打造理想之舟：神舟十二號研制的“道”與“術”

文/ 陳立

關于神舟系列飛船，中國載人航天工程在1992年立項時，對其理想功能狀態有過一個規劃。

這份秘而不宣的規劃一直是飛船系統迭代升級的方向，也能在每次任務的工程目標中找到蛛絲馬跡。

從采用最小配置（只有8個分系統）的神舟一號試驗飛船問世，到今天神舟十二號載人飛船飛向中國空間站，當年那一紙規劃首次全部實現。

這次神舟十二號飛船升空前，要滿足一個以前沒有的約束條件，火箭方可發射，那就是：發射場的另一枚長二F火箭和神舟十三號飛船必須技術狀態正常。

從數學的角度來講，小概率事件不易發生。但是，一旦有航天員在天上遭遇不測、神舟十二號飛船又發生故障無法返回這樣的極小概率事件不幸發生，“就要發射神舟十三號飛船實施應急救援，接航天員回來。整個救援流程16天，最快8.5天完成”。神舟飛船飛控技術組組長楊海峰解釋，中國已步入空間站時代，空間站核心艙與飛船合體后，還有空置的對接口供“救生船”停靠，這在天宮一號/二號任務中是無法做到的。

最后一塊拼圖就這樣順理成章地補上了。

或許，這也令人更好地理解，為什么在神舟飛船研制隊伍里會流傳這么一句話——“全國人民對航天有包容心，但我們不接受失敗”。

▲ 神舟十二號飛船模擬圖

延續多年的“高壓”

上一次載人飛行已是5年前。

3月底，神舟十二號飛船飛控試驗隊進駐北京航天飛行控制中心，與在酒泉兼顧神舟十二號和神舟十三號兩艘飛船的發射試驗隊遙相呼應。同時，著陸場的搜救回收試驗隊也準備就位。后續神舟十三號發射前，神舟十四號同樣會在發射場時刻待命。

神舟十二號發射時間臨近7月1日這個特殊的日子，壓力顯而易見。有些設計師每天拖著行李箱去上班，隨叫隨走，隨時出差。

神舟飛船系統技術副經理邵立民說，載人航天任務責任重大，工作強度高，但在進度和質量的雙重要求下，必須做到二者平衡、齊頭并進。

這是一個被視為航天器技術最為復雜的大系統工程。航天器上有了人，在技術、可靠性、安全性等方面的要求都會被提得很高。

“高壓”狀態已延續多年。1998年，北京航天城在一片農田里拔地而起，廠房建設與飛船研制同步交叉進行，已經組裝起來的4艘供地面試驗用的初樣飛船同時展開測試，按既定的“爭八保九”（爭取1998年、確保1999年發射第一艘無人飛船）進度要求，科研人員爭分奪秒。

大家冥思苦想，把用于地面電性能測試的試驗飛船簡化、改裝成一艘用來發射的試驗飛船。改裝后的飛船要送到空間環境模擬器KM6（俗稱為真空罐，用于模擬太空環境）中接受考核，開一次罐的費用是幾十萬元。當時航天“拮據”、元器件質量不穩定，時任飛船總設計師的戚發軔為此下了道命令：誰家產品考核出問題，誰就掏錢重新開罐。

1998年，時任國務院總理的朱镕基看到飛船試驗設備上有一個部件表面加工粗糙，便向承制單位提出嚴厲批評。當時飛船副總指揮、副總設計師施金苗多年后回憶，那些批評一直都回響在自己耳畔。干載人航天就得經歷這樣的“高壓”，才能保證航天員順利上去、平安回來。

源于對質量的極度苛刻和技術的不斷突破，從1999年發射的神舟一號開始，每一艘神舟飛船都不辱使命，積累的成功經驗薪火相傳。楊海峰也表示，和前幾艘飛船比，神舟十二號的技術狀態總體變化不大，質量很穩。不過這次任務中還是會有一些“新動作”，主要是交會對接和返回著陸。

效率更高的交會對接

神舟飛船以前是和8噸級的天宮一號/二號空間實驗室交會對接，兩者體重相當，此次面對體重三倍于己的空間站核心艙，還要進行首次載人自主快速交會對接。

神舟十二號飛船上配備了控制計算機、北斗導航定位系統、微波光學敏感器等交會控制設備，不依賴地面測控系統，就可以自主飛到“天和+天舟”組合體附近，被稱為“基于船上自主導引的交會方案”。以往靠地面導引飛船完成交會對接，方案成熟，但需要2天左右才能完成，這次從船箭分離到對接機構鎖緊只需要6.5個小時左右。

飛船入軌后，自己會測算位置、速度等，北京飛控中心則會把“天和+天舟”組合體的位置、速度信息告訴飛船。經過約4.5小時飛行、6次變軌后，飛船將來到核心艙的后下方，兩者直線距離52公里，飛船運行軌道高度要低13.5公里左右。

作為追隨者，飛船不斷瞄準、接近核心艙，并在其下方完成180°轉向，建立倒飛姿態，然后升軌飛到核心艙前方200米停泊點處。飛船頭部的軌道艙，對準“天和”球形節點艙的前向對接口，船上交會敏感器測量相機進行光學測量，直至對接機構鎖緊，對接過程一蹴而就，耗時約30分鐘。

“以前交會對接過程中飛船停泊點多，400米、120米、30米，現在技術成熟，可以壓縮時間，航天員在飛船里待久了也難受。”楊海峰笑言。

天和核心艙上有3個對接口供飛船選擇，分別是前向對接口、后向對接口，徑向對接口（沿核心艙運行軌道半徑方向，朝向地心）。邵立民表示，現在交會對接過程簡化，效率更高。這次任務是前向對接，如果航天員平安無事，那么地面上神舟十三號飛船的應急救援待命任務就會解除，轉為正常任務，發射后會與核心艙進行徑向對接。

無論是“北斗”指路，還是快速交會對接，都在1個月前的天舟二號任務中驗證過。相比其他航天任務，載人航天任務更求穩。等到此次飛行乘組返回地球當天，神舟十二號飛船還會首次交會到距離核心艙徑向對接口19米處，但不對接，為神舟十三號飛船“探路”。

備用著陸場轉正

“神舟”“天和”“天舟”3個航天器從前到后串聯在一起后，組合體的姿態控制權由“天和”接管，遙測參數也由它提供給地面，航天員將穿過四道艙門，進入“天和”。

首先，待神舟飛船的軌道艙和返回艙兩邊氣壓平衡后，航天員打開返回艙艙門，進入軌道艙。軌道艙和節點艙之間的對接通道是真空的，需要先將空氣充入至負壓96千帕。航天員通過快速檢漏儀查看通道內是否漏氣，空氣負壓不足的話，儀器會亮紅燈報錯。

相繼打開軌道艙門、節點艙門、小柱段艙門后，航天員便來到小柱段，這是他們在核心艙的生活區，再往里走是大柱段工作區。這些艙門打開后都不必關上，方便航天員往返。“神舟飛船上攜帶的生活物資只夠3名航天員用5天，因此必須保證每道艙門都能順利打開，便于航天員開展工作與取用物資。”楊海峰說。

這次航天員將在軌駐留3個月，要進行出艙、科學實驗、技術試驗等活動，刷新中國航天員巡天的時間紀錄。9月份，神舟飛船被“喚醒”，帶航天員回家，首次實施全高度大范圍的高精度返回。

屆時，著陸區將不再是大家熟知的內蒙古四子王旗，而是以前載人航天任務的備用著陸場——地處巴丹吉林沙漠和戈壁帶的東風著陸場。

楊海峰解釋：“空間站軌道高度和天宮一號/二號不同，所以導致落區位置有變化。”以前運行軌道固定，飛船每次都是從指定位置開始再入大氣層，所以次次落在四子王旗。空間站運行在340公里~450公里的近地軌道上，軌道變化讓飛船返程的出發點不再固定，所以選擇了東西跨度大得多的東風著陸場。

核心艙上很多設備可以更換，但設計壽命15年的寶貝發動機是一次性的，要“省著用”。如果只是為了讓飛船落在四子王旗而去調整軌道面，并不是很科學，也不經濟。需要“省油”時，核心艙甚至會關閉自己的發動機，轉而啟動天舟貨運飛船的發動機，讓小兄弟推著大哥飛。

和俄羅斯聯盟號飛船、昔日美國阿波羅飛船一樣，神舟飛船返回艙也是采用彈道—升力式方式（半彈道式）返回，航天員承受3~5個G的減速過載。如果遇到突發情況需要應急返回，便采取彈道式再入返回。一頭扎入大氣層的返回艙高速自轉，彈道極陡、減速很快，飛行時間和航程短，航天員會承受8個G的過載。

“返回艙上還配有兩套降落傘”，邵立民補充道，如果不配置備份傘，一旦主傘失效，后果將是災難性的。另外，飛船還專門設置自動檢測裝置，一旦檢測到故障，就會按預定程序切換到備份降落傘設置。

類似這種在技術上采取的冗余措施，神舟十二號飛船上隨處可見。

救生措施最完備的載人飛船

今年是世界載人航天大幕開啟60周年。從1961年蘇聯航天員加加林乘坐人類第一艘載人飛船進入太空開始，各國在這項活動中寄托了雄心壯志，也傾注了最頂尖的智慧和技術，特別是在保證航天員安全方面。

這背后是一次次血的教訓和對生命的敬畏。人類載人航天飛行史上，共有18名航天員遇難，1986年美國挑戰者號航天飛機爆炸的悲劇更令人刻骨銘心。1975年“聯盟18A”飛船發射時，火箭末級發動機點火后不久出現故障，借助應急救生程序船箭立即分離，航天員才幸免于難。

因此，要造一艘最安全的“神舟”，在設計過程中遵循可靠性和安全性原則尤為重要。這條金科玉律早被寫入中國空間技術研究院神舟飛船的總體設計方案中：應該按照“一次故障——工作，二次故障——安全”的設計原則開展設計工作……

也就是說，飛船上的任何設備若發生故障，一定要有備份、有冗余措施，以維持正常工作；再出問題，那一定要保證安全。例如，船上一共配置4種不同類型的交會對接敏感器，雖然作用距離不同，但能保證在關鍵測控弧段內，同時有3套設備可以工作。

中國載人航天工程副總設計師張柏楠曾講過一個“鏈條原理”：這是一個系統工程，一個載人系統幾萬個單點、幾十萬行軟件代碼，像一個環狀鏈條，哪一個環節都不能疏忽，哪一環都至關重要。

哪怕只是一個小小的氣囊。

2001年1月，神舟二號飛船返回時發生了一些問題。時任飛船副總指揮尚志和副總設計師張柏楠被要求立即調研有關返回艙上氣囊情況，迅速拿出解決方案。

兩位老搭檔領到任務后，一度大腦空白。這是涉及航天員返回時生命安全的嚴肅問題。兩人偶然在航空救生展覽中，受到直升機彈射座椅上氣囊和民航救生衣的啟發，順藤摸瓜找到一家京外機構。對方很熱情，很快就設計出了樣品，但有瑕疵，不滿足飛船使用標準。考慮再三后這家單位決定退出，已經兩地折返多趟的尚志急得當場發火，還被對方告了一狀“態度惡劣”。后來，還是靠航天的研究所費盡周折才解決問題，付出巨大人力物力，拿出滿足要求的產品。

一度走投無路的兩位“副總”長舒一口氣。干載人航天這個“天字一號”任務，遇到的艱難處境比熱情相迎多，到最后基本還得靠自己渡過難關。

此時的“神舟”，已是世界上最安全的載人飛船之一。載人航天活動的全過程可以分為待發射段、發射段、軌道運行段、返回段和著陸段5個階段。之前，美蘇的水星號、雙子星座、阿波羅、東方號、上升號五型飛船以及航天飛機，都無法在5個階段均拿出行之有效的救生措施，而中國的神舟飛船在5個階段都有救生措施。

神舟飛船在待發射段（發射前15分鐘至起飛前）出現致命性故障時，會采用應急撤離或發射臺逃逸救生這兩種方法。前者，航天員出船，再出火箭整流罩艙口，使用逃逸滑道到達地面，進入地下掩體，完成撤離。后者，與發射段大氣層內救生模式相同，主要依靠火箭上的逃逸塔拖拽飛船逃逸。

飛船在軌飛行期間，若發生危及航天員生命的故障，或航天員出現急難病癥必須立即返回地面救治，會啟動飛船提前快速應急返回著陸的方案。現在，又加了地面發射“救生船”這道保險。

如此種種，在研制載人飛船時，科研人員窮盡大腦提前想到可能出現的緊急情況，給出對策，先保航天員安全，再考慮科學和工程上的事。

上世紀90年代的一天，俄羅斯聯盟號飛船準備發射。飛船總設計師與航天員握手告別時說，沒有把握我不會送你們上天。戚發軔看到這一幕后反問自己：以后我敢這么說嗎？

積年累月，這個反問成了一代又一代航天人勇往直前的不竭動力。