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飞天梦想

(2007年03月28日 15:15:25)
来源:《太空探索》

□作者: 庞之浩

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  载人航天是当今高技术中最具挑战性的领域,能体现一个国家的综合国力和整体科技水平。早在20世纪70年代初,中国就开始可载人航天的研究,并曾做出过一个名叫曙光号的二舱式飞船的全尺寸飞船模型。但由于当时的政治环境、经济能力和工业基础等条件不成熟,所以半途而废了。
  随着中国国民经济和科学技术的不断发展,1992年9月21日,党中央批准研制载人航天工程。
  
  通天之舟
  神舟号飞船是以中国空间技术研究院为主研制的,采用了多项新技术,其中有一些关键技术达到国际先进水平。今后,神舟号飞船还将成为空间实验室和空间站的天地往返运输器。
  该飞船采用目前最先进的三舱式构型,由结构与机构、环境控制与生命保障、热控制、制导导航与控制、推进、测控与通信、数据管理、电源、返回着陆、逃逸救生、仪表与照明、有效载荷、乘员共13个分系统组成。这些分系统是飞船上为完成某一特定功能的仪器、设备或部件的组合。它们涉及物理(机、电、光、热)、化学、生物、天文、医学和环境等数十种学科领域。由此也能看出,载人飞船所包含的技术的多样性和研制的复杂性。
  神舟号飞船由轨道舱、返回舱、推进舱和1个过渡段组成。其中载人的轨道舱、返回舱可谓“一室一厅”,作为“一室”的返回舱是航天员在发射、返回和休息时呆的地方;作为“一厅”的轨道舱是航天员工作的场所。
  轨道舱外形为两端带有锥角的圆柱形,位于返回舱前面,这是为了增加航天员的活动空间。它里面装有多种试验设备和实验仪器,可进行对地观测。其两侧装有可收放的大型太阳能电池翼、太阳敏感器和各种天线以及各种对接机构。轨道舱是航天员在轨道飞行期间的生活舱、试验舱和货舱。
  返回舱外形为大钝头倒锥体的钟形,位于飞船中部,是载人飞船发射和返回过程中航天员乘座的舱段,也是飞船的控制中心,因而必不可少。它不仅和其他舱段一样要承受起飞、上升和轨道运行段的各种应力和飞行环境,而且还要经受返回时再入大气层阶段的减速过载和气动加热。舱内设置了可供3名航天员斜躺的座椅,座椅下方设有仪表盘和控制手柄、光学瞄准镜,还装有照明灯和通信设备等最必需的设备。其为密闭结构,前端有舱门,供航天员进出轨道舱使用。神舟号的返回舱容积是世界上已有的近地轨道飞船中最大的1个。
  
  推进舱也是圆柱体。它紧接在返回舱后面,通常安装推进系统、电源、气瓶和水箱等设备,起保障和服务作用,即为飞船提供动力,进行姿态控制、变轨和制动,并为航天员提供氧气和水。推进舱安装有4台大推力的主发动机和平移发动机,推进舱的两侧还装有20多平方米的主太阳能电池阵。
  过渡段在飞船顶部,用于与其它航天器对接或空间探测。
  在发射载人飞船之前,中国先发射了4艘无人试验飞船,以便对各系统设计的正确性和协调性进行考核;对各系统的工作性能、可靠性和安全性进行考核;对系统间的匹配性、协调性进行考核;对飞船载人环境进行考核,以获取航天员船上生活环境和与航天员安全有关的数据。通过试验发现不足,经过改进再试验,直到飞船的各项功能、性能完全符合要求,确保发射载人飞船安全、可靠。
  中国通过4艘无人试验飞船的发射和飞行试验,科技人员取得了数据、验证了设计、锻炼了队伍、演练了程序,从而为此后发射的神舟五号和六号等一系列载人飞船奠定了基础。
  
  技高一筹
  与国外飞船的发展相比,中国神舟号系列飞船有不少突出的优点。例如:
  起点高。作为中国第1代载人飞船,它的起点很高,越过了单舱式飞船、双舱式飞船,直接研制三舱式飞船,可乘坐2~3名航天员。
  一船多用。神舟号飞船可以一船多用。国外的飞船在返回后,其轨道舱一般废弃在轨道上,而中国飞船的轨道舱具有“留轨利用”的功能,舱内的仪器设备能在无人值守的情况下,像科技卫星一样自主地工作半年左右,因此能充分发挥飞船的“余热”。今后,它还可以用于交会对接试验,为今后中国载人航天第2 期工程奠定基础。
  返回舱直径大。俄罗斯联盟号飞船返回舱直径为2.2米,而中国神舟号飞船返回舱直径有2.5米,比它大30%左右。
  使用“模拟人”。率先在神舟三号和四号飞船上配置了“模拟人”,以检验飞船的载人功能。
  下面就让我们回顾一下神舟号系列飞船的发展历程。
  
  
  首次升空第一多
  1999年11月20日发射的神舟一号创造多项第一。它首次采用了“三垂”新模式。中国在原有的航天测控网基础上新建的符合国际标准体制的陆海基航天测控网,也在这次发射试验中第一次投入使用。飞船在轨运行期间,地面测控系统和分布于公海的4艘远望号测量船对其进行了跟踪与测控,成功进行了一系列科学试验。
  其实,神舟一号飞船主要是利用长征二号F火箭发射的机会,着重考核整个载人航天工程总体设计方案的可行性,特别是飞船系统的舱段分离技术、调姿制动技术、升力控制技术、防热技术、回收着陆技术等5大关键技术的可靠性。因此,飞船采用了最小的配置,仅装配了与飞船返回系统紧密相关的8个分系统,飞船的轨道舱也没有进行留轨试验。
  从飞行结果看,试验取得了圆满成功,为中国发展载人航天事业迈出了重要一步。它证明了中国研制的飞船和新型运载火箭性能优良,新建的载人航天发射场和航天测控网具有先进水平。
  
  成果丰硕的留轨实验
  与神舟一号试验飞船相比,2001年1月10日发射的神舟二号飞船是中国第1艘无人正样飞船。其系统结构有了新的扩展,技术性能有了新的提高,飞船技术状态与载人飞船基本一致。
  中国利用该飞船的有效载荷开展了一系列空间科学试验,这是中国首次在自己研制并发射的飞船上进行多学科、大规模和前沿性的空间科学与应用研究。其中神舟二号飞船轨道舱进行了首次留轨运行,在天上正常工作上百天,成功地进行了一系列空间科学实验,有的达到国际同类设备的先进水平。国家有关部门负责人认为,中国空间科学和应用研究在神舟二号飞船上取得的科研成果,标志着中国的空间科学和应用研究实现了新的跨越,它对中国科学技术和国民经济发展起到积极的促进作用。
  作为中国第1艘按载人飞行要求而采用全系统配置的神舟二号飞船,其在完善了神舟一号飞船在舱内温控、系统配合等方面存在的不足基础上,重点考核了环境控制与生命保障、应急救生2个分系统的功能,进一步检验了飞船系统与其他系统的协调性。同时,轨道舱进行了长达半年之久的留轨实验,这也是具有特色的一项世界先进技术,等于免费发射了一颗实验卫星。
  
  “模拟人”登天不一般
  神舟三号是2002年3月25日升空的,其技术状态与载人状态完全一致,进一步优化改进了许多分系统的性能,这在确保航天员安全措施方面得到了较大完善。通过这次发射试验,运载火箭、飞船和测控发射系统进一步完善,提高了载人航天的安全性和可靠性。
  该飞船的一项惊人之举是装载了太空“模拟人”。以“模拟人”这种无生命载荷取代动物,在飞船内模拟、检验飞船载人状态,这是中国在世界上的首创。
  与第2次飞行试验相比,神舟三号飞船还增加了逃逸与应急救生功能,即增加了在飞船发射出现故障时,用于保证航天员安全脱离危险的逃逸救生塔。其功能是在飞船的待发和上升段,一旦出现危及航天员生命的情况,可以发出一条指令,把装载航天员的舱体与火箭分离开来,让航天员得以逃生。逃逸功能的实现,可以通过地面发出指令控制,也能由飞船自行实施。
  
  载人前的最后一次演练
  2002年12月30日入轨的神舟四号是中国发射的最完善的无人试验飞船。其飞行试验是无人状态下考核最全面的一次飞行试验,其中包括飞船和火箭系统、测控系统、航天员系统、陆海应急救生系统、主着陆和备用着陆场等。


  这艘飞船在充分继承前3艘无人飞船成熟技术的基础上,增加了人工控制和在轨自主应急返回等多项功能,以便进一步考核飞船系统的工作性能、可靠性和安全性,获取航天员在船上的生活环境和与航天员安全相关的数据。
  为了确保航天员的安全,为神舟四号设计了多种救生模式,以确保飞船发射后的不同阶段若出现意外都能保证航天员安全返回地面。此外,还对所有材料进行了化验检查,在满足医学指标的基础上,进一步从工效学的角度,对飞船内部设施进行了优化,使其符合人的生活、工作习惯。例如,调整了仪表的颜色、大小,并考虑到各种仪器、开关在失重状态下的操作特点,增加了关键事件的语音提示和重要操作事件的时间提示。
  
  神舟四号是目前惟一一艘经过“装修”的飞船。科研人员按照载人要求,对飞船内的电缆、管路等进行了保护,并在选择颜色时煞费苦心。此外,这次神舟四号的所有舷窗玻璃都换成了一种新材料,保证完成航程返回再入大气层后,舷窗透光性能良好,可使航天员着陆后能可靠地判断着陆地形,决定是否脱掉主伞。
  另外,这次在飞船里安置了2个穿航天服的“模拟人”,旨在对船内环境控制与生命保障系统进行全面考核,便于对获得的大量数据进行分析,进一步验证船内载人的安全性、可靠性。
  与前3艘飞船不一样的地方还有:为了应对由于气象等原因飞船不能返回到内蒙古中部主着陆场的情况发生,提高返回的成功率,神舟四号飞船具有返回酒泉副着陆场的能力。按照正式载人飞行的要求,这次试验飞行设立了若干陆上应急救生区和海上应急救生区,部署了海上应急救生船和几十架飞机,救护人员到位并进行了有关演练。
  总之,神舟四号在充分继承前3艘无人飞船成熟技术的基础上,进一步提高了飞船的可靠性和安全性。完善了应急救生系统功能,增加了航天员手动控制系统,增强了整船偏航机动能力,改善了舱内载人环境,充分考虑了航天员座椅使用、出舱进舱、操作是否方便舒适等因素,并在发射前由航天员进行了人船联合测试、工效学评价试验考核。
  
  圆中华千年飞天梦
  2003年10月15日发射的神舟五号与神舟四号基本相似,总长8.86米。所不同的是神舟五号的头部是圆柱体,而神舟四号的头部是半球体;神舟五号舱内比较空,为的是尽可能给航天员留出空间,神舟四号里面则装满了实验仪器和物品。
  
  实现载人飞行,确保航天员安全是关键。针对航天员的安全问题,在设计神舟五号飞船时有一个原则,就是飞船的每一个系统要做到“一次故障,正常飞行;二次故障,安全返回”。换句话说,当一个系统第一次出现故障时,要做到飞船能正常运行,出现第二次故障时,能保证航天员安全返回。与神舟四号相比,神舟五号飞船进行了39处提高可靠性的改进和20处提高安全性的改进,并安排了56项可靠性试验和9项安全性试验。
  神舟五号飞船认真汲取前4艘飞船的研制经验,在诸多关键技术方面又进了一步,使安全性、可靠性更高。比如,轨道舱和返回舱连接处需要多个螺栓来加固,但当2个舱在太空分离时,螺栓需要立即“松绑”,也就是“连要连得可靠,断要断得干脆”,这就是舱段之间的连锁技术。通过前几次上天测试,这项技术在神舟五号得到升华。
  此外,像飞船如何进行空中姿态调整,穿过稠密大气层时如何不被烧蚀,如何利用空气作用安全着陆等技术环节,这些在总结以往经验的基础上都一一得到完善。
  座椅缓冲器是航天员座椅下的一个装置,类似汽车座椅下的减震器。它可在返回舱缓冲发动机工作不正常时,用于缓冲返回舱“硬着陆”时对航天员的冲击,以保障航天员的安全。
  在前4艘神舟飞船上采用的是拉力式座椅缓冲器,为了使航天员更加安全地返回地面,神舟五号改用了胀环式座椅缓冲器,把航天员的胸背向的冲击过载降到安全区域内,从而为中国航天第一人杨利伟安全返回又多加了一道保险。
  飞行中考核了飞船整船的软件、硬件产品及机、电、热设计,证明了该飞船具备了载人航天飞行的条件。
  神舟五号载人飞行的成功使中国成为继苏、美之后世界第3个掌握载人航天技术的国家,是中国航天史上一座新的里程碑。它对中国的政治、军事、经济和科技等方面的发展均有重要的战略意义;带动了一大批高新技术领域的水平提高,促进了中国科学技术水平的全面进步;为未来开发太空,获取经济利益奠定了基础;培养了尖端科技和管理人才;带动了相关产业的发展;极大地振奋了民族精神。
  
  六六大顺展新颜
  2005年10月12日9时整,举世瞩目的中国第2艘载人飞船神舟六号把费俊龙、聂海胜2名航天员送入太空,在太空飞行5天后于10月17日4时33分安全返回地面。
  神舟六号飞船主要完成了三大任务:一是继续突破载人航天的基本技术,比如多人多天太空飞行技术;二是继续进行空间科学实验,尤其是进行了中国第一次有人参与的空间科学实验;三是继续考核和完善工程各系统的性能,从而发现不足,进一步完善各系统性能的任务,使它们更加成熟,为确保以后的神舟七号、八号的成功做准备。
  
  作为神舟五号飞船的后续产品,神舟六号飞船在设计上优化了全船配置,减轻了结构重量,合理安排了新增设备在轨飞行工作模式,保证了飞船的能量平衡,进一步提高了飞船的可靠性和安全性。
  神舟六号相对于神舟五号飞船主要变化是:航天员人数从1人到2人;飞行天数从1天到5天;航天员活动范围扩大到全船,航天员首次打开返回舱舱门进入轨道舱进行工作和生活;首次让2位航天员脱下舱内航天服,换穿了工作服,进行科学实验和技术试验;取消了附加段;轨道舱方面进行了改进,食品柜置于轨道舱中,首次装有热饭用的电加热器、睡袋和太空马桶;对返回舱内的座位设置做了改动,由1个座位变为2个座位;航天员的食品种类也从神舟五号的二、三十种增加到四、五十种。总之,与神舟五号飞船相比,神舟六号的技术状态变化有110项。
  神舟六号全面验证和考核了载人飞船的生命保障功能,具有承上启下的重要意义,是中国载人航天工程“三步走”战略进入第二步任务的揭幕之战。
  
  出舱活动更精彩
  下一步,中国将发射神舟七号飞船,主要任务是进行航天员出舱活动。航天员出舱活动是非常复杂、十分危险但很重要的技术,主要用于在未来对大型航天器进行空间维修和组装。
  进行出舱活动最关键的技术是研制舱外航天服、便携式环控生保系统和载人机动装置以及气闸舱。
  进行出舱活动时首先航天员需要进入气闸舱,吸氧排氮;然后穿戴上复杂笨重的舱外航天服;穿戴完毕,打开通往太空的门,航天员开始太空行走。
  中国舱内航天服的研制生产大约用了10年时间,在此基础上,中国舱外航天服的研制正在加紧进行。
  另外,中国将建造亚洲最大的失重水槽,为航天员出舱活动训练提供支持。失重水槽是目前世界各国航天员进行出舱活动训练的重要设施,因其设备简单,简便易行,但缺点是水中存在黏性及阻力,操作不灵活并且有摩擦影响。目前,美国、俄罗斯和日本均建有失重水槽。失重水槽的建立是实现第二步目标的重要条件。
  神舟七号在外形上可能也与神舟六号有明显的不同,相关系统会有所改变。
  中国载人航天专家有句“口头禅”:“造船为建站,建站为应用。”神舟号飞船的最终用途是为空间站提供运输服务。为空间站提供运输就必须攻克空间交会对接技术,这样才能把航天员和所需物资及设备运到空间站上。进行空间交会对接时飞船要经历地面引导、自动寻的、最终逼近和空间对接4个过程,其关键技术是研制多种先进的测量敏感器和极其复杂的空间对接机构。据有关专家透露,神舟八号和九号有可能要进行无人空间对接,以后实现载人空间对接。
  另外,神舟号还将把中国首位女航天员送上太空。中国女航天员选拔培训已纳入计划,逐步展开。
  


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文章作者:庞之浩
责任编辑:skylook

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