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神舟,在神州腾起

——回望中国载人航天事业

2012年06月29日11:31    来源:科技日报     手机看新闻

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  科技发展 成就辉煌

  航天员景海鹏竖起大拇指,刘旺紧握右拳,刘洋脸上露出灿烂的笑容……

  这是6月18日神舟九号与天宫一号首次对接成功时,记者在北京航天飞行控制中心大屏幕上看到的情景。

  “神九”发射至今,航天员乘组先后完成与天宫一号的自动对接、分离,手控对接、分离,以及各项空间试验任务。截至记者发稿时,他们已控制飞船撤至安全距离。按计划,飞船将于29日上午10时许返回地面,我国首次手动载人交会对接任务也将进入最后阶段。

  经历了20年的发展,我国载人航天技术从无人到载人、从单人到多人、从舱内作业到太空行走,从飞船的“独角戏”到两个航天器的“双人舞”……立足高起点,实现了跨越式发展。

  目前,我国已掌握了载人天地往返、航天员出舱活动以及空间交会对接三大载人航天基本技术,为下一步建造空间站、开展大规模的空间应用奠定了良好的基础。

  从无人到载人,神舟迅速缩短与国际先进水平差距

  2003年10月15日9时整,神舟五号飞船运送着航天员杨利伟,由长二F火箭托举升空。

  这有力的一举,实现了中华民族千年飞天的愿望,成为了中国航天事业新的里程碑。

  我国载人航天研究的历史可以追溯到20世纪70年代初。在我国第一颗人造地球卫星东方红一号上天之后,当时的国防部五院院长钱学森就提出,中国要搞载人航天。1971年4月,国家提出了首个载人航天项目——“曙光一号”飞船。然而,受综合国力、工业基础等方面制约,该项目最终被搁置。

  随后20多年间,我国空间技术取得了长足发展,先后掌握了各种应用卫星的研制、发射和回收能力,为开展载人航天技术研究打下了坚实基础。

  1992年9月21日,政府批准载人航天工程正式上马,提出了“1998年在技术上取得突破、1999年争取飞船上天”的奋斗目标。

  1999年起,我国先后发射了神舟一号无人试验飞船,以及神舟二号、三号、四号正样无人飞船,圆满完成了既定任务,为最终实现载人飞行奠定了坚实基础。

  当“神五”任务取得成功后,时任中国载人航天工程副总指挥、中国航天科技集团公司总经理的张庆伟指出,从“神一”到“神五”,我国已突破了载人飞船再入升力控制、应急救生、软着陆、GNC故障诊断、舱段间分离、防热等13项关键技术,神舟飞船总体性能达到20世纪90年代国际先进水平。

  中国载人航天工程总设计师、工程院院士王永志曾介绍,前苏联的东方号、上升号,美国的水星号、双子星号等早期飞船,都采用返回舱+推进舱的两舱设计。随着飞船飞行任务的日益复杂,这样的结构已不能满足航天员对活动空间的需求,也不能满足航天员对特殊疾病的预测,以及心肺功能、前庭功能对航天飞行的适应。

  而神舟飞船直接采用由轨道舱、返回舱、推进舱组成的三舱设计,增加的轨道舱是航天员在太空时的生活舱和工作舱,返回地面之前将其分离,这样可以减小座舱尺寸。

  神舟飞船还拥有世界已有近地轨道飞船中最大的座舱,并直接针对三人乘坐而设计。舱段间的电、气、液路连接与分离技术等技术方面,也比东方号、水星号更为复杂。在电源方面,它采用太阳电池阵为主的电源方案,较东方号、水星号的电源系统技术有很大进步。此外,神舟飞船采用了升力式返回再入的返回方式,由GNC分系统进行再入过程中的升力控制,比国外的弹道式再入返回方式更先进,可以大大提高飞船返回着陆点的精度,降低再入过载峰值,减轻航天员返回地面时承受过载的痛苦。

  轨道舱留轨利用是神舟飞船另一特点——当飞船返回舱回到地面后,轨道舱仍然在轨飞行,进行约半年的空间科学试验。与其他国家将分离后的轨道舱废弃的做法相比,这不但节约了成本,也提高了空间科学研究及应用的效率。

  前苏联、美国在正式载人飞行之前,都通过搭载猴子、狗或猩猩进行过多次试验,检验飞船的生命保障系统。而我国则是用模拟人进行太空轨道飞行试验,通过监测装置,获取了更科学、更合理的数据。

  据介绍,我国之所以不进行动物搭载试验,主要基于三个理由:一是动物的生理系统和人的有区别,测量的数据未必可靠,发生意外也难以查明原因;二是动物不会老老实实地坐在座位上,容易闯祸;最重要的原因是,前苏联和美国进行试验时,人类还没有上过天,长期的失重环境是否对人的生命有影响还是未知数,所以需要通过动物进行探索和研究,现在国外已完成了载人航天试验,结果证明人在太空中健康可以得到保证。

  在神舟三号、四号飞船上均搭载了由仿真技术做成的模拟人,可以模拟航天员在太空生活时的脉搏、心跳、呼吸、饮食和排泄等多种重要生理参数,并随时受到地面指挥中心的监控,这使飞船环境控制与生命保障分系统得到了全面验证。

  此外,前苏联航天员加加林首次上天后,只绕地球飞行了一圈,美国首位航天员谢泼德只进行了亚轨道飞行。而我国首次载人航天飞行任务中,航天员杨利伟则在太空中飞行了21个小时。

  从单人到多人,中国载人航天事业迈入战略新阶段

  我国载人航天工程自立项开始,便确定了“三步走”的发展战略。一是发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验;二是在第一艘载人飞船发射成功后,突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术,并利用载人飞船技术改装、发射一个空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;三是建造载人空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

  随着神舟五号任务圆满完成,“三步走”中的第一步已经实现。而神舟六号的发射,则为第二步拉开了序幕。

  2005年10月12日,航天员费俊龙和聂海胜坐进了神舟六号船舱。上午9时整,飞船腾空而起,开始执行我国首次“多人多天”航天任务。

  飞船升空8个多小时后,费俊龙打开了返回舱与轨道舱之间的舱门,进入轨道舱开展空间科学实验。第二天,两位航天员开始有意识地加大动作幅度,以测试人的扰动对飞船姿态的影响。在进行了开关舱门、穿脱压力服、穿舱、抽取冷凝水四大项“在轨干扰力”试验后,科研人员确定这些活动对飞船姿态的影响很小,飞船可保持正常飞行,无需纠正飞船姿态。

  为满足“多人多天”任务的要求,神舟六号新增了40多台设备和6个软件,作出了110项技术改进。比如提高了冷凝水汽的能力,确保飞船湿度控制在80%以下;食品柜得到真正使用,通过水箱和单独的软包装两种方式准备了航天员用水;放置了食品加热装置和餐具;轨道舱中挂有一个睡袋,供两名航天员轮流休息;设置了专门的清洁用品柜,航天员可以用里面的温巾等物品进行清洁等。同时,飞船上还首次使用了大小便收集装置。

  在提高航天员安全性方面,科研人员根据杨利伟提出的建议,给“神六”返回舱座椅安装了为航天员量体制造的吸能座垫,可在撞击瞬间迅速分散冲击力,避免人体损伤。针对神舟五号上出现的坐椅提升后航天员难以看到舷窗外的情况,对航天员的坐椅缓冲器进行了重新设计。返回时,返回舱与轨道舱之间的舱门如果关闭不严,将威胁航天员安全。俄罗斯曾经有3名航天员因此而丧生。对此,科研人员为神舟六号设置了舱门密闭快速自动检测装置,并花费数月时间研制出一种不会产生纤维、静电、异味的抹布,专门用来清洁舱门。同时,用于发射“神六”的长二F火箭也有75项技术改动,更加安全、可靠和舒适。

  此外,神舟六号还得到一些日常的持续性改进,比如此前神舟飞船的“黑匣子”是1994年研制的,存储容量只有10兆字节。“神六”的黑匣子不仅存储量增大了100倍,而且数据的写入和读出速度也提高了10倍以上,体积却不到原来的一半。

  2005年10月17日4时33分,神舟六号返回舱准确落入内蒙古四子王旗主着陆场。至此,飞船共飞行115.5个小时。经过医疗人员检查后,两位航天员依次爬出舱门,向现场人员招手。我国首次“多人多天”太空旅程圆满结束。

  从舱内到舱外,中国人首次实现“太空漫步”

  2008年9月25日21时10分,神舟七号飞船搭载着翟志刚、刘伯明、景海鹏3名航天员发射升空。27日16点35分,翟志刚身穿我国自主研发的飞天号舱外航天服在太空亮相,成为我国“太空漫步”第一人。

  张庆伟表示,虽然同时搭载三人,但神舟七号绝非神舟六号的简单重复,而突破许多关键技术。

  神舟七号飞船的最大特色,来自于气闸舱研制。为完成航天员出舱活动,其轨道舱经过改进,既保留满足航天员生活的功能,又能充当出舱活动所需的气闸舱。

  据介绍,气闸舱起着调节气压的作用。航天员出舱前,能快速泄出空气,使舱内压力接近真空状态下的零气压;航天员返回后,它又能将压力快速恢复至一个标准大气压。

  虽然“神七”的气闸舱是在“神六”基础上改进而成,但俗话说“牵一发而动全身”,它实际上堪称是个全新的航天器。在外形上,去掉了一对太阳帆板,顶部安装了多个球形气瓶,还捆绑了一个颗伴飞小卫星;在内部,配备了复压气瓶、两套舱外航天服、泄复压控制设备和出舱保障控制台等舱载支持设备,同时还提供了睡袋、食品加热、个人生活用品和个人卫生装置等生活设施。为此,气闸舱的电路排布、防热措施、火工品设计、软硬件系统接口等均采取了全新设计。

  不论是航天员出舱还是返回,舱门打得开、关得上、密封可靠是至关重要的环节。在沿用“神六”舱门工作原理和设计形式等成熟技术的基础上,“神七”的舱门作出10多项改进。考虑到航天员身着出舱航天服,充压后服装体积会增大,“神七”舱门的通径也有所增加。

  舱外航天服也是出舱任务需突破的关键技术之一。

  据了解,舱外航天服其实就是浓缩的载人航天器。航天服内部具有气压维持、氧气供给、温湿度控制等功能,外部有防辐射、隔热、防微陨石、防紫外线等功能,为航天员在太空中提供生命保障、安全防护和通信保障。该装备技术复杂、集成度高,对安全可靠性的要求也很高。我国航天服研制历时10余年,每套造价约3000万元。

  神舟七号上,备有两种舱外航天服,一是俄罗斯的“海鹰号”航天服,二是我国的“飞天号”航天服。翟志刚步入太空时,所穿的航天服正是“飞天号”。

  除上述关键技术外,“神七”任务中还实现了多项技术创新。如中继卫星“天链一号01星”得到了首次应用,使飞船的测控覆盖率由此前的12%大幅提高到60%左右,让我国航天应急和管理能力取得了新的进步。

  同时,伴飞卫星释放支持及分离安全性设计技术也得到验证。伴飞卫星是伴随在航天器附近作周期性相对运动的卫星。神舟七号开展了我国首次在轨释放伴飞卫星及其伴随飞行试验,为伴飞卫星提供了释放平台,验证了释放能力,解决了伴飞卫星释放后对飞船的安全性影响问题。

  此外,出舱活动飞行程序设计技术、航天产品国产化技术与应用、飞船3人飞行能力设计与应用技术等均取得突破。

  经历2天零20小时27分钟的飞行,神舟七号于2008年9月28日17时37分返回,任务取得圆满成功。多个国家的航天专家、宇航员和航天机构对此予以积极评价,认为这将会改变国际空间技术合作的格局,并期待中国成为太空领域国际合作的重要伙伴。

  从“独角戏”到“双人舞”,我国掌握载人航天三大基本技术

  2011年,我国载人航天工程再度上演精彩华章,与以往不同的是,这次任务不再是神舟飞船的“独角戏”。

  9月29日,我国首个目标飞行器天宫一号发射入轨,在太空中静静等待。1个月后,神舟八号无人飞船准时起飞,向着“天宫”追去。11月3日凌晨1点36分,两个航天器在太空“牵手”,完成了我国首次空间无人自动交会对接,标志着我国成为继苏、美后第三个自主掌握自动交会对接技术的国家。

  天宫一号是我国首个空间实验室,由于是空间交会对接试验中的被动目标,所以也被称作“目标飞行器”。天宫一号的任务方案早在制订我国载人航天“三步走”战略时就已确定。2002年,在进行了方案论证和审查后,该目标飞行器整个任务方案得到通过。

  天宫一号由实验舱和资源舱组成。与之前我国的其他载人航天器相比,它为航天员提供的活动空间大大拓展,达15立方米,能够同时满足3名航天员工作和生活的需要。其发射成功,堪称是中国空间站的起点,标志我中国已经拥有建立初步空间站,即短期无人照料的空间站的能力。按照计划,它将在太空中驻留两年,依次与神舟八号、九号、十号飞船进行交会对接。

  神舟八号在前期飞船的基础上,进行了较大的技术改进。全船共有设备600多台套,半数以上的技术状态发生了变化,其中新研制的设备占15%。

  这些变化主要体现在两个方面。一是为使飞船具备自动和手动交会对接功能,新增加和改进了一些设备。比如新研制了异体同构周边式构型和多种交会对接测量设备,全新设计和研发了用于交会对接自主控制的飞行软件、控制软件,飞船上增配了平移和反推发动机;同时,航天员的手动控制设备也进行了改进。

  二是提升了飞船的能力。神舟八号在前期具备57天自主飞行能力的基础上,还具备停靠180天的能力。飞船电源帆板采用新的太阳能电池片,发电能力提高了50%。降落伞系统和着陆缓冲系统也得到改进,提高了使用的可靠性。

  空间交会对接任务给各个环节提出了更为苛刻的要求。

  首先是零窗口发射。所谓“零窗口”,是指在预先计算好的发射时间,分秒不差地将火箭点火升空,不允许有任何延误与变更。据介绍,为确保将飞船发射到与目标飞行器相同的轨道,神舟八号必须在天宫一号轨道面经过发射点后的特定时间准时点火起飞,否则要消耗更多的推进剂来进行轨道修正。同时,神舟八号的发射时间需要提前多日计算确定,这次发射一旦错过,下次发射时间又得重新计算选择。

  空间交会主要有四大步骤:地面引导、自动寻的、最终逼近、对接合拢。两个航天器看似移动缓慢,但这只是相对速度,其实它们都是以每小时约2.8万公里的速度飞行。在充斥着高密度等离子体、游离氧及紫外线等的复杂空间环境中,要让它们以这样的速度平稳、精确地接合,对测控系统提出了极高的要求。

  “神八”“天宫”首次对接并组合飞行了12天,于11月14日分离,大约半小时后,进行了第二次交会对接试验。

  “最担心的是强阳光对测量设备所造成的干扰。”天宫一号目标飞行器总设计师张柏楠表示。

  为充分验证测量设备的抗干扰能力,第二次交会对接选择了不同的空间环境,从阴影区转换成在光照区进行并取得成功,充分验证了测量设备的抗干扰能力。

  2011年11月17日19时32分,神舟八号飞船返回地面。至此,我国已掌握了载人天地往返、航天员出舱活动以及空间交会对接三大载人航天基本技术,为下一步建造空间站、开展大规模的空间应用奠定了良好的基础。(记者 付毅飞)

(责任编辑:姚卫华(实习)、马丽)

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