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【深度科普】中国载人航天工程“三步走”之初步探索

来源:中国数字科技馆
  载人航天是20世纪60年代航天发展的重大成就。受当时世界载人航天热潮的影响,中国很早就开始了载人航天探索,制定“714”载人航天计划,提出研制曙光号载人飞船。
  由于技术、经济、社会诸多方面原因,该计划于1974年停止。在计划执行期间,七机部在飞船设计、结构实验、航天员选拔及训练、航天医学等领域取得了一些成果。
  1992年,中国载人航天工程正式批准实施,并于2005年实现了载人航天飞行的目标。
一、载人航天早期探索
  早在1958年,中国科学院就开始了载人航天的规划工作。1961年4月,苏联人加加林首次进入太空,中科院通过举办星际航行座谈会探讨载人航天问题。
  1965年,在研究第一颗人造卫星及航天发展计划时,载人飞船名列其中。1965年8月9-10日由周恩来主持的中央专委会议曾原则通过同意在1979年发射第一艘载人飞船的规划设想。1966年中央专委进一步要求着手研制宇宙飞船。
  1967年9月,王希季和第八设计院进行了一种载1人飞船的总体方案论证。10月,中央专委将飞船命名为曙光一号。当年年底,八院先后完成了可载1名、2名、3名和5名航天员的四种方案的论证。
  1968年4月1日,航天医学工程研究所(507所)成立,开始了航天员的选拔工作。1970年7月14日,毛泽东圈阅了曙光一号飞船航天员选拔报告。因此,中国第一个载人航天计划就被称为“714”计划。
  1970年11月27日,国防科委提交《关于研制载人飞船、通信卫星、导弹卫星的请示报告》,提出曙光一号飞船由两名航天员驾驶,最长飞行时间为8天,争取1973年发射无人飞船,1974年发射载人飞船。1971年4月,载人航天工程方案论证会召开,提出的方案为载2人双舱式,构型类似于美国的双子座号。
  方案论证会后,由于政治形势的变化,加之反对之声不断,曙光一号研制出现了极大困难。
  1974年10月23日,国防科委、七机部联合向中央军委、中央专委报告,提出曙光号飞船研制工作应暂缓。周恩来曾就中国载人航天问题讲了几条原则:不与苏美搞太空竞赛,要搞好国家建设急需的应用卫星。技术力量贮备不足,加之航天任务调整到以应用卫星为主的规划上来,载人航天计划自此停止了探索工作。
  曙光一号飞船研制虽然停止了,还是取得了一些技术方面的进展,包括高空生物实验、航天员选拔、航天医学以及实验设备研制。1970年6~7月,首批20名航天员选拔工作结束。尔后开展了大量医学试验与测试。通过曙光一号飞船的预研,培养了一批从事飞船设计的技术专家,对飞船结构、材料、防热、试验、航天员食品以及专用设备设计也积累了不少经验。
二、载人航天工程立项
  1986年11月,国家出台“863”计划,航天技术是七大领域的第二个领域,其中包括两个主题:大型运载火箭及天地往返运输系统、载人空间站系统及其应用。在载人航天发展技术途径以及天地往返运输系统的选择上,出现了完全不同的观点。美国航天飞机研制成功,在世界范围内引起了强烈的反响,许多国家都在积极探讨研制航天飞机甚至空天飞机问题。在这一热潮触动下,中国航空航天界也在研究、规划新时期载人航天发展问题。围绕航天飞机、空间站、载人飞船,各相关机构和专家学者们开展了大量先驱性研究工作,为中国载人航天发展指明了方向。由于已经明确载人航天的长远目标是研制和发射空间站,因此研制何种形式的天地往返运输系统就成为需要研究的关键问题。
中国载人航天,中国载人航天工程“三步走”,世界载人航天
图1.科学家王淦昌、王大珩、杨嘉墀、陈芳允(右起)荣获“863计划”荣誉证书
  1986年4月,航天领域专家组在京成立,主要使命是对航天领域未来高技术尤其是载人航天发展技术途径进行技术和方案论证。专家组成员在中国载人航天如何起步问题上,存在着明显不同的意见。有人认为,中国载人航天应该从飞船起步,应该搞“飞船天地往返运输系统方案”;还有人指出,要搞就搞技术先进的航天飞机,应将航天飞机或空天飞机作为天地往返运输工具。
  于是,围绕着中国载人航天如何起步,国防科工委、航天工业部(以及后来的航空航天工业部)通过招标等多种形式,研究论证天地往返运输系统的技术途径。从提交的报告看,大多数机构主张研制航天飞机或空天飞机,只有空间技术研究院等少数单位坚持发展一次性使用的载人飞船。飞船方案抑或和航天飞机方案的论证和争论持续了3年。最后,科学家们终于达成共识,即以载人飞船研制起步,为最后决策提供了重要依据。
  为了推动载人飞船工程立项,1991年1月7日航空航天工业部成立“载人航天联合论证组”。经过3个多月的工作,论证组提出了载人飞船工程总体方案和飞船工程的技术指标和技术要求,为下一步组织论证提供了重要依据。1991年4月19日航空航天工业部发出关于开展飞船工程方案论证工作的通知,要求3个单位开展中国载人飞船方案论证。
  1991年6月底,空间技术研究院载人飞船工程总体论证组完成载人飞船工程技术方案的论证工作,并将论证报告于6月30日上报给航空航天工业部。当年6月,中央专委听取了航天领域专家委员会《关于发展中国载人航天的意见》和国防科工委《关于发展中国载人航天及其应用的意见》的汇报。会议倾向于同意专家委员会关于发展中国载人航天的目标设想,要求对发展中国载人航天的目的性做出进一步的详细的说明。航空航天工业部和国防科工委又对3个论证组提出进一步要求,继续开展载人飞船工程方案论证工作。1991年12月31日,论证结果上报航空航天工业部。
  1992年1月8日,李鹏同志主持中央专委会议,听取航天领域专家委员会和国防科工委关于发展载人航天的意义与作用以及载人航天工程可行性论证的汇报。会议认为,从政治、经济、科技、军事等诸方面考虑,中国发展载人航天技术是必要的。同年8月1日,中央同意《载人飞船技术经济可行性论证报告》,认为:“载人航天是航天技术的重要组成部分,也是当今世界高科技的一个重要发展领域。为了增强综合国力和国防实力,促进科技进步,培养壮大科技队伍,提高国家威望,增强民族自豪感和凝聚力,我们必须在这一领域占有一席之地。中国载人航天的发展设想是可行的。”
  1992年9月21日,江泽民主持召开中央政治局扩大会议,听取了论证报告和技术方案、经费估算和组织实施办法的汇报。经讨论,一致同意批准中国载人航天工程开始实施。由于中央专委批准日期是1992年1月,中央政治局扩大会议批准日期又是当年的9月21日,所以中国载人航天工程便被命名为921工程。1992年11月,空间技术研究院建立了载人飞船系统两师系统,戚发轫任首任总设计师,汪国林任首任行政总指挥。1993年12月,载人飞船系统的方案论证工作完成,飞船13个分系统也完成了方案论证。1994年,载人飞船被命名为神舟号。
  921工程是中国载人航天大系统的总称。除了神舟号飞船系统外,还包括航天员系统、有效载荷系统、运载火箭系统、发射系统、测控系统和返回着陆系统,共计七大系统。由于载人航天专业涉及面广、产品要求复杂、参加研制单位多、工程覆盖地区广,为了很好协调各系统研制,中国载人航天工程也设立了两师系统,王永志任首任工程总设计师、丁衡高上将任首任总指挥。
三、神舟飞船与火箭研制
  神舟号飞船是中国载人航天工程中最关键的系统。除承担天地往返运输任务外,飞船还可以作为空间站之间的渡船使用;也可以作为空间实验室完成科学研究、实验和观测任务。
  研制载人飞船的目的是:为突破关键技术,掌握载人航天基本技术和航天医学工程基础知识进行演示验证;进行2个航天器交会对接和航天员出舱活动试验;作为空间站的运输器,为其运送航天员和物资;停靠在空间站上作为应急救生船;开展空间应用和科学试验;为载人月球飞行和载人行星航行创造条件。
  神舟号载人飞船采用三舱一段的构型、弹道-升力式再入方式。飞船三个舱段按由前到后(在发射台上时由上到下)次序分别是轨道舱、返回舱和推进舱。返回舱前部呈球形,有舱门与轨道舱相通。返回舱是飞船的指挥控制中心,内设座椅,供航天员起飞、上升和返回阶段乘坐。座椅前方装有仪表板,显示飞船上各系统及其设备的工作状况。座椅下方设有仪表盘和控制手柄、光学瞄准镜、照明灯和通信设备。神舟号高约9米,重约7.8吨,最大直径2.9米。
  轨道舱是飞船进入轨道后航天员工作、生活的场所。舱内除备有生保系统外,还有空间应用和科学实验用的仪器设备。前端外部装有交会对接机构,与返回舱连接后底部有一个舱门,与返回舱相通。其两侧装有大型太阳能电池翼、太阳敏感器和各种天线等部件。轨道舱顶端还有一个过渡段,用于与其他航天器对接或开展空间探测。当航天员返回地面后,轨道舱可以留在轨道上自主工作,使飞船潜力得到更加充分的发挥,延长飞船执行空间应用和科学实验任务的工作寿命。推进舱又称设备舱,上面安装姿态与轨道控制用的推进系统、电源、气瓶和水箱等设备,起保障和服务作用,并为飞船变轨和姿态控制提供动力。
  为保证载人航天的安全,神舟号飞船装有逃逸救生塔。逃逸塔内有10台发动机,自上至下为控制发动机、分离发动机、主逃逸发动机和高空逃逸发动机。前3种负责39千米高度以下的逃逸救生任务;高空逃逸发动机在39~110千米高度内发挥作用。在神舟号飞船首次飞行试验前,逃逸塔已进行过多次逃逸救生试验。在返回过程中,飞船返回舱经过分离、调姿、反推发动机、降落伞和缓冲装置依次减速,以很低的速度(2~3米/秒以下)实现软着陆。飞船主减速伞张开后面积达1200平方米。
  神舟号飞船1995年完成了总体技术方案的设计工作,1998年完成了火箭—飞船—发射场的合练、零高度状态下的逃逸救生飞行试验等重大试验工作。随后,飞船系统转入正样研制阶段。
  神舟飞船的发射工具长征二号F的研制始于1992年。它在长征二号E火箭基础上增加了2个新系统,即逃逸系统和故障检测处理系统。火箭全长58.343米,起飞质量479.8吨,起飞推力604.4吨,芯级直径3.35米,助推器直径2.25米。火箭的近地轨道运载能力约为8吨。它是中国第一种高可靠、高安全、高质量的载人飞船发射工具,元器件可靠性提高到99%。长征二号F火箭经过8年旨在提高可靠性、安全性的设计工作之后,其性能稳定性、可靠性水平已超过普通用于商用卫星发射的运载火箭。经过适应性修改的长征二号F可以将近地轨道运载能力提高到11.2吨,通过调整助推器、上面级的组合能适应不同有效载荷的需要。经过适当的改进,它还可以用于开展月球探测或星际探索任务。
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图2.长征二号F火箭
四、神舟飞船载人飞行
  载人航天任务最基本的要求是保障航天员的绝对安全,因此在正式实施载人飞行之前,需要进行大量的技术研制试验与无人飞行试验。1999年11月20日凌晨,长征二号F火箭将神舟一号试验飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。飞行约10分钟后,神舟一号与火箭分离并准确进入预定轨道。飞船在轨道上飞行了14圈、21小时后,返回舱于12月21日03时41分在内蒙古中部四子王旗成功软着陆。中国第一艘宇宙飞船不载人发射试验获得成功,揭开了中国航天史的新篇章。神舟一号的飞行过程共有12个步骤。此后,神舟二号、神舟三号和神舟四号分别在2001年、2002年进行了三次不载人飞行试验,均获成功。这些无人飞行试验全面考核了载人航天工程的七大系统设计的合理性与可靠性、安全性,同时还开展了不同类型的搭载科学实验任务和仪器设备的考核任务。
  神舟一号到神舟四号飞船不载人飞行试验,全面考核了运载火箭的性能与可靠性、飞船的安全和可靠性、地面测试发控系统的适应性以及其他各大系统的可靠性。在载人航天工程七大系统都得到充分检验并证明达到预期目标的情况下,中国载人航天飞行活动正式开始。
  (一)杨利伟乘神舟五号首航太空
  神舟五号飞船首次载人飞行的主要任务是:完成首次载人飞行试验;在整个飞行期间为航天员提供必要的生活与工作条件;为有效载荷提供相应的试验条件;确保航天员和回收的有效载荷在完成飞行任务后安全返回地面;在飞行过程中,一旦发生重大故障,在其他系统支持和在航天员的参与下,能自主或人工控制返回地面,并保证航天员的生命安全;飞船的轨道舱留轨进行空间应用实验。
  参加此次飞行的中国首位航天员是杨利伟。2003年10月15日9时,长征二号F火箭将神舟五号飞船发射升空。大约10分钟后,神舟五号顺利地送入近地轨道。中华民族千年飞天梦终于实现了。9时34分,飞船舱内图像清晰地显示在北京航天指控中心的大屏幕上。杨利伟在与医学监督医生通话时显得相当沉稳。他说:“我感觉良好!”这是他登上太空之后的第一句话。10月15日9时42分,载人航天工程总指挥李继耐宣布:“飞船已进入预定轨道,发射取得成功。”
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图3.杨利伟展示国旗
  10月15日11时08分,杨利伟开始在太空中进餐。5分钟后,杨利伟开始休息。15时52分,北京航天指挥控制中心向杨利伟了解了飞船工作状况和他的身体状况。航天员向地面报告:航天服气密性良好,飞船工作正常。10月15日15时54分,飞船变轨程序启动,取得圆满成功。
  10月15日18时40分许,神舟五号飞船运行到第7圈,杨利伟在太空中展示中国国旗和联合国旗并说:“向世界各国人民问好,向在太空中工作的同行们问好,向祖国人民、港澳同胞、台湾同胞、海外侨胞问好,感谢全国人民的关怀。”23时08分,飞船进入第10圈飞行,杨利伟开始休息,睡眠持续了约3个小时。10月16日5时36分,指控中心发出“轨道舱分离”指令,飞船轨道舱与返回舱成功分离。5时38分,神舟五号制动火箭点火,返回舱飞行速度减缓,向预定着陆场降落。6时36分,地面搜索人员找到了神舟五号返回舱。6时54分,李继耐在北京航天指挥控制中心宣布:“神舟五号飞船16日6时23分在内蒙古主着陆场成功着陆,返回舱完好无损。我们的航天英雄杨利伟自主出舱。”中国首次载人航天飞行获得成功,成为世界上第三个独立掌握载人航天技术的国家,是中国航天史上新的重要里程碑。
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图4.杨利伟
  神舟五号成功飞行取得了一系列丰硕成果,包括:建成了初步配套的载人航天研制、试验体系,为工程的可持续发展奠定了基础;实现了高起点、高效益、跨越式发展;掌握了载人飞船工程的基本技术;获得了大量高水平的军民两用技术成果;突破并掌握了载人航天领域的一大批关键技术。
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图5.神五飞船返回舱
  (二)神舟六号双人飞行
  2005年10月12日上午9时,神舟六号在酒泉卫星发射中心发射升空,参加此次飞行的航天员是费俊龙和聂海胜。与神舟五号相比,神舟六号上新增加了40余台设备和6个软件,使飞船的设备达到600余台,软件82个,元器件10万余件,做出了四个方面110项技术改进。主要有:围绕两人多天任务的改进:食品柜得到真正使用,通过水箱和软包装两种方式准备了航天员用水。轨道舱功能使用方面的改进:放置了食品加热装置和餐具等;轨道舱中挂有一个睡袋,供航天员轮流休息用;大小便收集装置首次使用。提高航天员安全性的改进:对航天员的座椅缓冲器进行重新设计,使返回前航天员能看到舷窗外情况;研制成功返回舱与轨道舱间的舱门密闭快速自动检测装置。持续性改进:数据记录仪存储量比原来大100倍,且数据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。
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图6.神舟六号费俊龙(左)、聂海胜
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图7.神六缩比模型
  2005年10月12日17时29分,费俊龙打开神舟六号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。13日4时开始,航天员进行在轨干扰力试验,试验人的扰动对飞船姿态的影响。14日清晨,神舟六号在第30圈进行变轨后的首次轨道维持。15日16时29分,胡锦涛总书记与费俊龙、聂海胜通话并向他们表示祝贺。
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图8.神州六号航天员向地面报告
  2005年10月17日4时33分,神舟六号返回舱成功返回,费俊龙、聂海胜向控制中心报平安。半小时后,搜救直升机首先发现返回舱,实际着陆地点较预计相差仅1千米。神舟六号的飞行圆满成功。
  (三)神舟七号出舱活动
  2008年9月25日21点10分,神舟七号飞船发射升空,飞船返回舱于9月28日17点37分成功着陆。神舟七号共计飞行2天20小时27分钟。参加此次飞行的航天员是翟志刚(指令长)、刘伯明和景海鹏。最重要的任务是实施中国航天员首次出舱活动,突破和掌握出舱活动相关技术。同时在轨释放卫星伴飞,开展卫星数据中继等空间科学和技术试验。
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图9.长征二号F型运载火箭点火,神舟七号飞船在酒泉卫星发射中心升空
  神舟七号飞行任务有一些新的变化:第一、增加了出舱活动程序。航天员出舱活动是神舟七号相比于前期飞船最大的技术突破,包括气闸舱设计和出舱程序的设计。第二、由2人3天到3人多天飞行,要提供多增加一人的座椅、食品、饮用水、环境控制功能等资源支持。第三、增加了在轨试验环节。由于执行出舱活动任务,神舟七号全长达9.19米,重达12吨。轨道舱经过全新设计,除保留原来的工作和休息功能外,还实现气闸舱的功能,因此神舟七号轨道舱也可称为“气闸舱”。它的侧面开有圆形出入口,并附有泄压、助力、检漏、操作等机构。利用轨道舱首次完成有人参与的真空环境试验,在中国还是第一次。
  9月27日16点30分,景海鹏留守返回舱,翟志刚和刘伯明穿着舱外宇航服进入气闸舱。翟志刚出舱作业,刘伯明在气闸舱内协助。翟志刚首先探出头,向舱外安装的摄像头挥手,之后全身走出舱外。刘伯明也探出头来,交给翟志刚一面小型五星红旗。翟志刚接过五星红旗,向镜头挥动。随后,翟志刚取回舱外装载的固体润滑实验样品。16时58分,两名航天员完成舱外活动并返回气闸舱。翟志刚在舱外活动时间约19分35秒。神舟七号航天员首次太空漫步,使中国成为第三个实现航天员出舱活动的国家。
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图10.翟志刚
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图11.翟志刚出舱
  在航天员完成舱外活动后不久,即27日19时24分,飞船搭载的伴随卫星被成功释放。这颗伴随卫星安装在神舟七号轨道舱前端,重约40千克,具备光学成像、全球卫星定位系统导航、统一S波段测控等多种功能。伴随卫星以缓慢速度离开飞船,并在距飞船1千米处对飞船进行摄像和照相。40分钟后,存储图片将通过测控网传到北京飞行控制中心。
  航天员返回地面后,北京中心通过对星上下传数据进行分析运算,生成变轨参数后控制其逐步接近轨道舱,并最终实现围绕轨道舱飞行。伴随卫星的试验,一方面是为以后的应用开拓一个新途径,延伸大型航天器如空间站或者空间实验室的功能,为大型航天器在轨故障诊断和安全保障奠定基础。另一方面,地面系统对两个飞行器的运行轨道控制进行指挥、组织以及轨道预报等基础性的工作,为航天器交会对接积累技术经验。
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图12.神舟七号航天员返回
  神舟七号任务实现了“准确入轨、正常运行,出舱活动圆满、安全健康返回”的任务目标,实现了突破和掌握出舱活动技术的任务目标,并取得了中继试验和卫星伴飞的圆满成功,是我国载人航天事业发展史上的又一重要里程碑,是我国空间技术发展的又一次重大跨越。
  神舟七号及3名航天员安全返回地面,标志着载人航天工程“三步走”战略的第一步圆满完成。
  (作者:航天科普研究者 里程)
本文来自:中国数字科技馆
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