“神舟”再赴蒼穹會(huì)“天宮”

從神舟一號(hào)到神舟十一號(hào)，中國載人航天工程已成功發(fā)射11艘神舟飛船、天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器、天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室，累計(jì)有11名航天員圓夢(mèng)太空。如今，中國朝著空間建站的夢(mèng)想又邁進(jìn)了一步。

11月18日13時(shí)59分，神舟十一號(hào)載人飛船在內(nèi)蒙古中部預(yù)定區(qū)域成功著陸，宇航員景海鵬、陳冬安全返航。這標(biāo)志著天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)載人飛行任務(wù)圓滿成功。

33天前的早晨，一聲驚雷響徹戈壁，長征二號(hào)F型火箭運(yùn)載著神舟十一號(hào)飛船，掙脫大地的束縛，直沖天際，踏上了“追吻”征途。在距離地面393公里的軌道上，9月15日發(fā)射的天宮二號(hào)正等候著與神舟十一號(hào)飛船“擁吻”。歷時(shí)40多個(gè)小時(shí)、穿越浩渺蒼穹，兩個(gè)比子彈速度快8倍的飛行器在外太空完美交會(huì)對(duì)接。

“天神合體”之后，兩名航天員在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室工作生活了30天。這期間，他們開展了航天醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括在軌維修在內(nèi)的技術(shù)試驗(yàn)，以及科普活動(dòng)等數(shù)十項(xiàng)工作，為中國科學(xué)事業(yè)的發(fā)展積累了大量寶貴數(shù)據(jù)。

這是一次任務(wù)的結(jié)束，更是一段新征程的開始。中國深空探索已經(jīng)啟航，邁向更遙遠(yuǎn)的新星際旅程才剛剛拉開帷幕。

飛得更高 實(shí)驗(yàn)更多 時(shí)間更長

與之前的“神舟”前輩們相比，神舟十一號(hào)有哪些不同之處呢？

“神舟十一號(hào)的特點(diǎn)是飛得更高，實(shí)驗(yàn)更多，時(shí)間更長?！鄙裰凼惶?hào)飛船由航天科技集團(tuán)五院抓總研制。飛船的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GNC分系統(tǒng)，承擔(dān)著飛船從起飛到返回的全部運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。神舟十一號(hào)飛船GNC分系統(tǒng)指揮羅谷清指出，神舟十一號(hào)是中國載人航天工程三步走中從第二步到第三步的一個(gè)過渡，需要為建造載人空間站做好準(zhǔn)備，因此具備了這三個(gè)與前輩們不同的特點(diǎn)。

飛得更高，是因?yàn)槲磥淼妮d人空間站軌道位置比較高。過去，神舟十號(hào)與天宮一號(hào)對(duì)接時(shí)，軌道高度是343公里。而神舟十一號(hào)和天宮二號(hào)對(duì)接時(shí)的軌道高度是393公里，比過去高了50公里。這與未來空間站的軌道高度基本相同，飛行也更加接近未來空間站的要求。飛得更高對(duì)飛船的要求也更多，這意味著交會(huì)對(duì)接時(shí)飛船的控制與神舟十號(hào)不一樣，需要連續(xù)變軌。

實(shí)驗(yàn)更多，是因?yàn)檫@次飛行要進(jìn)一步考核神舟飛船作為人員物資天地往返運(yùn)輸工具的性能。任務(wù)期間神舟十一號(hào)要進(jìn)行4項(xiàng)在軌試驗(yàn)項(xiàng)目：寬波束中繼在軌驗(yàn)證試驗(yàn)、變軌控制驗(yàn)證試驗(yàn)、帆板任意偏置角跟蹤太陽功能驗(yàn)證試驗(yàn)和微生物控制試驗(yàn)。通過這些試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證飛船設(shè)計(jì)功能，獲取和積累載人環(huán)境相關(guān)的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

時(shí)間更長，是因?yàn)榇舜稳蝿?wù)中，航天員需完成組合體30天中期駐留任務(wù)，比神舟十號(hào)的15天多了一倍。在這一個(gè)月中，要保障航天員的生活健康，也要保證航天員執(zhí)行飛行任務(wù)的能力，因此，飛船在駐留、應(yīng)急、返回方面的保障能力比過去增強(qiáng)很多。

想要成功對(duì)接并非易事

在黑暗的太空，神舟十一號(hào)要想要追上天宮二號(hào)，必須隨時(shí)掌握它的實(shí)時(shí)蹤跡，然后主動(dòng)“邂逅”，逐步靠近直至完美對(duì)接。宇宙漫漫，“追吻”之旅也是磨難重重。

神舟十一號(hào)載人飛船發(fā)射成功。

難題一：茫茫宇宙，天宮二號(hào)身在何方

神舟十一號(hào)怎樣才能在茫茫宇宙中找到天宮二號(hào)？激光雷達(dá)和光學(xué)成像敏感器這兩個(gè)“情報(bào)線人”絕對(duì)不能少，有了它們，就像擁有了“火眼金睛”，再黑也不怕找不到目標(biāo)。

“作為神舟十一號(hào)飛船交會(huì)對(duì)接中穿針引線的‘眼睛，在天宮二號(hào)與神舟十一號(hào)交會(huì)對(duì)接接近段和靠攏段及繞飛過程中，激光雷達(dá)必須迅速準(zhǔn)確地完成對(duì)天宮二號(hào)目標(biāo)飛行器的搜索、捕獲、跟蹤測(cè)量，確保飛船空間交會(huì)自動(dòng)和手控對(duì)接、組合體飛行、繞飛控制等任務(wù)的成功實(shí)現(xiàn)，支撐導(dǎo)航控制系統(tǒng)完成控制任務(wù)?！敝袊娮涌萍技瘓F(tuán)公司激光雷達(dá)項(xiàng)目副總師吳登喜介紹說。

天宮二號(hào)上搭載了中國電子科技集團(tuán)公司研制的激光雷達(dá)合作目標(biāo)，神舟十一號(hào)則搭載了激光雷達(dá)主機(jī)和信息處理機(jī)，其探測(cè)的基本過程是由安裝在神舟十一號(hào)上的激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)出激光束，激光束照射到天宮二號(hào)上后返回信號(hào)，激光雷達(dá)系統(tǒng)再根據(jù)接收到的返回信號(hào)計(jì)算分析。“天宮二號(hào)攜帶的激光雷達(dá)合作目標(biāo)裝載了特殊的玻璃棱鏡，可以從多方位、大范圍內(nèi)反射激光雷達(dá)的光信號(hào)，配合激光雷達(dá)完成距離、角度等飛行參數(shù)的測(cè)量，確保飛船進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接?！眳堑窍舱f。

除雷達(dá)外，神舟十一號(hào)還有一個(gè)被譽(yù)為“靈敏的眼睛”的核心器件——光學(xué)成像敏感器，該設(shè)備能讓兩個(gè)高速運(yùn)行的飛行器更加迅速、可靠地對(duì)接在一起。如何保持這雙“眼睛”持續(xù)炯炯有神，其關(guān)鍵組件導(dǎo)航定位激光信息源必不可少。

“即使太空中漆黑無界，導(dǎo)航定位激光信息源也能通過發(fā)出激光，在黑暗中找到目標(biāo)，傳遞信息;即便是面對(duì)太陽強(qiáng)光的直射，它也能發(fā)射出比陽光更明亮的雙波長激光，確?！劬Σ槐粋?，找到目標(biāo)。這極大地提高了交會(huì)對(duì)接的可靠性，并有助于延長對(duì)接窗口期。”中國電子科技集團(tuán)公司專家覃波介紹，在研制中，集團(tuán)通過軟件建模仿真和多次試驗(yàn)驗(yàn)證，使最終產(chǎn)品的輸出穩(wěn)定性滿足了任務(wù)要求，導(dǎo)航定位激光信息源在功能、性能和可靠性等同等條件下，重量和功耗僅為國際主流產(chǎn)品的1/2。

難題二：軌道不同，相思相望怎相親

“如果把天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)比作一對(duì)戀人，那么神舟十一號(hào)要想在太空擁抱他的‘新娘，就離不開通信測(cè)控系統(tǒng)這個(gè)‘紅娘?！敝袊娮涌萍技瘓F(tuán)公司第五十四研究所測(cè)控系統(tǒng)總師陳建民說。

神舟十一號(hào)成功升空進(jìn)入預(yù)定軌道以后，與他的“新娘”天宮二號(hào)并不在同一個(gè)軌道上，他們?cè)谙嗑嗌先f公里的茫茫太空看不見彼此，也就無從交會(huì)對(duì)接。陳建民介紹，神舟十一號(hào)和天宮二號(hào)在宇宙中高速飛行，要想完成交會(huì)，測(cè)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)對(duì)飛船進(jìn)行測(cè)控。測(cè)控包括測(cè)量與控制兩個(gè)方面，測(cè)量就是對(duì)兩個(gè)飛行器的位置、速度、飛行姿態(tài)等進(jìn)行觀測(cè)分析，控制指的是對(duì)飛船的飛行姿態(tài)、軌跡、速度等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

“測(cè)得準(zhǔn)，才能控得準(zhǔn)。五十四所通信測(cè)控系統(tǒng)通過對(duì)天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)進(jìn)行精確定軌，讓它們實(shí)現(xiàn)‘相思并相見。統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)遍布全國各測(cè)控站點(diǎn)以及海外站點(diǎn)，三顆中繼衛(wèi)星在太空中高懸，通過遙測(cè)、外測(cè)，對(duì)天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離引導(dǎo)，精確控制它們進(jìn)入距地393公里的對(duì)接軌道。”中國電子科技集團(tuán)公司第五十四所高級(jí)工程師高京龍說。

進(jìn)入對(duì)接軌道后，通過測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送遙控指令，神舟十一號(hào)高速追趕天宮二號(hào)，逐漸向天宮二號(hào)逼近?！皽y(cè)控系統(tǒng)要精準(zhǔn)測(cè)量、精確控制它們的飛行速度和姿態(tài)，才會(huì)避免高速飛行之下，對(duì)接不會(huì)變成相撞。”高京龍說，“這對(duì)‘戀人在太空完成‘擁吻動(dòng)作，難度就相當(dāng)于在高速飛行中完成‘用線穿針眼，對(duì)測(cè)控能力包括測(cè)控的精度提出了極高的要求。時(shí)速28000公里的前提下，我們的測(cè)控精度稍有差池，神舟十一號(hào)就會(huì)錯(cuò)過與‘新娘會(huì)面的機(jī)會(huì)。對(duì)接時(shí)精度不準(zhǔn)，就會(huì)導(dǎo)致可怕的后果?！?/p>

交會(huì)對(duì)接完成后，這對(duì)組合體要在太空完成30天的太空試驗(yàn)。整個(gè)過程中，兩個(gè)飛行器的速度要保持相對(duì)靜止。

航天員景海鵬（右）、陳冬（左）在出征儀式上揮手。

難題三：良辰吉時(shí)，差一秒都不行

到達(dá)了“新娘”的精準(zhǔn)位置，做好了萬全的準(zhǔn)備，此時(shí)，還有一道難題等待著神舟十一號(hào)，那就是“擁吻”的良辰吉時(shí)不能有分毫的誤差。為給這對(duì)“新人”準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，一套幾乎毫秒不差的時(shí)統(tǒng)設(shè)備誕生了，只要能準(zhǔn)時(shí)“對(duì)表”，兩者就一定能按時(shí)完成“浪漫之約”。

“天宮二號(hào)與神舟十一號(hào)的對(duì)接就像打仗一樣，指揮員總是要求大家‘對(duì)表，確定一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間，各個(gè)系統(tǒng)才可以同步行動(dòng)，否則就會(huì)發(fā)生對(duì)接不上或兩個(gè)航天器相撞的后果?！?中國電子科技集團(tuán)公司副總工程師柴霖說。

部署在發(fā)射中心、航天飛控中心、中繼衛(wèi)星控管中心、衛(wèi)星測(cè)控中心及各測(cè)控站和測(cè)量船上的時(shí)統(tǒng)設(shè)備就起到了“對(duì)表”的作用。柴霖介紹，該設(shè)備可為整個(gè)航天系統(tǒng)中各種用戶設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，使分散在各地的用戶設(shè)備在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)下同步工作，3000年誤差不超過1秒。該時(shí)統(tǒng)設(shè)備參與了天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)的發(fā)射、入軌、對(duì)接、在軌運(yùn)行和飛船返回等全任務(wù)過程。

此外，天宮二號(hào)要與神舟十一號(hào)對(duì)接，時(shí)間精度的要求非常高，必須精準(zhǔn)掌握發(fā)射的時(shí)間及狀態(tài)，這就需要T0控制臺(tái)的有效運(yùn)作。T0控制臺(tái)提供神舟十一號(hào)發(fā)射的倒計(jì)時(shí)、反饋運(yùn)載火箭的點(diǎn)火時(shí)刻和起飛時(shí)刻，并分發(fā)到通信、測(cè)量和控制系統(tǒng)。也就是說不僅要準(zhǔn)時(shí)發(fā)出點(diǎn)火指令，而且要反饋點(diǎn)火是否成功、是否成功起飛、何時(shí)起飛等信息。

為了避免單通道信息傳輸受阻，T0控制臺(tái)采用雙通道、雙處理的新模式，實(shí)現(xiàn)指令的分發(fā)與反饋毫秒不差、萬無一失。“指令發(fā)出后，點(diǎn)火是否成功，是否成功起飛，何時(shí)起飛，這些信息的反饋也是采用雙通道，以確保任務(wù)萬無一失，避免傳輸受阻或失敗。未建立雙通道，一旦出現(xiàn)故障，最好的情況是火箭發(fā)射失敗，但還矗立在發(fā)射塔;最可怕的是火箭發(fā)射出去了，但相應(yīng)數(shù)據(jù)并未傳回，直接影響啟動(dòng)下一步設(shè)備以及對(duì)飛船的進(jìn)一步控制。”柴霖說。

航天員的“天上生活”

神舟十一號(hào)上搭載的兩名航天員在軌飛行33天，這是中國迄今為止時(shí)間最長的一次航天飛行。那么，宇航員是如何度過“天上的”生活？

航天員吃什么

中國航天員中心科研訓(xùn)練航天食品營養(yǎng)研究室副主任曹平說，這次航天員的食品在種類上達(dá)到了100多種。在神舟十一號(hào)自主飛行段，航天員食欲不佳，所以會(huì)配備粥等清淡的食物。

正式入駐天宮二號(hào)后，航天員就有了豐富的一日三餐，吃飯時(shí)間與地面同步，品種包括主食、副食等六大類，醬牛肉、魚香肉絲等傳統(tǒng)菜肴都有，五天之內(nèi)都不會(huì)重樣?？紤]到中期飛行航天員的身體狀況變化，結(jié)合我國醫(yī)學(xué)食療食養(yǎng)的理念，也配置了相應(yīng)的食品，使航天員有更好的體魄完成工作。

航天員可以使用專用的食品加熱器吃到熱騰騰的飯菜，還可以享用甜點(diǎn)。航天員喝的是經(jīng)過特殊方式消毒、能長期保質(zhì)的水。

曹平說，食品設(shè)計(jì)師品嘗過這些菜肴，不僅符合航天員飲食習(xí)慣，同時(shí)也非?？煽冢芴峁┏渥隳芰亢蜖I養(yǎng)素。

航天員健康如何保障

中國航天員科研訓(xùn)練中心航天員系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師黃偉芬介紹，航天員在太空中的健康保障包括醫(yī)監(jiān)醫(yī)保、失重生理效應(yīng)防護(hù)、營養(yǎng)保障、心理保障、載人環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估等。

黃偉芬說，根據(jù)神舟十一號(hào)兩名航天員的不同年齡特點(diǎn)，采取了有針對(duì)性的醫(yī)監(jiān)醫(yī)保工作，強(qiáng)調(diào)預(yù)防為主。由于飛行時(shí)間較長，飛行前的疾病防治工作很重要，要減少在飛行中出現(xiàn)疾病的概率。在飛行中對(duì)航天員健康開展動(dòng)態(tài)觀察風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)飛行中可能會(huì)出現(xiàn)的問題、怎么處置的預(yù)案都做了完善。

由于神舟十一號(hào)航天員飛行時(shí)間長，失重防護(hù)更加突顯。航天員配有套帶、企鵝服、自行車功量計(jì)和拉力器。企鵝服是一個(gè)失重對(duì)抗防護(hù)的設(shè)備。人在失重狀態(tài)下長期生活，由于沒有重力作用，人體的肌肉會(huì)萎縮。企鵝服里面有很多彈性袋，像地面上做運(yùn)動(dòng)的拉力器，航天員穿上后通過彈性力的作用，使肌肉得到緊張，避免肌肉萎縮。套帶用在航天員大腿部，它的作用是通過加壓，防止微重力對(duì)人體體液分布的影響，比如導(dǎo)致大腦血液過少。

據(jù)介紹，套帶是入軌后前3天連續(xù)使用。企鵝服優(yōu)化了穿著時(shí)間、加載負(fù)荷分配并明確企鵝服對(duì)肢體活動(dòng)要求。自行車功量計(jì)優(yōu)化了鍛煉程序，加強(qiáng)了針對(duì)性設(shè)計(jì)。拉力器增加了下肢和腰背肌鍛煉。

航天員穿什么

“以前我們對(duì)航天員服裝及配飾考慮得比較單一。隨著任務(wù)的多樣化，航天員服裝的種類也更加豐富?！敝袊教靻T科研訓(xùn)練中心副研究員楊立眾介紹。

11月18日，神舟十一號(hào)返回艙成功著陸。

航天服包括艙內(nèi)航天服和出艙穿的艙外航天服。航天員入軌以后正常開展工作，脫掉白色艙內(nèi)航天服換上艙內(nèi)工作服和鞋，進(jìn)行正常的值班、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、操作、生活。運(yùn)動(dòng)服是在天宮實(shí)驗(yàn)室和組合體內(nèi)進(jìn)行鍛煉時(shí)穿的衣服。休閑服是在駐留期間與工作服輪流穿著。內(nèi)衣穿在最內(nèi)層，可以4天換一套，具有一定的保暖性、衛(wèi)生性和舒適性。

地面的航天員服裝包括夏裝和秋冬裝。設(shè)計(jì)師還設(shè)計(jì)了腰帶、圍巾、絲巾和領(lǐng)帶等。

航天員服裝上有各種標(biāo)志，如國旗、載人航天工程的標(biāo)志、飛行榮譽(yù)標(biāo)、執(zhí)行的任務(wù)標(biāo)、姓名牌等?？梢钥吹綆最w星表示他前期上過幾次太空。如果是沒有參與過飛行任務(wù)的航天員，那就是空的。

此外，航天員還配有睡袋，兜里有眼罩、耳罩，有遮光和防噪功能。睡袋上有8個(gè)鉤子，數(shù)個(gè)束縛帶，可以固定在艙內(nèi)，防止在失重環(huán)境中漂移。

中國航天向空間站時(shí)代挺進(jìn)

“神五”突破載人飛天、“神六”實(shí)現(xiàn)兩人多天，“神七”突破出艙活動(dòng)、“神八”實(shí)現(xiàn)無人對(duì)接、“神九”突破載人交會(huì)對(duì)接……每艘飛船型號(hào)的更新，都意味著中國載人航天事業(yè)實(shí)現(xiàn)巨大跨越。

在中國載人航天工程辦公室主任王兆耀看來，此次任務(wù)的圓滿成功對(duì)我國的航天事業(yè)來說意義非凡。“這標(biāo)志著我國空間實(shí)驗(yàn)飛行任務(wù)取得具有決定性意義的重要成果，為我國空間站建造運(yùn)營和航天員長期駐留奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！?/p>

具體而言，此次任務(wù)驗(yàn)證了航天員中期駐留的生命保障技術(shù)、人機(jī)協(xié)同在軌維修技術(shù)，考核了空間站運(yùn)行軌道的交會(huì)對(duì)接、組合體運(yùn)行、載人飛船返回等相關(guān)技術(shù)，還積累了長期飛行任務(wù)管理和組織實(shí)施較大規(guī)?？臻g應(yīng)用試驗(yàn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

“太空探索永無止境，航天攻關(guān)任重道遠(yuǎn)”。王兆耀透露，2017年，我國將發(fā)射首艘貨運(yùn)飛船——天舟一號(hào)，與天宮二號(hào)進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證掌握空間站建造運(yùn)營相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，全面完成空間實(shí)驗(yàn)室階段任務(wù)。

空間站是中國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略的最高目標(biāo)。從無人飛行到載人飛行，從一人一天到多人多天，從艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)到太空行走，從短期停留到中期駐留……中國人正一步一個(gè)腳印地走近屬于自己的太空家園——空間站?！半S著中國空間站建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，到2022年前后，中國載人航天‘三步走發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)將全部實(shí)現(xiàn)?！蓖跽滓f。（本刊綜合）