詳解神舟16號飛行任務(wù)

龐之浩

2023年5月30日9時(shí)31分，我國的長征2號F遙16運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射，將載有3名航天員的神舟16號載人飛船精準(zhǔn)送入預(yù)定軌道。經(jīng)過約6.5小時(shí)的飛行，神舟16號飛船成功對接于空間站“天和”核心艙徑向端口。

神舟16號是中國空間站進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段的首個(gè)載人飛行任務(wù)，其乘組將迎來兩次對接和撤離返回，即神舟15號載人飛船返回、天舟5號貨運(yùn)飛船的再對接和撤離，以及神舟17號載人飛船對接。

神舟16號乘組將開展電推進(jìn)氣瓶安裝、艙外相機(jī)抬升等平臺照料工作；將完成輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)裝置、元器件與組件艙外通用試驗(yàn)裝置等艙外應(yīng)用設(shè)施的安裝，按計(jì)劃開展多領(lǐng)域大規(guī)模在軌實(shí)（試）驗(yàn)，有望在新奇量子現(xiàn)象研究、高精度空間時(shí)頻系統(tǒng)、廣義相對論驗(yàn)證以及生命起源研究等方面產(chǎn)出高水平科學(xué)成果。此外，航天員還將開展天宮課堂太空授課活動(dòng)，讓載人航天再次走進(jìn)中小學(xué)生課堂。

由于這次飛行有很高的科技“含金量”，因而格外引人矚目。

迎接交會對接挑戰(zhàn) 2023年5月30日，神舟16號載人飛船成功發(fā)射并?？恐袊臻g站核心艙節(jié)點(diǎn)艙的徑向?qū)涌冢瑯?biāo)志著由航天五院自主研發(fā)的我國空間交會對接制導(dǎo)導(dǎo)航與控制技術(shù)進(jìn)一步成熟。因?yàn)檫@是中國空間站三艙“T”字構(gòu)型下實(shí)施的首次徑向交會對接任務(wù)，相較于空間站建造階段神舟13號、14號載人飛船實(shí)施的徑向交會對接，神舟16號的交會對接任務(wù)難度最大。

據(jù)航天五院介紹，神舟16號的交會對接任務(wù)難度之所以最大，原因有三點(diǎn)。

一是要對接更大質(zhì)量的組合體。

隨著空間站建造完成，空間站組合體的尺寸、質(zhì)量、慣量以及重心位置等影響姿態(tài)控制的核心要素，與此前空間站單艙或兩艙狀態(tài)相比的變化較大，部分參數(shù)甚至存在跨數(shù)量級的增長。飛船交會對接特別是近距離對接時(shí)采用的是相對姿態(tài)位置控制方法，空間站運(yùn)動(dòng)特性的變化將直接影響飛船的交會對接控制過程。雖然此前神舟15號也成功完成了與由3艙2船組成的“T”字構(gòu)型空間站組合體的交會對接，但神舟15號對接的位置為空間站前向?qū)涌?，由于空間站在不同方向上運(yùn)動(dòng)特性有所區(qū)別，神舟16號進(jìn)行的徑向?qū)訒r(shí)需要制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)依靠自身的能力克服上述變化帶來的影響。

二是要對接更大尺寸的組合體。

神舟16號在進(jìn)行徑向交會對接任務(wù)時(shí)，是沿著“天和”核心艙下方的徑向?qū)涌谥饾u靠近空間站組合體，從飛船的視角看，“天和”核心艙、“問天”實(shí)驗(yàn)艙、“夢天”實(shí)驗(yàn)艙、神舟15號載人飛船以及天舟6號貨運(yùn)飛船均會出現(xiàn)在神舟16號飛船的視野中，這對于其上安裝的需要以宇宙背景或太陽作為觀測目標(biāo)的測量敏感器來說會產(chǎn)生視線上的遮擋，且隨著神舟16號飛船和組合體距離的逐漸逼近，遮擋會越來越多，這需要依靠制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)配備的敏感器自身的抗干擾或目標(biāo)特性識別能力加以區(qū)分和屏蔽，或采用不同測量方位、測量體制的備份測量敏感器來保證持續(xù)、準(zhǔn)確的測量能力。

三是會受到更復(fù)雜的羽流影響。

空間站組合體尺寸的增大還會使得飛船和空間站組合體的發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，羽流間的相互影響比以往進(jìn)行交會對接時(shí)變得更加復(fù)雜。飛船在近距離與空間站交會過程中，需要頻繁啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相對姿態(tài)和位置的調(diào)整，這會對懸浮在太空中的空間站姿態(tài)產(chǎn)生影響，由于組合體艙段的增加，使得神舟16號任務(wù)中的上述特性更為復(fù)雜。同樣，空間站的噴氣控制也會影響飛船自身的控制。為此，需要制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)分組使用和控制方法上優(yōu)化，并通過地面的仿真計(jì)算加以驗(yàn)證，確保交會對接過程在諸多影響下仍能確保任務(wù)成功。針對神舟16號徑向交會對接任務(wù)過程中的羽流影響和敏感器視場遮擋影響等，航天五院還進(jìn)行了專項(xiàng)分析和仿真復(fù)核，并對神舟16號制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)進(jìn)行針對性優(yōu)化和針對性設(shè)計(jì)，確保影響均在分系統(tǒng)可控范圍之內(nèi)。

由于所有技術(shù)措施到位，神舟16號最終按時(shí)順利地完成了與空間站的交會對接。神舟16號入軌后，先通過“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行準(zhǔn)確定位，確定自身與空間站的相對位置。基于空間位置信息，神舟16號進(jìn)行了6次軌道控制，然后飛到距離空間站50km的地方，這個(gè)過程耗時(shí)大約4.5h。接著，神舟16號進(jìn)入自主控制段，通過多種測量設(shè)備與空間站進(jìn)行交互，不斷接近空間站。當(dāng)神舟16號飛到距離空間站只有2km的“中途瞄準(zhǔn)點(diǎn)”時(shí)，就開始調(diào)整自身的姿態(tài)。直到飛到空間站下方200m的位置，神舟16號（8.1t）開始向上靠近空間站，同時(shí)繼續(xù)調(diào)姿，直至最終成功與空間站（近100t）“天和”核心艙的徑向端口對接。整個(gè)對接過程歷時(shí)約6.5h，全自動(dòng)完成。

北京時(shí)間2023年5月30日18時(shí)22分，翹盼已久的神舟15號航天員乘組順利打開“家門”，歡迎遠(yuǎn)道而來的神舟16號航天員乘組入駐“天宮”，兩個(gè)乘組順利“會師”。

不斷改進(jìn)飛船火箭

隨著中國空間站全面建成進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)營，“神舟”系列載人飛船也迎來了新批次（6艘飛船）密集的組批生產(chǎn)和發(fā)射任務(wù)。進(jìn)行組批生產(chǎn)可以提高飛船質(zhì)量、降低研制成本、縮短研制周期。因?yàn)椴捎媒M批生產(chǎn)模式可以讓生產(chǎn)、測試過程更為標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，更有利于人員掌握產(chǎn)品狀態(tài)、保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)提高了物資采購集中度，便于供應(yīng)鏈的管控和備貨周期的把控。

神舟16號載人飛船則是第二批次6艘飛船的首發(fā)船，也是我國空間站應(yīng)用與發(fā)展階段發(fā)射的首個(gè)載人飛船，承擔(dān)著“一次驗(yàn)證、組批投產(chǎn)”的使命，起到了承前啟后的關(guān)鍵作用。

為滿足空間站任務(wù)需求，神舟16號載人飛船在確?？煽啃浴踩缘那疤嵯?，以最短時(shí)間、最高標(biāo)準(zhǔn)完成了上百項(xiàng)器件更改和可靠性提升等驗(yàn)證工作，通過國家重大工程全力支持“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了自主健康管理功能，不斷提高了飛船上自主健康管理水平，并從分系統(tǒng)級、單機(jī)級、部組件級三個(gè)層次建立了數(shù)據(jù)包絡(luò)分析機(jī)制，全力推進(jìn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)互聯(lián)信息化、線纜總裝布局?jǐn)?shù)字化、關(guān)鍵參數(shù)檢測智能化，全面實(shí)現(xiàn)了“神舟”飛船在空間站時(shí)代的再升級，為“神舟”踏上新征程打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在此次任務(wù)中，設(shè)計(jì)人員從使用者的角度出發(fā)，把神舟16號儀表的數(shù)據(jù)顯示化繁為簡，為航天員執(zhí)行任務(wù)提供了更加清晰、直觀、舒適的顯示界面。在神舟16號上共有50余幅頁面，顯示飛船各部分的情況，這些都是由作為智能管理員的儀表控制器應(yīng)用軟件來提供的。使用這一獨(dú)特的圖形顯示技術(shù)，不僅能得到新穎的儀表控制器顯示效果，而且實(shí)現(xiàn)了空間智能化儀表中的圖形、文字的處理與顯示，為航天員執(zhí)行任務(wù)提供了清晰、直觀、舒適的顯示界面。另外，研制團(tuán)隊(duì)為神舟16號研制了具備集成程度更高（產(chǎn)品質(zhì)量由36kg減至27kg）、處理能力更強(qiáng)（處理一項(xiàng)工作由需幾個(gè)芯片共同完成減至用一個(gè)芯片來完成）、國產(chǎn)化率更高（超過95%）三大優(yōu)勢的升級版中繼終端，實(shí)現(xiàn)了飛船與地面通信的暢通無阻，確保地面測試人員實(shí)時(shí)掌握飛船的飛行狀態(tài)，以更小更優(yōu)的產(chǎn)品為中國空間站穩(wěn)定高效的運(yùn)行貢獻(xiàn)力量。

相比此前發(fā)射神舟15號的長征2號F遙15運(yùn)載火箭，長征2號F遙16運(yùn)載火箭共有20項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)。研制團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)圍繞冗余度進(jìn)行了提升和工藝改進(jìn)，持續(xù)提升火箭的可靠性，同時(shí)繼續(xù)推進(jìn)箭上多個(gè)電氣系統(tǒng)元器件國產(chǎn)化工作，不斷提升產(chǎn)品自主可控水平。

同時(shí)，還提升了火箭系統(tǒng)的數(shù)字化和信息化水平。依靠遠(yuǎn)程測發(fā)支持系統(tǒng)的持續(xù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了長征2號F運(yùn)載火箭測試數(shù)據(jù)前后方實(shí)時(shí)互通，使后方設(shè)計(jì)人員能夠更加便捷、全面地了解火箭相關(guān)數(shù)據(jù)，開展實(shí)時(shí)監(jiān)測判讀與數(shù)據(jù)分析，并同步在大屏上可視化展示。不僅如此，后方強(qiáng)大的數(shù)據(jù)自動(dòng)判讀與分析工具以及完善的專家團(tuán)隊(duì)，也更好地保證數(shù)據(jù)判讀的覆蓋性和可靠性，提高工作效率。

不同于以往的三類航天員

此次神舟16號的航天員乘組成員格外耀眼，因?yàn)槠涫怯珊教祚{駛員、航天飛行工程師、載荷專家三種類型的航天員組成，這在我國尚屬首次。其中，景海鵬是指令長兼航天駕駛員，朱楊柱是航天飛行工程師，非軍人出身的北航教授桂海潮是載荷專家，這是我國航天飛行工程師和載荷專家的“首秀”。另外，朱楊柱和桂海潮是我國選拔的第三批航天員，所以此次也是第三批航天員首次執(zhí)行飛行任務(wù)。尤其是戴著眼鏡的載荷專家桂海潮，引起了公眾的廣泛關(guān)注和極大興趣，激發(fā)了具有高水平但近視的科學(xué)家上太空進(jìn)行科研的欲望。

目前，航天員主要分航天駕駛員（又叫飛行專家）、航天飛行工程師（又叫任務(wù)專家或隨船工程師）和載荷專家三類。 我國從2020年選拔第三批航天員開始，除了繼續(xù)選拔了航天駕駛員外，還選拔了航天飛行工程師和載荷專家。這是因?yàn)閺?023年起，我國空間站要進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段了，需要派更專業(yè)的工程師和科學(xué)家上天來保障空間站長期穩(wěn)定的運(yùn)行，以及開展更復(fù)雜、更尖端的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)及航天技術(shù)試驗(yàn)，提高空間站的應(yīng)用效益。據(jù)悉，神舟16號乘組需要承擔(dān)非常繁重的空間科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)任務(wù)，將是我國目前為止開展在軌實(shí)（試）驗(yàn)項(xiàng)目最多的乘組。

由于這三類航天員分別執(zhí)行不同的任務(wù)，所以對他們在身體條件、工作技能、訓(xùn)練重點(diǎn)和任務(wù)完成等方面的要求也是不一樣的。其中，對航天駕駛員的身體素質(zhì)要求最高，對航天飛行工程師的身體素質(zhì)要求次之，對載荷專家的身體素質(zhì)要求相對最低。例如，在航天環(huán)境耐力與適應(yīng)性選拔中，航天駕駛員超重耐力檢查的負(fù)荷比航天飛行工程師和載荷專家更高；與之相對，對航天飛行工程師和載荷專家的知識結(jié)構(gòu)、工程技能、科研水平的要求比航天駕駛員更高。在后來的訓(xùn)練中也是如此，每一名航天員在全面訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，會更加側(cè)重個(gè)人負(fù)責(zé)任務(wù)方面的訓(xùn)練。此外，根據(jù)受訓(xùn)航天員個(gè)人的基礎(chǔ)和專業(yè)背景不同，在訓(xùn)練科目、內(nèi)容和學(xué)時(shí)等要求方面也會有所不同。

從全球來看，至今航天駕駛員大多為男航天員，只有幾名女航天員當(dāng)過航天駕駛員，但男女航天員都可以勝任航天飛行工程師和載荷專家。

所以盡管神舟16號乘組中的三類航天員在職責(zé)上有分工，但是他們都是一專多能，均進(jìn)行過有主有次的全面訓(xùn)練，所以在太空工作時(shí)都可以互為備份，共同完成任務(wù)。

為滿足載人航天工程后續(xù)飛行任務(wù)需要，我國第四批預(yù)備航天員選拔工作已于2022年啟動(dòng)。本次共選拔12～14名預(yù)備航天員，包括航天駕駛員7～8名，航天飛行工程師和載荷專家共5～6名，并首次在港澳地區(qū)選拔載荷專家。

神舟16號飛行任務(wù)的創(chuàng)新成果舉不勝舉，今后還會有許多。其最終都是為了一個(gè)目的，就是以“多、快、好、省”的方式，使我國空間站能夠早日取得具有重大科學(xué)價(jià)值的研究成果和具有重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果，為人類和平開發(fā)太空資源做出更多、更大、更好的貢獻(xiàn)。