庞之浩：中国载人航天技术发展概览（2）

此后，我国载人航天进入第二步第二阶段。2016年、2017年分别发射天宫二号空间实验室、神舟十一号载人飞船以及天舟一号货运飞船，验证空间站部分新技术，进行中等规模的空间应用发展。天宫二号原来是天宫一号的备份，由于天宫一号目标飞行器表现得很好，目前仍在超期服役，所以对天宫二号进行了适应性改装，让它执行空间实验室任务，包括考核航天员中期在轨驻留的能力，验证在轨补加推进剂技术，开展较大规模科学实验和应用试验，以及在轨维修和空间站技术验证等实验。

我国正在研制的天舟货运飞船由货物舱和推进舱组成，其上行货物运输能力是6.5吨，下行销毁废弃物能力是6吨，达到了国际先进水平。俄罗斯的进步号货运飞船每次只能运输2.5吨货物。

第三步，在2020年左右建成长期载人的大型空间站，大规模长时间开发太空资源。我国空间站基本构型是T字形，由从2018年起先后发射的三个20吨级的舱段组成，其中天和一号核心舱居中，实验舱Ⅰ问天和实验舱Ⅱ梦天分别对接在两侧。我国空间站采用再生式生命保障系统，按长期载三人状态设计，每半年由载人飞船实现人员的轮换，由货物飞船进行推进剂和物资的补给。为此，要突破四大关键技术，包括推进剂补加技术、物理化学再生式生命保障技术、电源技术和空间机械臂技术。它将在轨运行10年以上，成为我国空间科学新技术研究实验的重要基地，还是科学普及和国际合作的基地，可以获取具有重大科研价值的研制成果和重大战略意义的运用成果。

二、神舟飞船发展历程：从一号到十一号

神舟飞船是我国第一代载人飞船。从系统组成讲，我国的神舟飞船采用了当时最先进的三舱式构型。1992年9月21日，我们决定采用三舱式飞船，由轨道舱、返回舱、推进舱组成（有的时候还要加一个附加段或者对接口）。其中，轨道舱和返回舱是压力密封舱，里面的环境和地面是一样的。整个飞船长约9米，重约8吨，乘员人数是3人，入轨载荷是300公斤（因为有货运飞船，载人飞船主要以载人飞船为主），返回时还能带回100公斤的样品。飞船的可靠性达到97%，航天员安全性达到99.7%。飞船的自主飞行时间可以达到7天，如果停靠在天宫或者未来空间站上，可以达到180天。两个压力舱内部的压力在101千帕左右，气体成分是氧氮混合气，这和地面是一样的。飞船内航天员自由活动空间大概有6个立方米。最后返回地面的是返回舱，具有支持航天员生存的功能，在陆上可以生存48小时，在海上可以生存24小时。在预定地点着陆后，马上有着陆场系统的救援人员为航天员提供支持。如果没有降落在着陆地点，航天员本身可以自我紧急救生，随后等待救援部队进行救援。

神舟载人飞船由飞船系统总体和13个分系统组成。分系统有结构与机构分系统、热控系统、环境控制与生命保障系统，等等。在13个分系统中，乘员分系统和有效载荷分系统分别属于航天员系统和空间应用系统的装船部分，其他属于飞船分系统。这些分系统涉及物理、医学、环境等数十种科学领域，所以飞船具有技术的多样性和研制的复杂性的特点。

飞船一般是在既定轨道飞行，包括空间站也是。所有载人航天器轨道高度一般都在300公里到500公里范围之内进行飞行。如果再高，将进入或者接近地球腐蚀带，对航天员造成伤害。如果低于300公里，则会受残存大气阻力影响，轨道衰减较快，这样就需要较多的推进剂进行轨道保持。

我国的飞船是一般先发射到近地点200公里、远地点350公里的椭圆轨道，到5圈时再变轨，运行在倾角42.4°、高343公里的圆轨道上，目的是为了紧急返回时方便。但是，2016年10月中下旬发射的神舟十一号载人航天飞船将在393公里高的轨道上与天宫二号进行交会对接，主要是考虑到我国未来空间站将在393年公里高进行交会对接。为了验证技术，这次交会对接的轨道比原来运行的轨道高50公里。

　　（一）我国飞船技术状态

为了适应不同阶段的任务变化，神舟系列载人飞船有三种技术状态。第一种是初期试验技术状态。它的特点是，神舟飞船的轨道舱可以进行留轨利用。飞船完成任务以后，返回舱返回地面，轨道舱还可以留轨利用半年以上，相当于一颗科研卫星。神舟五号、六号飞船就采用这种技术状态。第二种是出舱活动试验技术状态。它的特点是，为了完成航天员空间出舱活动（太空行走），轨道舱不再留轨利用了，因此取消了轨道舱上的太阳电池翼和姿态控制系统，但它的轨道舱除了具备生活舱的功能，还具备出舱活动的气闸舱功能，用于突破太空行走技术。轨道舱还放置了舱外航天服，并配置轨道舱卸负压系统、舱外行走扶手。神舟七号载人飞船就采用这种技术状态。第三种是天地往返运输器技术状态。它的特点是在轨道舱的前端安装了用于交会的测量、运动控制等设备和对接用的机构，用于跟其他的航天器进行交会对接，而且它的轨道舱也不留轨利用，因此轨道舱没有太阳电池翼和独立姿控系统。神舟八号以后的所有神舟飞船都采用这种技术状态，作为天地往返运输器，供天宫一号、二号以及未来的天宫空间站使用，运送往来的人员。

下面对神舟飞船三个舱进行一个简单介绍。轨道舱位于飞船的最前部，是一个圆柱形，最长2.8米。这个舱用于航天员登天以后在里面工作、吃饭、方便、睡觉。返回舱位于飞船中部，呈钟形，长2.5米，最大直径也是2.5米，在返回舱外表面涂有不同厚度的低密度烧蚀材料。由于返回的时候经过大气层会产生高温，通过烧蚀材料，能够将舱内温度控制在40度以下，在航天员可以忍受的范围内。另外，返回舱上还有缓冲发动机，着陆的时候起动缓冲发动机，使航天员乘坐飞船软着陆。当然，返回舱还装有降落伞，离地面10公里的时候打开降落伞减速。推进舱位于飞船的后部，是一个非密封结构。它也是一个圆柱体，总长2.94米，主要是为飞船提供动力和能源，并进行姿态控制、变轨、制动，等等。

（二）神舟飞船的技术特点

我国的神舟飞船有几大技术特点。第一，作为我国第一代飞船，神舟飞船起点很高，直接研制三舱式飞船，可以乘坐三名航天员。第二，我国的飞船可以一船多用，国外的飞船返回后，它的轨道舱就废弃在轨道上了，而我国飞船的轨道舱具有留轨利用的功能，可以再工作半年，发挥余热。第三，性能先进，智能化程度很高，在某些方面比俄罗斯联盟号飞船性能还好。比如，采用信息技术的最新成果，从自动化控制、制导导航到数据管理，从应对故障的冗余设计到液晶显示，神舟飞船的电子技术和智能化水平远远领先。装在飞船推进舱上的太阳电池翼具有自动对准太阳的功能，能够保证飞船的电源充足。国外的飞船有的还是采用电池，包括美国的航天飞机都是采用电池。第四，我国神舟号飞船防热技术具有国际先进水平。最大直径为2.5米的神舟号飞船返回舱表面积是22.4平方米，使用的防热材料总质量是500公斤。而俄罗斯的联盟号飞船直径比我们小，只有2.2米，表面积是17平方米，但它的防热材料质量达到700公斤。第五，神舟号飞船降落伞是世界上回收能力最强的降落伞之一，也是最大的，足有1200平方米。降落伞由引导伞、减速伞、主伞、牵顶伞（后加）和伞包组成。引导伞的任务是将减速伞拉出、拉直；减速伞把返回舱的速度从每秒200米减至每秒80米左右后，与主伞分离；主伞打开以后，能把返回舱的速度减至每秒6米。整个降落伞在地上足有半个足球场大小，但折叠起来只有一个手提包大小，质量仅有90多公斤，如果用普通的降落伞材料制作，体积和质量都会增加三倍。

神舟号飞船采用了多项先进技术，其中10多项关键技术达到了国际先进水平，它使我国载人飞船技术达到或优于国际第三代载人飞船的水平。从神舟八号起，我国的飞船就基本定型了，并有交会对接功能，可以小批量生产，因而可以提高可靠性、缩短研制周期、降低研制费用。其对接机构采用了异体同构周边式对接机构，可以在对接以后形成直径0.8米航天员转移通道，而且定型以后还改进了手控设备，增加了8台平移发动机和4台反推发动机，可以使飞船向前平移或后移，对接的时候更加自由，同时提供了紧急避撞的动力，可以及时返回撤离。为了安全起见，神舟号飞船的返回舱落地时，要提升座椅，以免减少落地时产生冲击力。

从神舟九号飞船起，返回舱内的航天员座椅下的提升装置用压缩空气取代了燃气，这样比较安全。为了满足交会对接和返回的需求，飞船上有1吨的推进剂，同时配备了应急电池，舱外还有摄像机，采用了扩频通信方案，大大提高了图像的传输质量。另外，对神舟飞船的技术性能和安全性、可靠性也进行了进一步改进。比如，飞船在前期可以独立飞行5~7天的基础上，具有了与空间站对接后停靠180天的能力，而且它的推进舱的太阳电池功率也提高了50%，由1.2千瓦增加到1.8千瓦。返回时为了更加安全，在以前的几个伞的基础上增加了一个牵顶伞，进一步提高了整个回收系统的可靠性。在神舟九号和十号任务中，为了解决女航天员适体性问题，对女航天员所使用的舱内航天服、座椅也进行了修改，并且为女航天员准备了巧克力、甜食和一些补血食品，对大小便收集装置的高度和相对位置也进行了局部修改。