證組，該論證組下設(shè)載人飛船系統(tǒng)論證組，由戚發(fā)軔任組長(zhǎng)，張國(guó)富、范劍峰任副組長(zhǎng)[1]。

為了完成國(guó)防科工委的論證要求，中國(guó)空間技術(shù)研究院也成立了載人飛船論證組。院于1992年1月 24日召開(kāi)了載人飛船論證任務(wù)動(dòng)員大會(huì)，會(huì)上宣布成立中國(guó)空間技術(shù)研究院載人飛船論證組（范劍峰任組長(zhǎng)、李頤黎、吳開(kāi)林任副組長(zhǎng)），中國(guó)空間技術(shù)研究院組建研究院載人飛船工程處（劉濟(jì)生任處長(zhǎng)）。由中國(guó)空間技術(shù)研究院院長(zhǎng)戚發(fā)軔和副院長(zhǎng)張國(guó)富組織、領(lǐng)導(dǎo)載人飛船系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論工作[2]。

經(jīng)過(guò)研究院載人飛船論證組的努力，按時(shí)圓滿(mǎn)地完成了載人飛船系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證工作。1992年6月6日由范劍峰、李頤黎、王淵、劉濟(jì)生作為編寫(xiě)人完成了《“921”工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證報(bào)告·載人飛船系統(tǒng)》，并得到戚發(fā)軔院長(zhǎng)的批準(zhǔn)。載人飛船系統(tǒng)的13個(gè)分系統(tǒng)也完成了相關(guān)的分系統(tǒng)可行性論證報(bào)告和多項(xiàng)專(zhuān)題報(bào)告，作為主報(bào)告的支撐性報(bào)告[2]。在1992年6月25～30日召開(kāi)的“921”工程可行性方案評(píng)審會(huì)上，報(bào)告經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)，后經(jīng)航空航天工業(yè)部上報(bào)國(guó)防科工委。

《“921”工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證報(bào)告·載人飛船系統(tǒng)》提出的方案充分利用中國(guó)現(xiàn)有技術(shù)及現(xiàn)有技術(shù)的延伸技術(shù)，同時(shí)又具有中國(guó)特色和技術(shù)創(chuàng)新，在整體上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1.2 載人飛船系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性方案復(fù)審階段（1992年10月～1993年4月）

1992年9月21日，中共中央政治局常委會(huì)議批準(zhǔn)了中國(guó)載人飛船工程實(shí)施。

1992年11月，任命了載人飛船系統(tǒng)的兩師系統(tǒng)，戚發(fā)軔任總設(shè)計(jì)師，汪國(guó)林任行政總指揮（1995年 8月改由戚發(fā)軔擔(dān)任）。1992年10月6日，北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部成立了載人飛船總體設(shè)計(jì)室，負(fù)責(zé)載人飛船系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)工作?？傮w室成員主要來(lái)自為立項(xiàng)做出貢獻(xiàn)的載人飛船論證隊(duì)伍、富有經(jīng)驗(yàn)的返回式衛(wèi)星總體研制隊(duì)伍，以及參加工作不久的年輕人員。

鑒于載人飛船系統(tǒng)總體和某些分系統(tǒng)在承擔(dān)單位和隊(duì)伍上存在較大變動(dòng)，中國(guó)空間技術(shù)研究院決定在開(kāi)展方案論證之前，開(kāi)展飛船總體及分系統(tǒng)可行性方案的復(fù)審。復(fù)審對(duì)象是1992年9月上報(bào)的《載人飛船工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證報(bào)告·載人飛船系統(tǒng)》及相應(yīng)的各分系統(tǒng)報(bào)告和專(zhuān)題報(bào)告。復(fù)審的主要內(nèi)容是方案的總體優(yōu)化、系統(tǒng)的任務(wù)和指標(biāo)、系統(tǒng)的功能和原理以及系統(tǒng)的組成和接口關(guān)系。在上海航天局第八研究院、航天醫(yī)學(xué)工程研究所和中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)和應(yīng)用研究中心等單位的大力協(xié)同下，載人飛船系統(tǒng)完成了載人飛船系統(tǒng)可行性方案復(fù)審工作，并在1993年3月29日，由李頤黎執(zhí)筆完成了《載人飛船可行性方案復(fù)審報(bào)告》。

通過(guò)復(fù)審，確認(rèn)了載人飛船系統(tǒng)可行性論證提出的總體方案可行，對(duì)一些分系統(tǒng)的某些技術(shù)方案做了優(yōu)化。例如，上海航天局通過(guò)復(fù)審認(rèn)為飛船總體提出的采用兩對(duì)太陽(yáng)電池陣、并使得太陽(yáng)電池陣能繞單軸轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向的方案是可行的。

1.3 載人飛船系統(tǒng)方案論證階段（1993年4月～12月）

1993年4月，載人飛船系統(tǒng)方案論證工作開(kāi)始。

在方案論證階段，為優(yōu)化總體設(shè)計(jì)，根據(jù)不同階段的飛行任務(wù)，研究確定了載人飛船有“飛船的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”（作為天地往返運(yùn)輸狀態(tài)）、“飛船的留軌利用作為交會(huì)對(duì)接目標(biāo)狀態(tài)”和“飛船初期試驗(yàn)狀態(tài)”3種技術(shù)狀態(tài)[3]。對(duì)每一種狀態(tài)都進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，載人飛船系統(tǒng)所屬的13個(gè)分系統(tǒng)也完成了各自的方案論證。

1993年12月，由吳健生、李頤黎編寫(xiě)的《載人飛船工程載人飛船系統(tǒng)總體方案論證報(bào)告》通過(guò)評(píng)審后上報(bào)，1994年4月14日國(guó)防科工委就此報(bào)告對(duì)中國(guó)航天工業(yè)總公司作了批復(fù)。

1.4 載人飛船系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段（1994年1月～1995年6月）

在方案設(shè)計(jì)階段，總體及各個(gè)分系統(tǒng)完成了“神舟號(hào)”載人飛船方案設(shè)計(jì)，確定了飛船系統(tǒng)的狀態(tài)和各級(jí)技術(shù)要求。完成了系統(tǒng)級(jí)和分系統(tǒng)級(jí)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)總結(jié)報(bào)告通過(guò)了上級(jí)審查。在此基礎(chǔ)上，由吳健生和李頤黎于1995年6月編寫(xiě)了《載人飛船工程載人飛船系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)報(bào)告》，評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后上報(bào)，1995年12月8日國(guó)防科工委就此報(bào)告對(duì)中國(guó)航天工業(yè)總公司作了批復(fù)。

2 “神舟號(hào)”載人飛船總體主要方案和技術(shù)狀態(tài)的確定

在“神舟號(hào)”載人飛船可行性論證、可行性方案復(fù)審、方案論證和方案設(shè)計(jì)階段，載人飛船系統(tǒng)總體經(jīng)過(guò)多方案綜合比較確定了三艙方案，提出了具有中國(guó)特色的軌道艙留軌方案，學(xué)習(xí)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新確定了逃逸救生方案，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況進(jìn)行創(chuàng)新確定了降落傘方案，綜合各方要求和約束確定了返回艙構(gòu)型和布局。

2.1 “神舟號(hào)”載人飛船艙段組成的論證和設(shè)計(jì)

載人飛船構(gòu)型的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。首先要滿(mǎn)足可靠性和安全性要求，其次要滿(mǎn)足飛行任務(wù)要求，同時(shí)要考慮我國(guó)當(dāng)時(shí)的實(shí)際條件和能力，還要考慮經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度的約束。在載人飛船技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證階段，經(jīng)過(guò)多方案論證后集中在兩種構(gòu)型，一種方案是由軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙組成的返回艙居中的三艙方案，另一種方案是由返回艙和推進(jìn)艙組成的兩艙方案。對(duì)這兩種方案論證組進(jìn)行了相同深度的論證，最后經(jīng)過(guò)綜合比較認(rèn)為返回艙居中的三艙方案完成載人任務(wù)后，可以留軌利用，繼續(xù)開(kāi)展科學(xué)試驗(yàn)，也可以作為飛船的交會(huì)對(duì)接的目標(biāo)，進(jìn)行交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。雖然，三艙方案要在逃逸時(shí)使用柵格翼，但可以通過(guò)攻關(guān)解決。最終決定采用返回艙居中的三艙方案，如圖1及圖2所示[2]，在圖1及圖2中的飛船皆為1992年確定的載人飛船初期試驗(yàn)狀態(tài)；應(yīng)當(dāng)指出，該方案的返回艙最大直徑為2.5m，比“聯(lián)盟TM號(hào)”飛船的2.2m大，從而解決了“聯(lián)盟TM號(hào)”乘坐3名航天員過(guò)于擁擠的問(wèn)題。該方案的返回艙的外形升阻比較大，從而使航天員返回艙的再入過(guò)載峰值限制在3～4n，優(yōu)于美國(guó)“雙子星座號(hào)”載人飛船返回艙的再入過(guò)載峰值為4～5n的指標(biāo)[3]。

圖1 返回艙居中的三艙方案發(fā)射狀態(tài)構(gòu)型圖

圖2 返回艙居中的三艙方案在軌飛行俯視圖（1992年，載人飛船初期試驗(yàn)狀態(tài)）

2.2 “神舟號(hào)”載人飛船軌道艙留軌利用方案的論證

在載人航天工程的第一步，在飛船完成最多7天的軌道運(yùn)行后，在返回前將軌道艙留在空間工作半年左右，從而大大延長(zhǎng)飛船上軌道艙（含附加段）有效載荷的工作時(shí)間，提高飛船綜合的效益，這是中國(guó)的首創(chuàng)。

經(jīng)論證，在留軌艙上安裝一對(duì)較小的太陽(yáng)電池陣，并在軌道艙內(nèi)配以相應(yīng)的鎘鎳蓄電池。留軌艙上采用動(dòng)量輪控制方法，以減小姿態(tài)控制推進(jìn)劑的消耗量，同時(shí)在軌道艙上配置有軌道艙推進(jìn)子系統(tǒng)和相應(yīng)的其他設(shè)備，這樣軌道艙可在軌道上留軌工作半年左右。飛船軌道艙可為有效載荷提供2m3、300kg的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。留軌狀態(tài)的軌道艙的布局如圖3所示[4]。實(shí)際上，在“神舟二號(hào)”至“神舟六號(hào)”飛船上成功地實(shí)現(xiàn)了軌道艙留軌利用。

圖3 “神舟號(hào)”飛船留軌的軌道艙的布局（發(fā)射狀態(tài)）

這里應(yīng)該指出，在載人飛船的論證中曾提出留軌艙作為交會(huì)對(duì)接目標(biāo)方案。在中國(guó)載人航天工程的第二步由于考慮到留軌艙雖可作為交會(huì)對(duì)接的目標(biāo)，但在對(duì)接后航天員不能進(jìn)入軌道艙工作和生活，技術(shù)驗(yàn)證不夠充分?？紤]到我國(guó)技術(shù)和工藝基礎(chǔ)能力的發(fā)展，采用了更好的將“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器作為交會(huì)對(duì)接目標(biāo)的方案[5-6]。

2.3 “神舟號(hào)”載人飛船應(yīng)急救生方案的論證和設(shè)計(jì)

逃逸救生是保證航天員安全的重要手段，幾乎涉及各個(gè)系統(tǒng)，關(guān)系復(fù)雜，但我國(guó)當(dāng)時(shí)缺少研制經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。在可行性論證階段，著重研究和確定了逃逸救生模式和方案，為確定工程總體可行性論證方案奠定了基礎(chǔ)。

載人航天的首要目標(biāo)就是要保證航天員的安全。為應(yīng)對(duì)飛行全過(guò)程中可能出現(xiàn)的危及航天員安全的故障，必須確定有效的救生措施，保證航天員安全回到地面。

方案論證和方案設(shè)計(jì)階段，載人飛船系統(tǒng)，在工程總體的指導(dǎo)下，在各方的支持下，分析了各階段可能出現(xiàn)的主要故障，制定了全過(guò)程的應(yīng)急救生方案，并與各方協(xié)調(diào)確認(rèn)。同時(shí)在方案階段應(yīng)急救生系統(tǒng)大膽實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新，攻克了“應(yīng)急救生軌道設(shè)計(jì)與接口分析”的關(guān)鍵技術(shù)，從而為應(yīng)急救生方案的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

2.3.1 發(fā)射段逃逸救生設(shè)計(jì)

發(fā)射段運(yùn)載火箭可能發(fā)生故障，不能繼續(xù)飛行。載人飛船和各系統(tǒng)需要通力配合，根據(jù)發(fā)生故障的時(shí)機(jī)和后果采取措施，將航天員帶離危險(xiǎn)區(qū)，并保證返回艙安全著陸，或進(jìn)入非設(shè)計(jì)軌道。

（1）大氣層內(nèi)的救生

大氣層內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，采用艙段救生模式。即一旦需要逃逸，飛船返回艙與推進(jìn)艙分離，由逃逸飛行器將返回艙連同軌道艙帶走，脫離危險(xiǎn)區(qū)。然后返回艙從逃逸飛行器中分離，依次打開(kāi)引導(dǎo)傘、減速傘和主傘，使返回艙安全著陸。1998年10月19日在中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行了“長(zhǎng)征2F號(hào)”運(yùn)載火箭-“神舟號(hào)”飛船零高度逃逸救生飛行試驗(yàn)，取得圓滿(mǎn)成功[7]。有塔逃逸飛行器的總體布局如圖4所示[8]。

圖4 有塔逃逸飛行器的組成

（2）大氣層外的救生

大氣層外發(fā)生故障時(shí)，采用整船逃逸。即一旦需要逃逸，飛船與運(yùn)載火箭分離后，由飛船4臺(tái)變軌發(fā)動(dòng)機(jī)（每臺(tái)的推力為2.5kN）工作10秒鐘以增大船箭分離速度，然后飛船可以根據(jù)故障的時(shí)機(jī)和軌道，調(diào)整飛船的姿態(tài)和變軌發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間，以增長(zhǎng)或縮短救生軌道的航程，使飛船返回艙濺落在總長(zhǎng)度為2 200km的三個(gè)區(qū)內(nèi)[9-10]，這種“海上定區(qū)濺落”的方案，是中國(guó)首創(chuàng)。

2.3.2 在軌段應(yīng)急救生設(shè)計(jì)[8]

在軌段載人飛船系統(tǒng)可能發(fā)生故障，必須有針對(duì)性采取措施：

1）確定了“一度故障工作，二度故障安全”的安全性設(shè)計(jì)原則。載人飛船系統(tǒng)進(jìn)行安全性和可靠性設(shè)計(jì)，采取冗余備份措施。一旦發(fā)生故障，可以自主或由地面處置，切換到備份設(shè)備，繼續(xù)飛行。這就為保證飛行任務(wù)的可靠和航天員的安全提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2）采取安全性措施。分析飛船的一般危險(xiǎn)源和故障危險(xiǎn)源，盡可能消除危險(xiǎn)給航天員安全帶來(lái)的影響。對(duì)于無(wú)法消除的危險(xiǎn)源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，啟動(dòng)故障處置。增加專(zhuān)門(mén)的安全性措施，保證航天員安全。例如為應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的艙體泄漏失壓的安全風(fēng)險(xiǎn)，增加壓力監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艙壓。增加艙內(nèi)航天服保證航天員生命安全。在發(fā)射段、變軌段、返回段等風(fēng)險(xiǎn)較大的飛行階段，提前穿著艙內(nèi)航天服有備無(wú)患。當(dāng)入軌后，確認(rèn)飛船載人艙內(nèi)環(huán)境正常后，方能脫掉艙內(nèi)航天服。

3）當(dāng)出現(xiàn)無(wú)法繼續(xù)飛行的故障時(shí)，設(shè)計(jì)了自主應(yīng)急返回飛行模式。飛船終止任務(wù)，提前實(shí)施應(yīng)急返回，保證航天員安全。

2.3.3 返回段的安全性設(shè)計(jì)

飛船返回段故障發(fā)展快，過(guò)程不可逆，測(cè)控條件差，必須天地配合保證安全返回。

1）采用成熟技術(shù)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。借鑒我國(guó)返回式衛(wèi)星的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)關(guān)鍵指令、關(guān)鍵環(huán)節(jié)采取專(zhuān)門(mén)措施，保證程序可靠執(zhí)行。借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，確定的返回艙外形為類(lèi)“聯(lián)盟”號(hào)外形，可以保證返回艙可靠再入。

2）對(duì)于GNC、推進(jìn)和回收著陸等關(guān)鍵功能，增加備份措施。為克服黑障等測(cè)控不利條件，采取自主切換措施。例如GNC控制采用兩種陀螺冗余備份，自主診斷和切換；推進(jìn)分系統(tǒng)設(shè)立主、備兩路推進(jìn)系統(tǒng)，可切換使用；回收著陸系統(tǒng)主、備降落傘自主診斷、切換；返回艙著陸時(shí)采用著陸緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)和座椅緩沖裝置互為備份的方案。

2.4 “神舟號(hào)”載人飛船降落傘方案的論證和設(shè)計(jì)

1992年4月，中國(guó)空間技術(shù)研究院載人飛船論證組負(fù)責(zé)載人飛船回收著陸分系統(tǒng)方案可行性論證的李惠康研究員、賀衛(wèi)亮工程師，提出了《載人飛船回收著陸分系統(tǒng)方案可行性論證報(bào)告初稿（三艙方案）》，在該報(bào)告中提出了“神舟號(hào)”載人飛船回收著陸分系統(tǒng)降落傘子系統(tǒng)的如下兩種方案：

方案1：主份傘中的主傘采用沖壓式可控翼傘，備份傘中的主傘采用了雙傘方案；

方案2：主份傘中的主傘采用三傘方案，備份傘中的主傘采用了雙傘方案。

且兩種方案的傘艙都布置在返回艙的小頭，方案1的回收著陸分系統(tǒng)的布置如圖5所示。

該報(bào)告還指出：一旦方案1的翼傘研制過(guò)程中遇到難以克服的困難時(shí)，則用方案2代替方案1。

在李頤黎于1993年3月29日編寫(xiě)的《載人飛船系統(tǒng)可行性方案復(fù)審報(bào)告》中提出：“盡管可控翼傘具有定點(diǎn)著陸、便于選擇著陸場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但由于大面積翼傘的技術(shù)儲(chǔ)備不足，需3～5年才能完成大面積翼傘的攻關(guān)任務(wù)，顯然趕不上研制進(jìn)度，因此飛船系統(tǒng)決定采用普通傘方案?！?/p>

1993年4月至1993年6月，單志祥、王漢泉高級(jí)工程師分別編寫(xiě)了載人飛船回收傘型及布局的報(bào)告，明確了返回艙座椅的姿態(tài)按中間座椅椅背與返回艙的縱軸呈70°夾角布置，主份傘傘艙及備份傘傘艙分別布置在中間座椅上航天員頭頂?shù)膫?cè)上方的返回艙側(cè)壁上，并采用普通傘方案。這一布置和傘型的選取得到了回收著陸分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師李惠康等回收著陸分系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的支持。在方案論證階段，回收著陸分系統(tǒng)決定將主份傘主傘的三傘方案和備份傘主傘的雙傘方案都改為單傘方案，得到了飛船系統(tǒng)總體的支持。

在方案論證階段“神舟號(hào)”主份傘主傘的傘型由翼傘改為普通傘減輕了對(duì)回收著陸分系統(tǒng)研制的壓力，提高了飛船回收著陸分系統(tǒng)的可靠性。傘艙的布局由返回艙小端改為側(cè)壁上，騰出了儀表照明分系統(tǒng)設(shè)備和光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡安裝的空間，并有利于返回艙質(zhì)心向大底方向移動(dòng)和向第Ⅲ象限線方向的偏置，減輕了返回艙金屬大底加的鉛塊配重的質(zhì)量，有利于飛船總體布局的性能的改善。至于由翼傘方案改為普通傘方案使返回艙著陸點(diǎn)散布擴(kuò)大的問(wèn)題，在方案設(shè)計(jì)階段飛船總體提出采用“風(fēng)修正方案”，并得到飛船系統(tǒng)和載人飛船工程的大力支持，從而使得飛船返回艙著陸精度達(dá)到優(yōu)于“聯(lián)盟TM號(hào)”飛船著陸精度，這也是中國(guó)載人飛船技術(shù)的一項(xiàng)創(chuàng)新[4]。

2003年“神舟五號(hào)”飛船回收著陸分系統(tǒng)研制取得圓滿(mǎn)成功，對(duì)保證“神舟五號(hào)”航天員楊利偉的安全著陸、自主出艙起到了重要作用[11]。

2.5 “神舟號(hào)”載人飛船返回艙構(gòu)型和總體布局設(shè)計(jì)

2.5.1 “神舟號(hào)”載人飛船氣動(dòng)外形研究

根據(jù)返回艙正常和故障再入過(guò)程中，航天醫(yī)學(xué)要求，過(guò)載必須控制在人體耐受能力指標(biāo)內(nèi)，加之我國(guó)著陸場(chǎng)的范圍對(duì)返回艙著陸點(diǎn)偏差提出了嚴(yán)格的要求，這都要求返回艙再入時(shí)具有一定的升阻比。返回艙的防熱結(jié)構(gòu)也對(duì)返回艙氣動(dòng)外形提出了約束。

在方案論證和方案設(shè)計(jì)階段，載人飛船系統(tǒng)總體比較分析了不同的氣動(dòng)外形及其特性。根據(jù)總體方案要求，借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，最終選擇了類(lèi)“聯(lián)盟號(hào)”返回艙的鐘形氣動(dòng)外形，并在兩個(gè)傘艙蓋上各加一個(gè)耳片，以消除返回艙再入大氣層中的第二配平點(diǎn)。并以此對(duì)總體返回艙質(zhì)量特性控制、防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及GNC分系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)提出設(shè)計(jì)要求和提供了氣動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.5.2 “神舟號(hào)”載人飛船返回艙的座椅相對(duì)于返回艙的姿態(tài)研究[4]

載人飛船總體，在分析了“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船及“阿波羅號(hào)”載人飛船氣動(dòng)特性和返回艙內(nèi)的布局，分析飛行階段航天員承受過(guò)載的情況，提出了“神舟號(hào)”飛船座椅相對(duì)于返回艙的姿態(tài)要求。即座椅應(yīng)采用中間座椅的椅背與返回艙的縱軸呈70°夾角的方案，如圖6所示。（在圖6中，為飛行速度；為氣動(dòng)力合力；和分別為升力和阻力；和分別為法向力和軸向力；為氣動(dòng)力力矩；tr為配平攻角；為氣動(dòng)力合力與椅背的夾角；為氣動(dòng)合力與返回艙縱軸的夾角；為質(zhì)心偏離縱軸的距離；a和g分別為氣動(dòng)力中心和質(zhì)心的坐標(biāo)。）這樣的座椅姿態(tài)使得待發(fā)射階段航天員躺在座椅上舒適，入軌后又便于通過(guò)光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡觀測(cè)地面，在返回再入段承受的過(guò)載使航天員壓向座椅而不是離開(kāi)座椅，且頭臀方向與胸背方向受力之比約為0.21，比較適宜，在這種姿態(tài)下航天員過(guò)載承受能力強(qiáng)，如圖7所示[12]。

圖6 返回艙以配平攻角飛行時(shí)的氣動(dòng)力和中間座椅上的航天員的位置和姿態(tài)

圖7 超重限制圖

2.5.3 “神舟號(hào)”載人飛船返回艙總體布局設(shè)計(jì)

在載人飛船的方案論證階段，在前期研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)航天醫(yī)學(xué)要求和工效學(xué)要求、氣動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)質(zhì)量特性的要求、回收降落傘出傘的要求，以及各分系統(tǒng)對(duì)返回艙布局要求，飛船總體明確了返回艙座椅的姿態(tài)按中間的椅背與返回艙的縱軸呈70°布置（見(jiàn)圖6），傘艙應(yīng)布置在航天員頭頂?shù)膫?cè)上方、在返回艙的側(cè)壁上的初步方案。根據(jù)載人飛船標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，再根據(jù)其他兩個(gè)狀態(tài)的要求調(diào)整布局。

根據(jù)方案設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)要求，1994年2月完成了返回艙總體初步布局，1995年2月，確定了返回艙的布局?！吧裰厶?hào)”飛船返回艙的總體布局如圖8和圖9所示[4]。

圖8 “神舟號(hào)”飛船返回艙的總體布局

圖9 “神舟號(hào)”飛船返回艙座椅區(qū)布局

3 “神舟號(hào)”飛船的總體論證及方案設(shè)計(jì)成果

3.1 直接成果

載人飛船是載人航天第一步的核心之一，是工程的關(guān)鍵之一。載人飛船技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證是國(guó)防科工委組織的中國(guó)載人飛船工程論證的主要工作基礎(chǔ)之一。載人飛船總體方案論證和設(shè)計(jì)，對(duì)中國(guó)載人航天工程的實(shí)施提供了重要依據(jù)，為后續(xù)載人飛船的研制打下了良好的基礎(chǔ)。

載人飛船總體方案論證及方案設(shè)計(jì)的成果中與飛船返回技術(shù)相關(guān)的成果，已在1999年發(fā)射的“神舟一號(hào)”飛船上經(jīng)過(guò)飛行試驗(yàn)的考驗(yàn)，取得了“神舟一號(hào)”無(wú)人飛船正常運(yùn)行、圓滿(mǎn)回收的佳績(jī)。

“ ‘神舟一號(hào)’載人飛船總體方案論證及方案設(shè)計(jì)（含載人飛船系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性論證）”項(xiàng)目于2000年12月榮獲國(guó)防科工委頒發(fā)的國(guó)防科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)（李頤黎、范劍峰、戚發(fā)軔、張國(guó)富、王淵等為該項(xiàng)目的主要完成者）。

3.2 對(duì)后續(xù)成果的影響

“神舟號(hào)”載人飛船總體方案設(shè)計(jì)的圓滿(mǎn)完成，為后續(xù)的首艘“神舟號(hào)”載人飛船載人飛行取得圓滿(mǎn)成功奠定了基礎(chǔ)。2003年10月，中國(guó)第一位航天員楊利偉，乘坐“神舟五號(hào)”載人飛船在太空遨游了14圈后，安全返回地面，使我國(guó)成為繼蘇、美之后第三個(gè)獨(dú)立自主地實(shí)現(xiàn)載人航天的國(guó)家。2004年1月，“中國(guó)載人航天工程（飛船系統(tǒng)）”榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

文章的作者在撰稿過(guò)程中得到了“神舟號(hào)”載人飛船第二任總設(shè)計(jì)師張柏楠和北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部飛船總體室主任李興乾的幫助，特此致謝！

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Technology Development of Scheme Design of China Shenzhou Spaceship System

LI Yili

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

This paper introduces the technology development of scheme design of Shenzhou spaceship from 1992 to 1995. This paper discusses the determination of chief scheme design of Shenzhou spaceship, including scheme demonstration and scheme design of composition of manned spaceship module, scheme demonstration of orbital module of manned spaceship for keep on orbit to make use, scheme demonstration and scheme design of emergency rescue plan of manned spaceship, scheme demonstration and scheme design of parachute system plan of manned spaceship, and scheme design of lay out of recovery module of manned spaceship. Lastly, the achievement about scheme design of Shenzhou spaceship is given.

manned spaceship; Shenzhou manned spaceship

V445

A

1009-8518(2022)05-0001-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.05.001

2022-06-23

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程

李頤黎. “神舟號(hào)”載人飛船總體方案設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(5): 1-10.

LI Yili. Technology Development of Scheme Design of China Shenzhou Spaceship System[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(5): 1-10. (in Chinese)

李頤黎，男，1935年生，研究員、航天專(zhuān)家、北京航空航天大學(xué)兼職教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)兼職教授。曾任中國(guó)空間技術(shù)研究院載人飛船論證組副組長(zhǎng)、中國(guó)載人飛船工程載人飛船系統(tǒng)總體副主任設(shè)計(jì)師兼應(yīng)急救生分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師、“神舟七號(hào)”飛船專(zhuān)家組成員。長(zhǎng)期從事火箭和航天器系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)工作。2004年榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

（編輯：陳艷霞）